（岩土工程专业论文）深埋基岩巷道锚喷支护设计与参数研究.pdf

四川大学硕士学位论文 深埋基岩巷道锚喷支护设计与参数的研究 岩土工程专业 硕士研究生丁玉乔指导教师刘长武教授 长期以来，各种形式的地下工程( 铁路隧道、公路隧道、矿山井巷、水工 隧洞、国防和人防工事、市政信道、城市地铁及地下商业建筑等) 在国内外取 得了广泛应用。由于地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有很大不同， 因此不能简单地沿用地面工程的设计理论和方法来解决地下工程问题。本文主 要针对贵州五轮山井田地下工程中主井巷道围岩稳定性和锚喷支护的技术参数 设计进行了深入的研究。 针对五轮山主斜井巷道的支护问题本文主要研究了以下几方面内容，并得 出了以下主要结论： ( 一) 以弹性力学为基础，推导了椭圆形洞室周边围岩切向应力状 态的理论表达式，从而分析得到了巷道拱顶和拱脚的切向应力值，经验证均小 于该处玄武岩的饱和抗压强度；以弹性力学中厚壁圆筒理论对洞周围岩进行了 变形分析，洞室周边径向位移量为5 。7 2 r a m ，从应力和变形两方面说明在玄武 岩中开挖巷道，采用裸巷喷混凝土支护形式，围岩仍然是稳定的。 ( 二) 以有限元程序a n s y s 作为研究手段，建立弹性模型，对玄武岩段 巷道应力分布进行了数值模拟，研究围岩应力分布特征。模拟分析的结果同理 论分析结果相吻合，分析结果表明：此部分巷道围岩的自身承载能力较高，开 掘后井筒周边围岩内的最大切向应力小于玄武岩的岩体强度，巷道周边岩体仍 呈弹性状态，因此这部分巷道可以采用裸巷加喷浆( 喷浆的目的主要是为了封 闭巷道表面防止围岩在空气和水的作用下进一步被风化) 的形式进行维护。 ( 三) 应用围岩塑性松动圈理论，对在深部层状岩体中开挖的巷道 进行了松动圈的分析和计算，并据此进行了锚喷支护的设计与计算。 ( 四) 以弹塑性理论为基础，对深部岩体中开挖巷道后的周边围岩 二”i ； 四川大学硕士学位论文 的径向位移进行了理论分析，计算得到各埋深条件下洞周围岩的径向位移量， 在不考虑采动影响的条件下，该位移是合理的。 ( 五) 对深部层状岩体中开挖的巷道建立二维弹塑性模型，利用有 限元程序对其周边应力分布进行了数值模拟，并针对锚喷支护后的围岩状态进 行了分析。模拟结果表明：开挖后的围岩应力分布及大小与理论分析结果相符； 虽然该有限元程序无法准确模拟全长粘结树脂锚杆的径、切向锚固力的作用， 但锚杆加固后，通过改善锚固区内围岩力学性质，提高围岩应力水平，减小围 岩变形等仍能体现出锚杆加固的积极作用。 ( 六) 本研究成果在贵州五轮山井田的应用，不仅为煤矿节约了大量的建 设投资，而且加快了建井速度，也为这些井筒今后长期使尉过程中的安全与稳 定提供了技术保证。 关键词：主斜井厚壁圆筒塑性圈锚喷支护数值模拟 国家自然科学基金资助项目：5 0 5 7 4 0 6 4 5 0 5 7 4 0 2 9 竺! ! 奎兰堡圭兰竺丝壅 一 d e s i g na n dr e s e a r c ho np a r a m e t e r so fd e e p c o v e r e d r o c ke n t r ys u p p o r t e db yb o l t i n ga n ds h o t c r e t e m a j o r ：g e n - t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：d i n gy u q i a o t u t o r ：p r o f l i uc h a n g w u a l l 多o r t s o f u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g s ( s u e h a s r g j l w a y t u n e l s ，r o a d t u n n e l s , m i n ew o r k i n g s , h y d r a u l i ct u n n e l s ，d e f e n c e e n g i n e e r i n g a n dc i v i l d e f e n s e s , m u n i c i p a l p a s s a g e s ，c i t ys u b w a y a n dc o m m e c i a l b u i l d i n g s u n d e r g r o u n d e r e ) h a v eb e e nw i d e l y u s e db o t hi nc i v i ia n da b r o a df b ral o n g t i m e 。