曲懋軒 QU Mao-xuan；侯克鵬 HOU Ke-peng

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering of KUST，Kunming 650093，China）

0 引言

隨著地下采礦深度的增加，大型水電站、隧道、地鐵、地下儲(chǔ)庫(kù)等的地下工程數(shù)量日益增長(zhǎng)，所遇到的地下空間支護(hù)問(wèn)題也越來(lái)越多。原有的經(jīng)驗(yàn)理論公式已不能滿足節(jié)約采掘成本的要求。自1964年太沙基研究了松動(dòng)圈并提出了冒落拱理論以來(lái)，很多國(guó)家的專家、學(xué)者都對(duì)松動(dòng)圈理論進(jìn)行了探索，如：日本的池田和彥、印度的AIK.Dube等人，使得松動(dòng)圈理論得到初步發(fā)展。20世紀(jì)70年代至80年代中期，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭、宋宏偉等專家，在前人的理論基礎(chǔ)上，從研究掘進(jìn)巷道后圍巖的客觀物理狀態(tài)入手，通過(guò)對(duì)松動(dòng)圈力學(xué)等性質(zhì)的研究，比較系統(tǒng)的提出了圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論。目前，松動(dòng)圈支護(hù)理論在多個(gè)礦區(qū)各類圍巖中進(jìn)行了工程試驗(yàn)。實(shí)踐證明，圍巖松動(dòng)圈理論抓住了支護(hù)的主要因素，所確定的支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)更符合現(xiàn)場(chǎng)要求，節(jié)約了支護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著[1]。

1 巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論

巷道圍巖松動(dòng)圈是指在巷道開(kāi)挖后，巷道周圍圍巖應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力需要重新分布，巷道周邊應(yīng)力由原有的三向應(yīng)力狀態(tài)變成二向應(yīng)力狀態(tài)，徑向力轉(zhuǎn)變?yōu)?，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，若集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)，巷道周邊巖石首先發(fā)生破壞，然后向巖體深部擴(kuò)展，直至一定深度后取得三向應(yīng)力平衡為止，此時(shí)圍巖已經(jīng)過(guò)度到破碎狀態(tài)，這種松弛的破碎帶被稱為松動(dòng)圈，所以圍巖松動(dòng)圈是地下工程中客觀存在的實(shí)際物理學(xué)狀態(tài)，松動(dòng)圈用其厚度進(jìn)行度量，一般表示為L(zhǎng)p[2-5]。

2 松動(dòng)圈厚度的主要測(cè)試方法與理論計(jì)算公式

圍巖松動(dòng)圈的厚度的測(cè)試技術(shù)很多，并且在不斷發(fā)展。目前常用的測(cè)試方法主要有超聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、地質(zhì)雷達(dá)法、電阻率法和滲透法等。測(cè)試原理與主要測(cè)試方法等簡(jiǎn)單介紹見(jiàn)表1，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2.1 松動(dòng)圈主要測(cè)試方法

表1 松動(dòng)圈實(shí)測(cè)主要方法

2.2 松動(dòng)圈厚度現(xiàn)有數(shù)值模型與計(jì)算方法

2.2.1 松動(dòng)圈數(shù)學(xué)模型 通過(guò)董方庭[1]的巷道圍巖支護(hù)研究可知，圍巖松動(dòng)圈厚度Lp與圍巖壓力P0和單軸抗壓強(qiáng)度Rc存在一定的關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型為

式中：b1，b2均為系數(shù)。

結(jié)合肖明和劉志明[7]三維初始地應(yīng)力場(chǎng)反演而得的圍巖初始應(yīng)力值，采用開(kāi)挖較理想的溪洛渡右岸松動(dòng)圈聲波測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)圍巖聲波測(cè)試松動(dòng)圈與各物理參數(shù)如圍巖應(yīng)力P0，單軸抗壓強(qiáng)度Rc,,及幾何參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行參數(shù)相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Lp與e(P0/Rc)相關(guān)值達(dá)到0.90以上，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正得

式中L為洞室的跨度（m），h為洞室的高度（m）。

2.2.2 圍巖松動(dòng)圈的理論計(jì)算 文獻(xiàn)[8]中提出深井圍巖分別處于彈塑性狀態(tài)、應(yīng)變軟化狀態(tài)和殘余強(qiáng)度狀態(tài)特點(diǎn)，對(duì)于靜水應(yīng)力狀態(tài)下的無(wú)限長(zhǎng)圓形巷道，假設(shè)其圍巖近似滿足彈塑性理論的基本假設(shè)，并且忽略圍巖的自重，松動(dòng)圈的半徑可以用下式計(jì)算

式中r0為巷道掘進(jìn)半徑（m）；P0為靜水應(yīng)力場(chǎng)中的原位應(yīng)力（MPa）；Pi為單位面積上的支護(hù)阻力（通常取為0MPa）；δc為巖體的極限單向抗壓強(qiáng)度（MPa）為巖體的殘余單向抗壓強(qiáng)度（MPa）；ξ為與巖石有關(guān)碎脹性有關(guān)的參數(shù)，根據(jù)塑性增量理論，其中 φ'=（0.7～0.9）φ，φ 為巖石的內(nèi)摩擦角；K1=Kp-1；K2=Kp+1；K3=Kp+ξ，Kp=；n為巖石的應(yīng)變軟化系數(shù)，其中E是巖石的彈性模量，M0=tan墜是應(yīng)變阻尼模量。

