巷道围岩松动圈理论.docx

围岩松动圈的理论一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。当在其左侧开挖一空间后，水图1隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力应变曲线塑性段并不明显即没有明显的塑性区。从外向隧道内，对应于岩石的全应力应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。图2隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决支护问题的关键所在。在现场，可用声波仪或多点位移计等仪器测试。二、隧道围岩的应力分布图3巷道围岩应力分布1、破裂稳定区（R0rRw）该区内，岩石破裂碎胀后，其强度将下降到残余强度。采用摩尔库仑(MohrCoulomb)强度条件，并注意到：实验证明岩石破裂后，主要是岩石内聚力降低，内摩擦角变化并不大。破裂稳定区内应力主要与破裂稳定区内的岩石性质和支护的性质有关，而与原岩应力无关。2、破裂剧烈区（RwrRb）该区内岩石开始破裂，强度随应变的增大由岩石极限强度降低至岩石的残余强度。破裂剧烈区的应力，也与原岩应力无关，只与破裂稳定区半径、破裂稳定区岩石性质、破裂剧烈区岩石性质和隧道尺寸有关。3、弹性区（Rbr）弹性区内的应力与破裂剧烈区和破裂稳定区的性质有关系。由于破裂剧烈区和破裂稳定两个区的存在，弹性最大主应力减小，弹性最小主应力提高，使摩尔圆直径减小，有利于弹性区围岩的稳定状态的保持。三、围岩松动圈的性质1、围岩松动圈的客观性及普遍性围岩松动圈是隧道开挖后，隧道周边客观存在着的物理状态，其对应于岩石全应力应变曲线峰后阶段的岩石状态。只有当围岩强度大于围岩的应力时，巷道周边不产生松动圈，此时称松动圈值为零，巷道实际不存在支护问题，图4所示是在普济隧道（砂、泥岩互层）用形变一电阻率法和声图4隧道周边围岩自承体系波测量测得的。自承体系由内向外包括：内层支护、松弛带、压密区，有时在松弛带外还有一过渡带。松弛带中岩体沿隧道切向和径向因发生张性变形，因而比原岩状态松弛；它常分为两部分，接近压密区的部分变形较松动。压密区中岩体沿隧道切向发生压性变形，沿隧道径向有时也受压、岩体整体呈被压缩状态。过渡带中岩体或基本不变形，或在整个变形过程中或成为松弛带的一部分，或成为压密区的一部分。2、围岩应力、岩石强度与松动圈值的关系同一围岩的隧道中，岩石应力愈大，松动圈也愈大。同一应力条件下，岩石强度愈低，松动圈也愈大。3、围岩松动圈的形状待性围岩松动圈具有一定的形状。根据实验室试验，当围岩各向同性时，如果垂直应力与水平应力相等，则为圆形松动圈，否则为椭圆形，且椭圆的长轴与主应力P方向垂直（图5），如果围岩非同性，在岩石强度低的层位将产生较大的松动圈图6。1垂直应力与水平应力相等；2垂直应力大于水平应力图5围岩松动圈形状1软岩松动圈；2硬岩松动圈图6非均质围岩松动圈4、围岩松动圈形成的时间性出于围岩应力调整及其重新分布，以及岩石具有长时强度的特性，围岩松动圈的发展形成有一时间过程，但对于时间的定量待研究。现场实测，松动圈的形成时间，小松动圈需要37天，大松动圈需要13个月。巷道收敛量测表明，松动圈发展的时间与巷道收敛变形在时间上是一致的。前者是因，后者是果。5、围岩松动圈与支护的关系围岩松动圈对支护的影响大，而支护对松动圈的尺寸影响不大。现场观测表明。当松动圈Lp0时，如果围岩比较完整，可以裸体不支护；当LP040cm时，只喷混凝土就能有效地维护；如果Lp130150cm，一般常用的料石碹(刚性)支护就不适应了；当Lp150cm时，则刚性支护已难以维护了。上述现象说明，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，另一方面，在同一隧道中不同的支护形式下，松动圈的量测值没有明显区别，即支护对松动圈尺寸影响不大。6、一点说明围岩松动圈与弹塑性理论所指的围岩破碎带，统指隧道开挖后围岩应力重新分布后应力超过围岩极限强度的区域。围岩松动圈支护理论由于看重它在形成过程中的碎胀力，它在围岩分类中的应用，它与锚杆作用机理的关系和相应的支护技术，因此称之为围岩松动圈支护理论。它虽然在模型试验、现场测试和理论分析中给出了松动圈值的关系式，但是目前在工程中应用，由于岩石性质，地应力等多因素影响，不主张在多项假设的条件下，用计算的方法确定围岩松动圈的值。