t h eo r d i n a r yt h e o r i e sa n dm e t h o d st h a tc o m ef r o mt h eb o v e - g r o u n d e n g i n e e r i n gc a n tb eu s e dt o s o l v et h ep r o b l e m so fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，f o r t h e r ea r ed i f f e r e n c e si n s u r r o u n d i n g s a n dc o n d i t i o n sb e t w e e n u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g sa n da b o v e g r o u n do n e s m a i l ya c c o r d i n gt ot h es t a b i l i t yo f t h ec o u n t r y r o c ka n dt h et e c h n i c a lp a r e m e t e r so fb o l ta n ds h o t c r e t el i n i n g ，s o m ed e e pr e s e a r c h h a sb e e l ld o n e w u l u n s h e na l l o t m e n tl i e s a t n a y o n gc o u n t y i n b i j i e a r e ao fg u i z h o u p r o v i n c e 。l i e sa m o n gt h ev i l l a g e so fs h u a n g g u a n g ，b m x i n g ，z h o n g i i i l 岛e t c i nt h e f i e l di ti sm o s t l yc o v e r e db ys e d i m e n t a r y r o c ke x c e p te r u p t i v er o c k ( b a s a l to fe m e i m o u t a i n ) a n dt h e r ea r em a i n l yc o n b a n a t er o c k s w h i c hh a v eg o o dc o m p r e s s i o n r e s i s t a n c e ，s oi tu s u a l l yw o n tc a u s ee n g i n e e r i n gg e o l o g yp r o b l e m t h er o o fa n d f l o o ro ft h em a i np a y a b l ec o a ls e a m sa r es i l tm u d s t o n e , m u d s t o n e ，l i m e s t o n e ，f i n e s a n d s t o n e s i l t s t o n e a n d a r g i l l a c e o u s s i l t s t o n e ， e t c t h e l i t h o l o g i c a l c h a r a c t e r s , t h i c k n e s sa n dc o m b i n a t e dr e l a t i o na r ec o m p l e x e da n dv a r i a b l e t h e m e c h a n i c a ls t r e n g t hi sd i f f e r e n ta n ds t a b i l i t yi sc o m p l e x e da n dv a r i a b l ee v e nf o r t h er o c kw i t has a m el i t h o l o g i c a lc h a r a c t e r t h em a i ni n c l i e n ts h a f te x c a v a t e di nt h o s es t r a t ai s1 3 1 6m e t e r si nl e n g t ha n d1 3 i i i 四川大学硕士学位论文 d e g r e ei n s l o p ea n g l e i tp i t c h e sd o w ni n t os t r a t u m ss u c ha ss e r i o u se f f l o r e s c e n t r o c k ，g r a n i t e ，b a s a l t ，b a u x i t i cr o c k , m u d s t o n e ，f i n e s a n d s t o n e ，s i l t s t o n e ，s i l tm u d s t o n e a n dc o a l ，e t c r e s e a r c ha n dc o n c l u s i o n so nt h em a i ni n c l i e n ts h a f ta r es h o w na s f o i i o w i n g ： ( 1 ) b a s eo ne l a s t i c i t y ，t h et h e o r e t i c a le x p r e s s i o no ft a n g e n t i a ls t r e s so nt h e s u r f a c eo fo v a lc a v ei si n d u e e d t h e nt h et a n g e n t i a ls t r e s so fa r cc r o w na n d s p r i n g i n g i s g e tw h i c hp r o v e dl e s s