因此，松動(dòng)圈（破裂區(qū)）的厚度Lp=Rp-r0

2.2.3 的松動(dòng)圈數(shù)學(xué)模型是以溪洛渡右岸地下廠房聲波信息為基準(zhǔn)的，實(shí)際上綜合了一些施工影響，并不是理想開(kāi)挖，并且認(rèn)定支護(hù)對(duì)圍巖松動(dòng)圈作用不大，在大型地下硐室開(kāi)挖方面有一定理論根據(jù)但缺乏驗(yàn)證，2.22是根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的圍巖松動(dòng)圈理論計(jì)算。雖然目前很多學(xué)者提出了計(jì)算方法，但計(jì)算方法的運(yùn)用存在局限性，得到松動(dòng)圈厚度值最好的方式就是通過(guò)儀器測(cè)試，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)松動(dòng)圈是無(wú)法預(yù)知未開(kāi)挖巷道松動(dòng)圈厚度值，而且實(shí)測(cè)法費(fèi)用昂貴，尤其是在裂隙發(fā)育，圍巖比較松軟時(shí)更不好測(cè)得松動(dòng)圈厚度值。許國(guó)安，靖洪文提出智能預(yù)測(cè)方法，開(kāi)發(fā)出集松動(dòng)圈預(yù)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)建和應(yīng)用一體的智能預(yù)測(cè)軟件[9]。江權(quán)、馮夏庭等根據(jù)松動(dòng)圈位移增量信息提出反分析巖體力學(xué)參數(shù)[10]，為科學(xué)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工都提供了良好依據(jù)。

3 松動(dòng)圈厚度的影響因素及規(guī)律分析

3.1 地應(yīng)力的影響 理論分析表明：巷道在未收采掘影響的情況下，埋深是影響巷道圍巖穩(wěn)定的主要因素。從圖1可知：隨礦井深度H的增加，松動(dòng)圈的厚度Lp開(kāi)始表現(xiàn)為非線性增大，且增速較快，往后逐漸變緩，呈近似線性增大；埋深對(duì)圍巖松動(dòng)圈厚度Lp的影響程度與巖體強(qiáng)度關(guān)系密切，強(qiáng)度越大，影響就越小，反之則影響大。

3.2 巖石強(qiáng)度的影響 影響松動(dòng)圈厚度Lp的另外一個(gè)主要因素是巖體的強(qiáng)度。巖體強(qiáng)度對(duì)圍巖的穩(wěn)定影響比較大，這里所涉及的巖體的強(qiáng)度主要包括極限強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度。殘余強(qiáng)度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響見(jiàn)圖2。當(dāng)巖體的殘余強(qiáng)度不到其極限強(qiáng)度的5%-10%時(shí)，隨著圍巖殘余強(qiáng)度的降低，將導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈厚度Lp的急劇增大。但當(dāng)巖體的殘余強(qiáng)度達(dá)到它極限強(qiáng)度的20%以上時(shí)，圍巖松動(dòng)圈厚度Lp減小不顯著。

圖1 松動(dòng)圈厚度與巷道埋深的關(guān)系圖

圖2 殘余強(qiáng)度對(duì)松動(dòng)圈厚度影響

3.3 應(yīng)變軟化程度的影響 巖石的應(yīng)變軟化系數(shù)n是表示巖石碎裂后強(qiáng)度隨應(yīng)變?cè)龃鬁p小幅度大小的參數(shù)，當(dāng)其他條件一樣時(shí)，軟化系數(shù)越大，說(shuō)明巖體的軟化程度越大，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響也比較大，則表明松動(dòng)圈的厚度Lp也越大，見(jiàn)圖3。

3.4 支護(hù)強(qiáng)度、剛度的影響 由圖4可知，隨著支護(hù)強(qiáng)度、剛度增大，松動(dòng)圈的厚度減小，特別是這種影響在支護(hù)阻力較小，并且?guī)r體殘余強(qiáng)度也較小時(shí)尤為明顯。

雖然文獻(xiàn)[10]中指出巷道的埋深，巖體強(qiáng)度，軟化程度以及支護(hù)阻力對(duì)松動(dòng)圈厚度有一定的影響，但在實(shí)際工程中巷道斷面的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)松動(dòng)圈厚度也有很大影響。研究表明松動(dòng)圈隨開(kāi)挖斷面面積的增大而增大，隨開(kāi)挖高度的增加而增大。文獻(xiàn)[11]中提出影響巷道圍巖變形的主要原因是巖體破裂后產(chǎn)生的體積變形，因而巷道周圍巖石的碎脹系數(shù)也影響松動(dòng)圈的厚度，并且文獻(xiàn)[12]中通過(guò)采用聲波測(cè)試法對(duì)某水電站進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)圈具有時(shí)間效應(yīng)，隨時(shí)間推移松動(dòng)的范圍增大?？梢?jiàn)，松動(dòng)圈的厚度可作為對(duì)圍巖強(qiáng)度、支護(hù)方式的一個(gè)客觀指標(biāo)，但具體工程中影響松動(dòng)圈厚度的因素卻有很多，要具體問(wèn)題具體分析。

4 結(jié)語(yǔ)

松動(dòng)圈巷道支護(hù)理論的應(yīng)用使支護(hù)設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)需求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，但在應(yīng)用上需要更多的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。隨著松動(dòng)圈理論的不斷發(fā)展，松動(dòng)圈的預(yù)測(cè)方法層出不窮，預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度還需提高，相信松動(dòng)圈巷道支護(hù)理論會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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