四、隧道围岩松动圈与支护对象1、普氏冒落拱理论普氏冒落拱理论是俄国学者普罗托吉雅可诺夫于1907年提出的。普氏认为，在松散介质中开挖巷道后，其上方会形成一个抛物线形自然平衡拱，该平衡拱曲线上方的地层处于自平衡状态，其下方是潜在的破裂范围。该理论将平衡拱内的围岩作为支护对象，支护荷载只是冒落拱内的岩石重量，如图7所示。图7普氏理论荷载计算冒落拱高度b：上述公式表明，隧道地压大小与埋藏深度无关，主要与岩石坚固性系数f有关。f值大时，冒落拱高度低，支护荷载小，f值小时，冒落拱高度大，支护荷裁大。该理论基本前提是假定巷道围岩为内聚力很低的松散体，隧道开挖后隧道上方能够形成稳定的压力拱。这种假设大大简化了地压计算，使用比较方便，在我国有着比较大的影响，目前仍有一些地下工程参照普氏理论设计支护参数。普氏理论计算方法建立在松散均质介质体的基础之上，并不适于岩石。对于一些裂隙、层理比较发育的岩体，虽然勉强符合松散介质理论的基本假设，但在测定岩体的f、值时将会遇到较大约困难。因为岩体强度与岩块强度通常相差38倍，而岩体的强度值（f值）的获取较为困难，若简单地以岩块的f、值作为破裂岩体的f值使用，将造成较大的误差。当岩体较完整、强度较高对其计算结果误差较大。对于较深部工程而言，随着原岩应力水平的升高，开巷后围岩将产生显著的变形压力，其数值将远大于冒落拱内的岩石重量。普氏理论只考虑到松动地压，未能考虑变形压力，而后者往往是主要的，这是普氏理论不能在较深部岩石工程中应用的根本原因。泰沙基等松散介质理论的立论基础与普氏理论基本相同，也未考虑围岩的变形因素，因此，松散介质地压理论只适用于变形压力小的浅部(能够形成自然平衡拱的深度)松散地层。2、弹塑性支护理论的基本现点开巷后如果围岩应力小于岩体的屈服强度，围岩将处于弹性状态；若围岩应力超过岩体屈服强度，围岩进入到塑性状态，巷道周边将出现一个塑性区(非弹性变形区)，其外仍然是弹性区。弹塑性支护理论将“支护围岩”作为一个共同体系，通过对围岩的弹塑性分析，得到围岩应力、变形、支护阻力和塑性区半径的弹塑性解答。（1）弹塑性支护理论的基本假设与解答弹塑性支护理论遵循连续介质力学分析方法的基本条件，其基本假设有以下5个方面：围岩应力变形是连续的，围岩变形满足“变形协调方程”。如果该条件不满足意味着位移解多值，即在同一点上有多个位移值，围岩中出现开裂重叠等不连续情况；巷道为深埋圆形平巷，长度被认为是无限长的平面应变问题；假定围岩是均质和各向同性的、原岩应力各向等压；围岩为理想弹塑性体，体积应变v0，塑性条件为莫尔库仑准则；开巷后支护及时并且与围岩紧密接触，支架和围岩变形是协调的。轴对称问题的弹塑性基本解答为:（2）弹塑性支护理论的基本观点隧道支护对象弹塑性支护理论通过对“支护围岩”共同作用系统的弹塑性分析，描述了支护阻力与塑性区半径的关系。上述公式表明，塑性区半径的大小与支护阻力、原岩应力、围岩的强度特征以及隧道半径密切相关。支护阻力Pi越大，塑性区半径Rp越小；支护阻力Pi越小，塑性区半径及围岩的弹塑性位移则越大；支护力为零，塑性区半径最大。对于支护设计而言，在相同原岩应力条件下，允许围岩塑性变形量越大，所需支护阻力越小，因此，在大变形条件下采用可塑(缩)性支护，可以充分发挥围岩的承载能力，减小支护受力。弹塑性支护理论认为，支护所要承受的荷载是围岩应力重分布及塑性区形成过程中所产生的弹塑性变形压力，如果围岩的位移量超过其弹塑性极限位移量，围岩将破坏并产生散体压力。围岩的弹塑性变形压力和塑性区散体岩石自重压力是围岩变形过程中的两个阶段，只要围岩变形能够自由发展，一般都会出现这两个阶段。因此，弹塑性支护理论认为，隧道支护对象是围岩的弹塑性变形压力与隧道上方塑性区半径范围内的围岩重量的集合。支护围岩共同作用原理图22是经典的“支护围岩”共同作用原理图，它表示了支护荷载与不同阶段围岩变形之间的相关关系。图中纵坐标为支护受力Pi，横坐标是围岩位移u，其中umax是围岩即将破坏时的弹塑性极限变形量。支护刚度过大；合适；太迟图8支护压力与时间关系图根据这一原理，支护刚度大或者架设太早将承受较大的变形压力（C1），支护太迟围岩将松动破坏，产生较大的松动压力（C3）；当围岩即将由弹塑性状态进入到松动状态（Q点）之前使支架特性曲线（C2）与围岩“压力位移”曲线相交，支护所承受的变形压力最小。由此可见，支护受力的大小与支护本身的力学特性和支护时机有关。支护围岩共同作用原理的核心思想，是有控制的允许塑性区适度扩展，充分发挥围岩自身的承载能力，以减小维持塑性区极限平衡状态所需要的支护抗力。