t h a nt h es a t u r a t e dc o m p r e s s i o ns t r e s so f b a s a l t b a s eo nt h i c k - c y l i n d e rt h e o r y , d e f o r m a t i o na n a l y s i so nt h es u r f a c eo fo v a l c a v eh a sb e e n d o n ea n dr e s u l t so f t h a ti s5 7 2m i l l i m e t e r s r o c ko fs u r f a c eo f o v a lc a v e i ss t i l ls t a t i ca c c o r d i n gt ot h ea b o v et w o 矗p e c t s a l t e rb e i n gs t r e n t h e n e do n l yb ys h o t c r e t e ( 2 ) e s t a b l i s hm u n m e r i c a le l a s t i cm o d e lw i t ha n s y s ( o n ek i n do ff i n i t e e l e m e n tp r o g r a m m i n g ) t od os o m er e s e a r c ho nt h es t r e s so fr o c ka r o u n dt h e c a v e t h er e s u l t sw h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r i t i c a lo n e s p r o v e da g a i n t h a tb a s a l th a sh i g hl o a d b e a r i n gc a p a c i t ya n dt h er o c ki ss t i l le l a s t i ca f t e r e x c a v a t i o n t h eh i g h e s tt a n g e n t i a ls t r e s so ft h er o c ki sl e s st h a ns a t u r a t e d c o m p r e s s i o ns t r e s so f b a s a l ts ot h er o c ko fs u r f a c eo fo v a lc a v ei ss t i l ls t a t i c i tw i l l b ep r e f e c tf o r t h er o c kt ob es t r e n g t h e n e do n l yb ys h o t c r e t ew h i c hi su s e dt os e a lt h e s u r f a c eo f c a v ei no r d e rt op r o t e c tr o c kw i t h o u tt h ee f f e c to f a f fa n dw a t e l ( 3 ) a n a l y s ea n de a e n l a t et h el o o s i n gs p h e r eo f c a v ei no t h e rs t r a t u md e 印 u n d e r g r o u n d w i t t lc o r d i n a t et h e o r y ，a n dd e c i d et h ep a r a m e t e r so fb o l t i n ga n d s h o t c r e t el i n i n g ( 4 ) a n a l y s i z er a d i a ld e f o r m a t i o no fr o c ka r o u n dt h e c a v ea n dt h er e s u l t si s p r o p e rb a s eo n e l a s t i ca n dp l a s t i ct h e o r yw i t h o u tc o n s i d e r a t i o no ne f f e c to f n l i i l i r l g ( 5 ) e s t a b l i s h2 dm u m e f i c a lm o d e lt oa n a l o g u es t r e s ss t a t eo fr o c ka n d a n a l y s i z et h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t eo ft h er o c ka f t e rs u p p o r t t h er e s u l t sr e v i e wt h a t t h es t r e s ss t a t ei sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lo n e t h o u g ht h ep r o g a m m i n gc a n t a n a l o g u et h ee f f e c to ft