圓形巷道圍巖變形分區(qū)的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、長期以來，軟巖巷道（隧道）圍巖變形分區(qū)的研究在國內(nèi)外始終是一個(gè)較熱的論題。自上世紀(jì)30年代至今的90余年里，圍繞這一論題數(shù)百位專家學(xué)者進(jìn)行了多方位、多角度的鉆研，公開發(fā)表了數(shù)百篇學(xué)術(shù)論文，產(chǎn)生了很多研究成果。其中代表性的成果主要有芬涅爾計(jì)算公式、松動(dòng)圈理論、三階段應(yīng)變軟化模型、四階段應(yīng)變軟化模型等，這些成果對巷道（隧道）支護(hù)理論與技術(shù)的發(fā)展均產(chǎn)生了重要影響。
　　不可否認(rèn)，該論題的研究目前仍然處于一個(gè)發(fā)展階段，其中某些問題依然明顯

2、地存在著需要商榷的地方，具體可以概括為5個(gè)方面:
　　(1)作為分區(qū)研究基礎(chǔ)的“三階段應(yīng)變軟化模型”和“四階段應(yīng)變軟化模型”均沒有考慮到巖石的蠕變特性，而是以快速加載情況下獲得的巖石的峰值抗壓強(qiáng)度作為模型的峰值應(yīng)力，忽視了圍巖的實(shí)際受力狀態(tài)與快速加載情況之間的差異性，忽略了巖石在長期持續(xù)載荷作用下存在穩(wěn)定蠕變上下閾值這一重要客觀事實(shí)。
　　(2)在進(jìn)行分區(qū)邊界位置的確定時(shí)，對塑性軟化區(qū)域的巖石內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化情況認(rèn)識(shí)不

3、清，形成了多種不客觀的研究假設(shè);
　　(3)沒能很好地理解“塑性流動(dòng)區(qū)應(yīng)力計(jì)算公式與地應(yīng)力無關(guān)”這一重要研究成果的深層含義，錯(cuò)誤地將該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律與地應(yīng)力無關(guān)理解為“塑性流動(dòng)區(qū)內(nèi)應(yīng)力與地應(yīng)力無關(guān)”。
　　(4)忽視了圍巖穩(wěn)定蠕變終止軌跡線的存在。
　　(5)確定變形分區(qū)邊界位置的解析公式中依然存在著需要主觀規(guī)定的元素。
　　針對上述存在的問題，文章以基于蠕變特性的圍巖變形分區(qū)邊界位置的確定和應(yīng)力分布規(guī)律的獲

4、得為目標(biāo)，對圍巖塑性軟化階段內(nèi)摩擦角和粘聚力變化規(guī)律、基于蠕變特性的圍巖應(yīng)變軟化模型和各分區(qū)應(yīng)力和位移分布規(guī)律進(jìn)行了較為深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究，最后又以淮南礦區(qū)千米深井（潘一東煤礦）-848m充電整流硐室為研究對象較為詳細(xì)地介紹了本文理論的實(shí)踐應(yīng)用。
　　獲得了7個(gè)重要研究成果:
　　(1)論證了圍巖塑性軟化階段內(nèi)摩擦角變化很小、粘聚力下降很大的觀點(diǎn)，對“粘聚力與內(nèi)摩擦角的變化趨勢與巖石強(qiáng)度的變化趨勢應(yīng)保持一致”的觀點(diǎn)給予了糾

5、正。
　　(2)基于圍巖應(yīng)變軟化模型中應(yīng)力-應(yīng)變之間的線性關(guān)系，推論獲得塑性軟化階段環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力之間存在線性關(guān)系這一重要性質(zhì)，同時(shí)論證了該階段粘聚力軟化模量為一常量的性質(zhì)。
　　(3)揭示了圍巖中穩(wěn)定蠕變上下閡值的存在，創(chuàng)建了符合圍巖實(shí)際受力情況及巖石力學(xué)性質(zhì)的“圍巖4階段應(yīng)變軟化新模型”。
　　(4)給出了各種類型變形分區(qū)產(chǎn)生的條件，推導(dǎo)出了各分區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律的解析式和位移分布規(guī)律的解析式。
　　(5)結(jié)

6、合不同圍壓下峰值抗壓強(qiáng)度擬合直線、穩(wěn)定蠕變上下閾值擬合直線和殘余強(qiáng)度擬合直線，建立了圍巖分區(qū)類型分析與邊界應(yīng)力確定示意圖。利用這一示意圖可以十分簡單地通過圖解法和解析法獲得圍巖變形分區(qū)的類型和分區(qū)界面應(yīng)力的數(shù)值。
　　(6)系統(tǒng)而全面地給出了各分區(qū)邊界應(yīng)力和邊界位置的求解公式及相應(yīng)的推導(dǎo)過程，為巷道（隧道）支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)提供了很好的理論依據(jù)。針對各種分區(qū)類型和支護(hù)強(qiáng)度，明確了巷道內(nèi)邊緣環(huán)向應(yīng)力在圍巖4階段應(yīng)變軟化模型中的對應(yīng)位

7、置，使得圍巖變形機(jī)理的研究步入了真正意義上的量化研究范疇。
　　(7)給出了套筒致裂單孔三維地應(yīng)力測試的原理與方法。通過具體實(shí)例，詳細(xì)地給出了圍巖分區(qū)類型、分區(qū)邊界應(yīng)力和邊界位置的確定方法，通過求解結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果的對比，論證了本文理論和方法的科學(xué)性和可靠性。
　　文章的研究方法體現(xiàn)了兩個(gè)基本特征。首先是理論、試驗(yàn)和實(shí)踐相結(jié)合的特征。整篇文章以理論分析為主線，試驗(yàn)研究貫穿其中，現(xiàn)場應(yīng)用輔以說明。第二個(gè)特征是理