張 力 王 華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

圍巖穩(wěn)定控制一直是巷道開挖的重點(diǎn)。在復(fù)雜高應(yīng)力、特殊構(gòu)造應(yīng)力的影響下，深部高應(yīng)力巷道圍巖具有十分復(fù)雜的力學(xué)特性。

層狀巖體是一種典型的復(fù)雜巖體，受內(nèi)部層理、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的影響，其表現(xiàn)出非連續(xù)性、非均質(zhì)性、非線性等特征，層狀巖體的破壞機(jī)理及失穩(wěn)模式也明顯不同于均質(zhì)巖體。現(xiàn)有的深部巷道物理試驗(yàn)，大都將圍巖簡(jiǎn)化為完整的均質(zhì)巖體，而缺乏對(duì)深部層狀圍巖巷道的相關(guān)研究。因此，研究深部巷道層狀圍巖的變形破壞特征和應(yīng)力演化規(guī)律對(duì)實(shí)際工程具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及相似材料

物理試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室WYQ1000—Ⅰ型地下工程綜合試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由試驗(yàn)臺(tái)架、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、開挖系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)五部分組成。

根據(jù)GB/T 50218—2014工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，層狀巖體分為巨厚層狀結(jié)構(gòu)、厚層狀結(jié)構(gòu)、中厚層狀結(jié)構(gòu)、互層結(jié)構(gòu)、薄層結(jié)構(gòu)5種結(jié)構(gòu)，基于此，試驗(yàn)以水平產(chǎn)狀的中厚層狀砂巖圍巖巷道為基礎(chǔ)展開物理試驗(yàn)?？紤]砂巖是由骨料及膠結(jié)材料構(gòu)成，因此采用河砂為骨料及水泥和石膏為膠結(jié)材料配制的相似材料模擬巷道圍巖。

2 物理模型試驗(yàn)

試驗(yàn)研究880 m埋深的層狀圍巖巷道。試驗(yàn)機(jī)加壓板尺寸為：長(zhǎng)×寬=0.9 m×0.25 m，通過計(jì)算得出對(duì)模型施加的水平力Fx=0.9×0.25×0.52×106/103≈120.00 kN，垂直力Fz=1.2,Fx=144 kN(深部側(cè)壓力系數(shù)取1.2)，圍巖初始應(yīng)力采用階梯加載的方式，共分10次加載完成，其中垂直應(yīng)力每次加載12 kN，水平應(yīng)力每次加載14.4 kN，為保證模型受力均勻，每次加載至設(shè)計(jì)應(yīng)力后穩(wěn)定15 min，直至加載至圍巖垂直應(yīng)力設(shè)計(jì)值0.52 MPa，水平應(yīng)力設(shè)計(jì)值0.63 MPa，相當(dāng)于880 m埋深的圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別達(dá)到21.9 MPa及26.3 MPa。加載過程如圖2所示。

當(dāng)加載至圍巖初始應(yīng)力后，穩(wěn)定試驗(yàn)系統(tǒng)油壓，保持圍巖應(yīng)力不變，穩(wěn)壓約1.5 h～2 h，隨后對(duì)巷道進(jìn)行開挖，開挖分兩次進(jìn)行。為了對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行更好的監(jiān)測(cè)，采用數(shù)字照相系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過程中圍巖的變形破壞過程，圍巖的應(yīng)力數(shù)據(jù)則采用應(yīng)變磚進(jìn)行采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 變形破壞特征分析

不同支護(hù)方式下層狀圍巖巷道的最終破壞效果及數(shù)字照相量測(cè)系統(tǒng)分析的結(jié)果如圖3所示。

由圖3a)可知，無支護(hù)層狀圍巖巷道開挖后，頂板左右兩側(cè)形成的裂隙不斷地貫通、擴(kuò)展，導(dǎo)致頂板圍巖逐層剝落，最終形成了“倒V型”尖角狀破碎帶，引發(fā)頂板的大面積失穩(wěn)垮落。在此過程中，圍巖的破壞是循序漸進(jìn)的，并具有損傷破碎后再破碎的特點(diǎn)，圍巖的變形主要以剪切滑移破壞為主。

由圖3b)可知，錨桿起到了加固淺部層狀圍巖的作用，錨桿通過錨固力把淺部破碎帶內(nèi)的小塊圍巖巖體組合成大塊巖體，并與頂板層狀巖體形成了組合梁結(jié)構(gòu)共同受力，從而提升了圍巖的承載力，其破壞的形式為頂板的“梁結(jié)構(gòu)”受力彎曲，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)離層及帶動(dòng)圍巖垮落，從而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)變形。