a n g e n t i a la n dr a d i a la n c h o r i n gs t r e s s ，i ts e e l l l sh a sa c t i v e i v 四川大学硕士学位论文 e f f e c to nr e i n f o r c e m e n tb yi m p r o v i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t y ，i n c r e a s i n gs t r e s sl e v e l a n dr e d u c i n gs t r a i no f r o c ki na n c h o r a g ez o n e ( 6 ) a p p l i c a t i o no ft h er e s e a r c hf i n d i n g si nw u l u n s h a ne l l o m e n ti ng u i z h o u p r o v i n c e r e s u l t si nn o to n l yr e d u c i n gl o t so fc o n s t r u c ti n v e s t m e n tb u ta l s o i m p r o v i n gc o n s t r u c ts p e e d i ta l s op r o v i d e sm a i n t e n a n c el o g i s t i c sf o rs a f ea n ds t a b l e u s e f o r a l o n g t i m e k e yw o r d s ：i n c l i e n ts h a f tt h i c k - c y l i n d e rt h e o r yp l a s t i c i t ys p h e r e b o l t i n ga n d s h o t c r e t el i n i n gn u m e r i c a la n a l o g u e v 四出太芏耍士堂焦j 窑 l 绪论 1 1 课题的提出 自从人类出现以来，已有3 0 0 万年以上的历史。在这段漫长的历史 时期内，地下空间作为人类防御自然和外敌侵袭的防御设施而被利用。 在遥远的古埃及和古罗马时代，为了利用地下空间或开采地下有用的矿 物，人们不仅掌握了隧道( 巷道) 等地下空间的开掘技术，而且还初步 掌握了一些简单的隧洞砌衬方法。古埃及修建了许多地下墓穴和教堂， 以及开凿于软性石灰岩中的地下水道；而古罗马在隧道兴建方面更有令 人称道的成就，他们不仅掌握了岩石隧道的开挖方法而且还掌握了将陶 土磨成细粉，掺以石灰制成泥浆来对隧道进行砌衬的手段。我国也是地 下空间和地下有用矿物开采利用最早的国家之一。1 9 8 1 年湖北大冶铜绿 山发掘出土的东周时期的采矿遗址中，就保存有架设于古巷道中的木质 框形支架。并且我国古人就对开挖开采过程中这些支护的防塌作用都留 有详细的记载【l l 。 长期以来，各种形式的地下工程( 铁路隧道、公路隧道、矿山井巷、 水工隧洞、国防和人防工事、市政通道、城市地铁及地下商业建筑等) 在国内外取得了广泛应用。预计地下空间作为人类在地球上安全而舒适 生活的补助空间在经济可持续发展中，将占据重要地位，其利用程度和 规模，将会日益扩展。科学预测指出：2 l 世纪将是大力开发地下空间的世 纪【2 1 。 地下工程通常包括在地下开挖的各种隧道与洞室、铁路、公路、矿 山、水电、国防、城市地铁及城市建设等许多领域，都有大量的地下工程。 随着科学技术及工业的发展，地下工程将会有更为广泛的新用途，如地下 储热库、地下储气库、地下储水库以及地下核废料密闭储藏库等p l 。 地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有很大不同，如图1 1 所 示。沿用地面工程的设计理论和方法来解决地下工程问题，显然不能正确 地说明地下工程中出现的各种力学现象，当然也不可能由此作出合理的 支护设计。地下工程的受力特点大致可以归纳为如下几点【3 l ： 四山太堂耍兰焦i 盒空 ( a )( b ) 图i 1 地下工程与地面工程的区别 a 地面结构b 地下结构 地下工程是在自然状态下的岩土地质体内开挖的，在复杂的地质 环境下，地下工程上的荷载及地质体力学参数均难以确定，这使地下工 程的计算精度受到影响，因此难以进行十分精确的地下工程支护结构的 设计。 地下工程周围的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它本身 又是一种承载体。充分发挥地质体自身的承载力是地下支护结构设计的 一个根本出发点。 作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时机的影响。因而 地下支护结构设计的另一特点是将受到施工因素和时间因素的影响。 与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护 结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳，但围岩是否失稳至今没有妥 善的判断准则，一般都按经验来确定。 地下工程支护结构设计的关键在于充分发挥围岩自身的承载能 力。要达到这点，围岩要在一定范围内进入塑性。