張 力 王 華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計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。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，層狀巖體的破壞機理及失穩(wěn)模式也明顯不同于均質(zhì)巖體?，F(xiàn)有的深部巷道物理試驗，大都將圍巖簡化為完整的均質(zhì)巖體，而缺乏對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)律對實際工程具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 試驗系統(tǒng)及相似材料

物理試驗采用中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室WYQ1000—Ⅰ型地下工程綜合試驗?zāi)M系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由試驗臺架、計算機控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、開挖系統(tǒng)和測量系統(tǒng)五部分組成。

根據(jù)GB/T 50218—2014工程巖體分級標(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?？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

試驗研究880 m埋深的層狀圍巖巷道。試驗機加壓板尺寸為：長×寬=0.9 m×0.25 m，通過計算得出對模型施加的水平力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)計應(yīng)力后穩(wěn)定15 min，直至加載至圍巖垂直應(yīng)力設(shè)計值0.52 MPa，水平應(yīng)力設(shè)計值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，隨后對巷道進行開挖，開挖分兩次進行。為了對試驗過程進行更好的監(jiān)測，采用數(shù)字照相系統(tǒng)記錄試驗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)變磚進行采集。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 變形破壞特征分析

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

由圖3a)可知，無支護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的，并具有損傷破碎后再破碎的特點，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有效地控制了頂板圍巖的垮落和水平方向的錯動。

由圖3a)～圖3c)的數(shù)字分析結(jié)果可知，無支護層狀圍巖破壞嚴(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)值達到38.18 mm；采用錨桿支護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，相較無支護方式減小了25.98%；錨桿、錨索支護對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，相較單一錨桿支護減少了14.65%。

3.2 應(yīng)力演化特征分析

采用應(yīng)變磚對試驗過程中的圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)進行采集(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。

為便于對比分析，將不同支護方案的應(yīng)力進行歸一化處理，定義零時刻(第一次開挖時刻)的圍巖應(yīng)力為單位1的應(yīng)力，開挖后各測點應(yīng)力都除以零時刻應(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，圍巖強度會不斷衰減，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，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)力曲線隨時間逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5b)可知，不同支護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。

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

4 結(jié)語

通過物理模型試驗對三種不同支護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)律進行了研究，主要得出以下幾個結(jié)論：

1)在無支護作用的情況下，深部巷道層狀圍巖的破壞模式具有循序漸進的特點，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、幫部圍巖強度快速衰減，相較而言，肩部圍巖抵抗變形的能力更強。