由圖3c)可知，錨索的作用是把錨桿與淺部層狀圍巖形成的組合梁結(jié)構(gòu)懸吊于深部更加穩(wěn)定的圍巖中，錨索提供的軸向力在一定程度上遏制了頂板層狀巖體間的離層，有效增大巖層之間的摩擦力，并提供一定的抗剪能力，相較于單一錨桿支護(hù)有效地控制了頂板圍巖的垮落和水平方向的錯(cuò)動(dòng)。

由圖3a)～圖3c)的數(shù)字分析結(jié)果可知，無支護(hù)層狀圍巖破壞嚴(yán)重，巷道頂板、肩部、幫部、底板均有較大變形，圍巖的最大位移數(shù)值達(dá)到38.18 mm；采用錨桿支護(hù)后圍巖的變形得到了一定的控制，圍巖變形主要發(fā)生于巷道頂、底板，圍巖的最大位移數(shù)值為28.26 mm，相較無支護(hù)方式減小了25.98%；錨桿、錨索支護(hù)對(duì)于圍巖變形的控制效果明顯，圍巖的最大位移數(shù)值為24.12 mm，相較單一錨桿支護(hù)減少了14.65%。

3.2 應(yīng)力演化特征分析

采用應(yīng)變磚對(duì)試驗(yàn)過程中的圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(不同位置應(yīng)變磚均距開挖自由面3 cm)，分析圍巖不同位置的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力的演化特征及規(guī)律。

為便于對(duì)比分析，將不同支護(hù)方案的應(yīng)力進(jìn)行歸一化處理，定義零時(shí)刻(第一次開挖時(shí)刻)的圍巖應(yīng)力為單位1的應(yīng)力，開挖后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力都除以零時(shí)刻應(yīng)力數(shù)值，得到歸一化處理后的圍巖徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分別如圖4，圖5所示。

由圖4和圖5a)，圖5c)可知，巷道開挖引起了圍巖的應(yīng)力重分布，在此過程中，圍巖強(qiáng)度會(huì)不斷衰減，巷道開挖后圍巖的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的演化規(guī)律大致相同，在巷道第一次開挖后不同方案圍巖的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均出現(xiàn)了大幅下降，隨后徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力逐漸穩(wěn)定；第二次開挖對(duì)圍巖徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的影響不大，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力曲線只產(chǎn)生了少許波動(dòng)，說明圍巖應(yīng)力重分布基本完成，最終徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力曲線隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5b)可知，不同支護(hù)方案肩部圍巖的切向應(yīng)力在巷道第一次開挖后出現(xiàn)下降，隨后又有一定的上升，第二次開挖則導(dǎo)致了切向應(yīng)力大幅衰減。第一次開挖時(shí)肩部應(yīng)變磚埋設(shè)位置處圍巖依舊處于彈性區(qū)，圍巖切向應(yīng)力在彈性區(qū)內(nèi)出現(xiàn)上升，在第二次開挖后則處于塑性區(qū)。第一次開挖后頂板及幫部圍巖在切向應(yīng)力快速跌落，而肩部圍巖切向應(yīng)力則是先減小后增大，說明肩部圍巖抵抗變形的能力更強(qiáng)。

不同支護(hù)方案在相同測(cè)點(diǎn)處圍巖的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的變化規(guī)律為：錨桿、錨索支護(hù)>錨桿支護(hù)>無支護(hù)，說明在3種支護(hù)方案中，采用錨桿、錨索支護(hù)方式的圍巖應(yīng)力衰減最少，圍巖的承載性最好。

4 結(jié)語

通過物理模型試驗(yàn)對(duì)三種不同支護(hù)形式下深部層狀圍巖巷道的變形破壞特征及應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行了研究，主要得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1)在無支護(hù)作用的情況下，深部巷道層狀圍巖的破壞模式具有循序漸進(jìn)的特點(diǎn)，巷道開挖后，頂板最先產(chǎn)生變形并不斷產(chǎn)生貫通裂隙，圍巖逐層剝落，最終引發(fā)巷道的整體破壞。

2)在深部層狀圍巖巷道中，錨桿主要起到加固淺部圍巖的作用，在錨桿的支護(hù)作用下，頂板層狀圍巖與錨桿形成了組合梁結(jié)構(gòu)共同受力，提升了圍巖的承載性；錨索的作用則是將組合梁懸掛于深處的穩(wěn)定圍巖中，起到了加強(qiáng)鞏固組合梁結(jié)構(gòu)的作用。

3)巷道開挖后頂板、幫部圍巖強(qiáng)度快速衰減，相較而言，肩部圍巖抵抗變形的能力更強(qiáng)。