但当岩土质体进入塑 性后，其本构关系是很复杂的。因此，由于本构模型选用不当亦会影响 到计算的精度。可见，在力学模型上，地下工程要比地面工程更加复杂。 目前，岩石地下工程中，国内外已普遍推广使用锚杆金属网喷射混 凝土联合支护( 简称锚喷支护) ，但是我国的支护设计大部分仍然处于凭借 工程经验的工程类比、查表选取支护参数的定性阶段，在施工、运营以 2 四山太兰亟生焦i 室 及维护过程中，往往发生事故甚至延误工期，给工程建设造成了巨大损 失。据统计，在隧道工程事故中，有l ，3 1 2 是由于支护不当或不及时 支护所造成的，而在隧道工程成本中，支护及维护费用就占4 0 6 0 1 3 1 。 随着新奥法概念的普及，人们逐渐意识到充分发挥围岩的自身承载 作用在工程中所具有的重要意义，因此锚喷支护逐渐成为在地下工程中 支护围岩的最重要的方法之一。对巷道的锚喷支护技术已经发展了许多 年，也取得了一定的成就。但是在本课题中，由于在围岩中赋存有粉砂 质泥岩、泥质粉砂岩这两类水理性质非常差的岩体，因此对巷道围岩支 护工程的安全可靠性提出了更高的要求，在这罩将其作为一个专题进行 研究是十分必要的。 1 。2地下工程支护技术的发展 洞室开挖前，地层处于由岩体的自重和地质构造作用经历了漫长的应 力历史逐渐构造而成的静止平衡状态，洞室开挖后，由于围岩在开挖面 处鳃除了约束，破坏了初始应力平衡。发生应力重分布，洞内各点的应 力状态发生了变化，其结果是引起洞室周围各点的位移，从而适应应力 的这种变化而达到新的平衡，但这种应力重分布仅限于洞室周围一定范 围内的岩体，而在此范围以外仍保持在初始应力状态，如图1 2 所示。 由于二次应力的作用，使围岩发生向洞内的位移，若岩体强度高，整体 性好，断面形状有利，岩体的变形到一定程度就将自行终止，围岩是稳定 的。然而在大多数情况下，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道 围岩的整体失稳而破坏，因此对开挖后的洞室围岩必须进行支护【4 1 。 在理论上。地下工程支护技术主要包括围岩分类技术、支护理论和锚 固机理的研究等，详述如下： 3 酉21 l 太堂亟雯僮i 空 图1 2圆形洞室围岩应力集中系数图 1 2 1围岩分类技术的发展历程 1 2 1 1围岩分类的意义和根据 围岩分类的目的是对作为工程建筑物地基或围岩的岩体，从工程的 实际要求出发，对它们进行分级；并根据其特性，进行试验，得出相应 的设计计算指标或参数，以便使工程建设达到经济、合理、安全的目的【5 1 。 影响围岩稳定性的因素主要有两大类：一类是地质环境方面的自然因素， 是客观存在的，它们决定了围岩的质量；另一类是工程活动中的人为因 素，如地下工程的形状、跨度、轴线与岩层产状的关系等，它们虽不能 决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影 响。前者是围岩分级中应重点考虑的因素，其中主要包括：岩体的结构 类型、结构面的组合形式、岩石的力学性质及初始应力场等。 地下工程所遇到的地质条件，诸如地质构造、岩性、地下水等都是 千差万别的。这给地下工程的设计、施工带来了很大的不可避免的“盲 目性”。但是，地下工程的某一种类型的支护结构或某一种施工方法， 在多数条件下，都有很大的地质适应性。例如，台阶法可以适应大部分 4 中等程度的地质条件；喷混凝土支护在采用一定的措施情况下，几乎可 以适应绝大多数的地质条件等。这就说明针对不同的工程目的( 爆破开挖、 支护、掘进机掘进等) 是可以把与之相应的地质条件进行一定的概括、归 纳并加以分级的，从而，为地下工程设计、施工提供一定的基础条件。 因此，国内外在近几十年内，把地下坑道围岩分级作为地下工程技术基 础研究的重要内容之一，也同时作为岩体力学的重要研究内容之一，从 定性上、定量上进行了大量的探索和实践，获得了一定的成果【6 1 。 根据用途的不同，岩体工程分级有通用的分级和专用的分级两种。 前者是供各个学科领域、各国民经济部门笼统使用的分级，是_ 种较少 针对性的、原则性的、大致的分级；而专用的分级，是针对某一学科领 域，某一具体工程，或某一工程的具体部位岩体的特殊要求，或专为某 种工程目的服务而专门编制的分级。与通用分级相比，专用分级所涉及 的面要窄一些，考虑的影响因素要少一些，但更深入和细致【6 】。 1 2 1 2地下工程围岩分类方法的发展过程 ( 一) 地下工程一般围岩分类方法的发展过程 地下工程围岩稳定性分类方法经历了由单因素向多因素，单指标向 多指标、由定性描述到定量分析的发展过程。根据分类时所考虑的因素 和采用的指标不同，围岩稳定性分类方法大致归纳为以下三种情况【7 ： ( 1 ) 因素单指标围岩稳定性分类- 早期人们曾以岩石单轴抗压强度 作为巷道围岩稳定性分类的唯一依据，如1 9 0 7 年提出的普氏系数( 岩石 坚固性系数) 沿用已久。这种分类方法虽然简单，在工程中易于应用， 但由于巷道围岩稳定性受多种因素影响，因此仅取其中一个有效影响因 素作为物理力学指标进行分类是不完善的。目前，单指标分类多用于分 析复杂问题时对深层次的单一因素的研究中。 ( 2 ) 单一综合指标分类：是指用一定的测试手段对巷道围岩稳定性 状态进行观测，以获取的测试数据为依据，直接进行围岩稳定性分类。 综合指标虽然是单一的，但表现出多因素综合作用的结果。 5 四刖去芏砸掌僮j 室 围岩松动圈的分类方法【8 1 ：围岩松动圈分类是采用松动圈 的值作为综合指标的分类方法。