支护的作用在于通过提供适当的支护阻力，将围岩控制在弹塑性变形状态，阻止围岩出现松动破坏。对弹塑性支护理论的评析弹塑性支护理论通过对“支护围岩”共同作用系统的分析，从而揭示出支护与围岩的共同作用原理。在支护围岩共同作用体系中，支护不再是被动的承载结构，其力学性能反过来影响支护受力的大小；围岩也不仅仅是支护荷载的来源，亦是平衡原岩应力的承载结构，并且是主要的承载结构；塑性区的适度扩展，能充分发挥围岩的承载能力，因而减小支护受力。这一观念的建立，为隧道支护设计提供了重要的理论依据，对大变形软岩隧道支护设计具有重要指导意义。现代岩石力学弹塑性支护理论，考虑支护围岩共同作用原理，将锚杆的作用视为对围岩力学性质的改善，即增加了围岩的c、值，提高围岩的承载能力，并根据这一原理提出了锚喷支护设计的“理论分析计算法“和“计算机数值计算法”，朝着从理论上解决支护设计问题的目标迈出了试探性的一步。弹塑性支护理论将围岩假设成为均质的连续体，体积应变v0，这一前提在岩石破坏之前基本成立；但当围岩中产生了明显的松动圈之后，大量岩石破坏缝的产生与扩张，破坏了岩石介质的连续性，产生了显著的碎胀变形，v0，破裂围岩的物理力学状态不再符合弹塑性理论的基本假设。因此，在产生了明显松动圈的地下工程中，(粘)弹塑性力学等处理小变形问题的连续介质力学的分析方法，不能用于岩石强度峰值后区的破裂岩体，否则其计算结果将产生以下几方面较大的误差：松动圈内围岩处于岩石残余强度条件下的应力平衡状态，而不是岩石的屈服强度条件下的应力平衡；松动圈内产生了大量的破裂缝，体积应变v0，这与弹塑性理论位移连续性的基本假设不符；用小变形的弹塑性力学方法分析计算松动圈内围岩的弹塑性变形及变形压力，与客观实际相差较大。松动圈越大，这种误差就越大；岩石在低围压状态下是一种脆性材料，它在达到破坏峰值状态前所产生的极限变形量很小，巷道收敛几个毫米就足以使围岩进入到破坏状态；支护与围岩及时密贴的假设与事实不符。考虑到具体施工工艺，支护要在开巷一段时间之后才能架设完成。另外，支护与围岩之间都存在一定的“自然间隙”；塑性极限平衡区内的围岩处于自稳状态，松动圈只是塑性区内的一部分，因此，以塑性区半径确定围岩的松动压力，不利于经济合理地确定锚杆支护参数。弹塑性支护理论将围岩的弹塑性及扩容变形作为支护荷载的来源。鉴于现行巷道支护不可能及时，不可能密贴，发生在围岩破坏之前的极限变形量不足以使围岩与支护密贴，因此巷道围岩破坏之前所产生的极限变形用力不可能是支护所要承受的主要变形压力。也就是说，围岩破坏之前的弹塑性及损伤扩容变形不是支护变形压力的主要来源。只有当碎胀变形使支架与围岩密贴之后，因应力峰值向深部转移所产生的附加弹塑性及扩容变形才能逐渐作用于支架之上。综上所述、由于岩体力学性质，特别是峰后区的力学性质难以把握，弹塑性支护理论计算过程尚不能考虑到松动圈和围岩碎胀变形的客观存在，因此，其计算结果目前只能作为定性参考。五、隧道围岩松动圈分级经过大量的现场松动圈测试及松动圈与巷道支护难易程度相关关系的调研，结合锚喷支护机理，依据围岩松动圈的大小将围岩分为小松动圈稳定围岩Lp040cm，中松动圈一般稳定围岩LP40150cm和大松动圈不稳定围岩LP150cm三个大级，如表所示。巷道支护围岩松动圈分级表围岩级别分级名称松动圈Lp（cm）支护机理及方法备注小松动圈稳定围岩040喷射混凝土支护围岩整体性好，不易风化的可不支护中松动圈较稳定围岩40100锚杆悬吊理论，喷层局部支护一般围岩100150锚杆悬吊理论，喷层局部支护刚性支护，局部破坏大松动圈一般不稳定围岩（软岩）150200锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护刚性支护，大面积破坏不稳定围岩（较软围岩）200300锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护围岩变形有稳定期极不稳定围岩（极软围岩）300待定围岩变形在一般支护条件下无稳定期五、围岩松动圈喷锚支护机理及应用1、组合拱作用机理在单根锚杆作用下每根锚杆因受拉应力而对围岩产生挤压，在锚杆两端周围形成一个两端圆锥形的受压区，合理的锚杆群可使单根锚杆形成的压缩区彼此联系起来，形成一个厚度为b的均匀压缩带。对于拱形巷道，压缩带将在围岩破裂处形成拱形；对于矩形巷道，压缩带将在围岩破裂处形成矩形结构，见图9，统称之为组合拱作用机理。（a）组合拱示意图；（b）组合拱参数计算示意图1锚