圓形巷道圍巖變形分區(qū)的理論與試驗研究.pdf

1、長期以來，軟巖巷道（隧道）圍巖變形分區(qū)的研究在國內外始終是一個較熱的論題。自上世紀30年代至今的90余年里，圍繞這一論題數(shù)百位專家學者進行了多方位、多角度的鉆研，公開發(fā)表了數(shù)百篇學術論文，產生了很多研究成果。其中代表性的成果主要有芬涅爾計算公式、松動圈理論、三階段應變軟化模型、四階段應變軟化模型等，這些成果對巷道（隧道）支護理論與技術的發(fā)展均產生了重要影響。
　　不可否認，該論題的研究目前仍然處于一個發(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個方面:
　　(1)作為分區(qū)研究基礎的“三階段應變軟化模型”和“四階段應變軟化模型”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度作為模型的峰值應力，忽視了圍巖的實際受力狀態(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。
　　(2)在進行分區(qū)邊界位置的確定時，對塑性軟化區(qū)域的巖石內摩擦角和粘聚力的變化情況認識不

3、清，形成了多種不客觀的研究假設;
　　(3)沒能很好地理解“塑性流動區(qū)應力計算公式與地應力無關”這一重要研究成果的深層含義，錯誤地將該區(qū)域內應力分布規(guī)律與地應力無關理解為“塑性流動區(qū)內應力與地應力無關”。
　　(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力分布規(guī)律的獲

4、得為目標，對圍巖塑性軟化階段內摩擦角和粘聚力變化規(guī)律、基于蠕變特性的圍巖應變軟化模型和各分區(qū)應力和位移分布規(guī)律進行了較為深入的理論與實驗研究，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地介紹了本文理論的實踐應用。
　　獲得了7個重要研究成果:
　　(1)論證了圍巖塑性軟化階段內摩擦角變化很小、粘聚力下降很大的觀點，對“粘聚力與內摩擦角的變化趨勢與巖石強度的變化趨勢應保持一致”的觀點給予了糾

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

6、合不同圍壓下峰值抗壓強度擬合直線、穩(wěn)定蠕變上下閾值擬合直線和殘余強度擬合直線，建立了圍巖分區(qū)類型分析與邊界應力確定示意圖。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)界面應力的數(shù)值。
　　(6)系統(tǒng)而全面地給出了各分區(qū)邊界應力和邊界位置的求解公式及相應的推導過程，為巷道（隧道）支護參數(shù)的量化設計提供了很好的理論依據(jù)。針對各種分區(qū)類型和支護強度，明確了巷道內邊緣環(huán)向應力在圍巖4階段應變軟化模型中的對應位

7、置，使得圍巖變形機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力測試的原理與方法。通過具體實例，詳細地給出了圍巖分區(qū)類型、分區(qū)邊界應力和邊界位置的確定方法，通過求解結果與現(xiàn)場實測結果及數(shù)值模擬結果的對比，論證了本文理論和方法的科學性和可靠性。
　　文章的研究方法體現(xiàn)了兩個基本特征。首先是理論、試驗和實踐相結合的特征。整篇文章以理論分析為主線，試驗研究貫穿其中，現(xiàn)場應用輔以說明。第二個特征是理