围岩松动圈是指巷道掘进后，支护基本 稳定，用国产声波仪测定围岩声波降低范围的平均值，它是反映围岩应 力和岩体强度相互作用结果的一个综合性指标，通过现场实测获取，如 图1 3 所示。 图1 3围岩内的弹塑性应力分布图 i 、松动破坏区i i 、塑性松动区u i 、天然应力区 该方法的理论依据主要有以下两点： i 、围岩松动圈。是围岩应力p 和围岩强度r 的函数，相似模拟试 验条件下可用 l。一5780por 5 1 5 6 0 ( 1 1 ) = 一一 i l i ， r 表示。围岩松动圈越大，破胀力( 围岩体积变形) 越大，支护越困难。 i i 、围岩松动圈是反映围岩应力和岩体强度相互作用结果的一个 综合性指标，围岩应力包括了工程的埋深、构造应力、动压应力的影响， 以及破岩方法、巷道跨度、形状等影响应力的因素。围岩强度包括了水 的影响，层解理及夹层等影响围岩强度的因素。工业性试验表明，到目 前为止，通过实测获取松动圈厚度并根据该值设计锚喷支护参数的方法 在松动圈厚度小于3 m 的情况下是成功的，而对于大于3 m 的则仍处于研 究中1 9 j 。中国矿业大学建工学院按测定的围岩松动圈的范围，进行围岩 稳定性分类如表1 1 ： 6 表1 1巷道围岩稳定性( 松动圈) 分类表 围岩类别分类名称围岩松动圈c m 小松动圈 i 稳定嗣岩0 4 4 0 i i较稳定围岩4 0 1 0 0 中松动圈 i一般丽岩1 0 0 1 5 0 一般不稳定周岩( 软岩)1 5 0 2 0 0 大松动圈v不稳定围岩( 较软围岩)2 0 0 3 0 0 极不稳定围岩( 极软围岩) 3 0 0 按围岩变形量的分类方法：围岩变形量是巷道开挖后受多种因素 影响的综合结果，是围岩稳定性分类的多因素单一综合定量指标。煤炭 科学研究总院北京建井所据此制定的巷道围岩分类如表1 2 所示： 表1 2按围岩变形量制定的围岩分类表 围岩分类 im v 开挖后围岩变形量m m 2 0 0 ( 3 ) 多因素多指标分类：按使用的数学方法又分为 多指标回归分析：经过大量的观测和计算，建立预测巷道围岩 变形量的回归方程式，依据巷道围岩变形量进行围岩稳定性分类。有代 表性的是德国的巷道围岩稳定性分类。 多指标解析分析：解析分析是建立力学模型，依据平衡条件、本 构方程、变形条件、破坏判据及边界条件求解巷道围岩变形和破坏状况。 目前，在巷道围岩变形和破坏规律的研究中，还很难建立起令人满 意的力学模型，上式中的力学参数及有关系数也有很大的不确定性，完 全通过解析进行围岩分类是比较困难的。 多指标综合分析：即所谓“加法评分法”。首先进行各单项 7 指标的分类，确定评分值，然后将各单项指杯评分值之和作为总评分值 r m r 进行分类。 多指标聚类分析：岩体的类别属于模糊概念，自本世纪6 0 年代模 糊数学理论问世以后，模糊数学的理论、方法引入到聚类分析中，从而 形成具有很强生命力的模糊聚类分析。 多指标灰色关联分析：巷道围岩分类中多数指标是非确定性 的，且具有随机模糊性，因而，用灰色关联分析方法进行研究较为自然 贴切。 神经网络在巷道围岩中的分类方法：网络理论和网络性能比较成 熟的多层次神经网络和误差逆算法模型一一b p 网络已在巷道围岩分类中 得到应用。 可拓学的分类方法：可拓学的研究方法于1 9 8 3 年由我国学者蔡文 提出【1 0 1 。它始于研究不相容问题的转化规律和解决方法，通过引进物元r = ( n ，c ，v ) = ( 物，特征，量值) ，并对其进行变换和运算，从而从定性 和定量两个角度去研究和解决不相容问题的规律和方法。 ( 二) 软岩的围岩分类 软岩是地下洞室围岩中岩石情况更为恶劣的一种，在煤矿巷道围岩 中尤其多见，因此对于软岩性质的认识直接制约着巷道支护技术的发展。 在煤炭系统，经过多年的研究与学术交流，于1 9 8 4 年1 2 月在云南 昆明召开的“煤矿矿压名词”讨论会上形成了统一的软岩定义，即“强 度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大 量易膨胀粘土矿物的松、散，软，弱岩层” 1 1 1 。 软岩的判别目前在国内较常用的指标有粘土矿物的含量( 主要是蒙 脱石的含量) 及自由膨胀率等。如果化验岩石的矿物组成成分时，发现 有蒙脱石类的矿物，其含量超过1 0 1 5 ，自由膨胀率大于4 0 ，通 常就认为属于膨胀性软岩，其他非胶结性软岩就属于碎裂性软岩。对软 岩的浸水软化机理与风化效应，文献 1 】中进行了专门的研究。 目前在煤炭系统影响较大的软岩分类的判别方法有以下几种： 8 四凹去堂殖生僮i 窑 按巷道围岩稳定性系数划分，该指杯明确简便、易于应用，已成 为某些矿区选择巷道支架形式的主要依据。 根据围岩松动圈的大小进行划分的方法。如表1 1 所示，围 岩松动圈厚度在1 5 0 3 0 0 c m 以上的划为软岩，对不同的松动圈厚度还可 以细分为较软围岩和极软围岩等。 朱效嘉教授提出了针对软岩巷道的分类法。他认为围岩稳定性系 数s 可作为软岩的主要判别指标，s o 3 3 o 5 者属软岩范畴。 随着岩石力学的发展，对围岩的分类已不仅仅从围岩应力与岩石强 度之比、岩石结构、软弱结构面性状、有无地下水并考虑风化等方面进 行定性的描述，而是试图利用模糊数学、可拓学或灰色系统、人工神经 网络等方法进行定量分析，更加精确的描述岩石分类情况。在目前的岩 石力学工程界，定性的描述、定量的分析在岩石分类中都有应用，而定 量的分析研究报导还不多，有待于进一步发展。 尽管在国内外已经形成了众多不同的分类法，然而在这些分类法中 间，岩体结构、岩石强度是大多数分类考虑的共同因素，是反映岩石性 质、围岩变形特征、稳定状态的主导因素，是岩体质量评价的基础。其 他因素均属次要因素，用来修正岩体基本质量或说明某种分类方法中需 要注意的问题。通过对国内外有影响的围岩分类比较研究，可以看出分 类因素的共同性沟通了国内外不同围岩分类方法间的关系【”】。如表1 3 所示。 9 四刖盎雯强堂丝i 盒奎 表1 3 国内外围岩分类方法换算表 序分类依据及代 国别分类名称分类档次 号表符号 1【程岩体分级标准岩体质颦指标 ii i1 1 1 i vv ( g b 5 0 2 1 8 - 9 4 )( b q ) 锚杆喷射混凝土支护 岩体质晕系数l i i 1 1 1i vv 2 设计规范( g b j 8 6 8 5 ) 岩体质量评分 ii i 1 1 1i v v 3 中 水利水电工程地质勘 ( a e 之和) 察规范( 送审稿1 9 9 1 )， 4 铁路隧道设计规范预测方程系数 v iv i vi i li i 5 值 煤矿井巷锚喷支护设 计试行规范( 1 9 7 7 )坑道岩体质量 ii ii l ii vv 6 国 防护工程设计规范指标( r 脚或r ，) ( 1 9 9 8 )ii ii i ii vv 7 军用物资洞库锚喷支 护技术规定( 1 9 8 3 )岩体质量指标ii ii i ii v v 8 岩体坚固性系数分类 8 632 ( 1 9 6 0 前后) f k n 1 5 节理岩体地质力学分岩体质量评分9 07 05 02 5 9 澳 类( 比尼奥斯基1 9 7 3 )( r m r ) i i i i i i i il i v l v ll li 隧道质量指标( 巴顿4 01 01 oo 1 l o 挪威 质量指标( q ) 等1 9 7 4 ) 。 i 。i i i il 。vjv 岩体结构评价( 威克 l l 南非 a + b + c ( r s r ) 8565452 姆1 9 7 2 ) i li l 1 1 1i v v 新奥法设计施工指南 丈变形量、稳 1 2日本 定状态、岩石 vi vi i ii ji 围岩分类( 施【阶段) 强度 l o 1 2 2地下工程支护结构理论的发展 地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩土力 学的发展有着密切关系。土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和围岩 压力理论的发展，而岩石力学的进一步发展促进了围岩压力和地下工程 支护结构理论的飞跃。随着新奥法施工技术的出现以及岩土力学、测试 仪器、计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程支护结构理论正在 逐渐成为一门完善的学科。地下工程支护结构理论的一个重要问题是如 何确定作用在地下结构上的荷载以及如何考虑围岩的承载能力，因此， 支护结构理论的发展大概可以分为3 个阶段口l 1 4 1 。 ( 一) 古典的压力理论阶段( 2 0 世纪2 0 年代以前) 该理论认为： 地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地 层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰 拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理 进行计算。 作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量y h ( ，是岩层容 重；日是埋深) ，代表性的有海姆( a h a i m ) 、朗肯( w j m r a n k i n e ) 和金尼克( a h h h h h k ) 理论，不同之处在于，他们对地层水平压力的 侧压系数有不同的理解。海姆认为侧压系数为l ，朗肯根据松散体理论认 为是t 9 2 ( 4 5 一由2 ) ，而金尼克认为根据弹性理论认为是u ( 1 - i i ) ( a 为岩 体的泊松比；妒为岩体的内摩擦角) ，由于当时地下工程埋藏深度不大， 因而曾一度认为这些理论是正确的。 ( 二) 散体压力理论( 2 0 世纪3o 年代) 这类理论认为，当地下工程埋藏深度较大时，作用在支护结构上的压 力，不是上覆岩层重量，而只是围岩坍落拱内的松动岩体重量。可以作为 代表的有普氏和太沙基理论。他们的共同观点认为坍落拱的高度与地下工 程跨度和围岩性质有关。不同之处是，普氏认为坍落拱为矩形，太沙基认 四纠太堂亟生僮j 室 为坍落拱为抛物线形。普氏理论把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系 数描写，显然过于粗糙，在工程实践中也常常出现失败的情况，但由于这 个方法比较简单，直到现在普氏理论仍在应用着。如图1 4 和图1 5 所示。 譬若苛蕾- n 图1 4 普氏压力拱理论计算山岩压力的图 霞 了w1 s 7 、77 、， i i 鼍0 暑 壮z h y l l a土u 且 日 口 蔺： 2 7 、y 7 、y o入入 l l l l i i l l 卜o 童 tt f ttr - - 卜垂，2 吲 图1 5 用太沙基理论计算山岩压力的图 a侧面岩石稳定时的计算 b 侧面岩石不穆时的计算 散体压力理论是基于当时的支护技术发展起来的，由于当时的掘进 和支护所需的时间较长，支护与围岩之间不能及时紧密相贴，致使围岩 最终有一部分破坏、塌落、形成松动围岩压力。但当时并没有认识到这 种塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的情况都会发生塌 1 2 四刖太芏亟堂僮i 空 落，更没有认识到通过稳定围岩，可以发挥围岩的自身承载能力。 ( 三) 连续介质力学的理论( 2 0 世纪中期以来) 这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变 形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承 受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它 的应力调整达到新的平衡；另一方面，由于支护结构能阻止围岩变形， 它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反作用力和围岩的 松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程电对支护结构施 加的压力，即变形压力。 这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学 体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、岩体的特 性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间等一系列因素有关， 其中也包括施工技术的影响。 二十世纪五十年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩 弹性、弹塑性及粘弹性解答逐渐出现。如史密德( h s e h m i d ) 和温德尔 斯( r w i n d e l s ) 按连续介质力学方法计算圆形衬砌的弹性解；徐干成、 郑颖人等利用弹性力学获得了在非均压地层压力作用下围岩与支护共同 作用的线弹性解；塔罗勃( j t a l o b r e ) 和卡斯特奈( h k a s t n e r ) 得出了 圆形洞室的弹塑性解：塞拉塔( s s e r a t a ) 、柯蒂斯和樱井春辅采用岩土 介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘弹性解p 】。我国学者也按弹塑性 和粘弹性本构模型进行了很多研究工作，发展了圆形隧道的解析解理论， 利用衬砌与围岩之间的位移协调条件，得出圆形隧道的弹塑性解和枯弹 性解【l ”。同时，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一 整套新奥地利隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩石力学原理为 基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。 1 3 支护结构的类型 支护结构理论的研究指导着地下工程中地下支护技术的发展，出现 13 了多种支护结构，无论采取哪种形式的支护措施，工程中支护结构须具备 两个最基本的使用要求：一是满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水、 土压力及一些特殊使用要求的外荷载；二是提供一个能满足使用要求的工 作环境，以便保持隧道内部的干燥和清洁。这两个要求是彼此相关的。 按支护的作用机理，目前采用的支护大致可归纳为如下三类：刚性 支护结构、柔性支护结构和复合式支护结构。 ( 一) 刚性支护结构 ，这类支护结构通常具有足够大的刚性和，断面尺寸，通常用来承受强 大的松动地压。刚性支护只有很小的柔性而且几乎都是完全支护，这类 支护通常采用现浇混凝土，有的采用料石砌块或混凝土砌块。从构造上 看，它有离壁式和贴壁式两种。贴壁式结构采用泵送混凝土，可以和围 岩保持紧密接触，但其防水和防潮的效果较差；离壁式结构是没有和围 岩直接接触和保持的承载结构，一般容易出现事故。 ( 二) 柔性支护结构 柔性支护结构是根据现代支护原理提出来的，它既能及时地进行支护， 限制围岩的过大变形而松动，又允许围岩出现一定的变形，同时还能根据 围岩的变化情况及时调整参数。所以，它是适应现代支护原理的支护形式， 主要有锚喷支护、预制的薄型混凝土支护、硬塑性材料支护及可缩性钢支 撑等支护形式，其中，锚喷支护是一种主要的柔性支护类型。 ( 三) 复合式支护结构 复合式支护结构是柔性支护与刚性支护的组合支护结构，最终支护 是刚性支护。复合式支护结构是根据现代支护结构原理中需要先柔后刚 的思想，通常初期支护采用锚喷支护，让围岩释放掉大部分变形和应力， 然后再施加二次衬砌，一般采用现浇混凝土支护或高强钢架，承受余下 的围岩变形和地压，以维持围岩稳定。可见，复合式支护结构中的初期 1 4 支护和最终支护一般都是承载结构。复合式支护结构的种类较多，但 般都是上述基本支护结构的某种组合。 作为复合式支护结构的基本支护形式和柔性支护的主要形式，锚喷 支护已经发展了多年，在第四章中4 1 中作具体叙述。 1 4 课题的主要内容及研究的技术路线 1 4 1课题的工程背景 本课题是由贵州能化公司五轮山煤矿提出并负责实施的。在本课题 中对因工程需要在五轮山中开挖的深埋主井锚喷支护问题进行研究。 五轮山煤矿位于贵州省毕节地区织( 金) 纳