对围岩-支护共同作用原理的讨论

围岩-支护共同作用原理在地下工程支护设计以及安全评价中发挥着重要作用,基于该理论的收敛约束法也是目前国际上通用的支护设计方法。但共同作用原理未考虑地下工程先开挖后支护的特点,而是假定开挖与支护在同一瞬间完成。目前已有学者证明隧道开挖与支护分别符合塑性力学定义的加载和卸载条件,这表明开挖是发生塑性变形的过程,而支护是发生弹性变化的过程。对满足莫尔-库伦屈服准则的圆形隧道进行理论分析,结果表明:由支护产生的围岩位移增量与支护应力成正比,而传统的围岩特性曲线并不符合该规律。使用有限差分数值计算软件FLAC对圆形隧道的开挖与支护进行验证计算,得到支护后围岩位移增量与支护应力的关系符合弹性变形规律。因此,此前广为应用的围岩-支护相互作用原理中的围岩特性曲线在塑性力学理论范畴内并不正确。

深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

收敛-约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法,是目前分析围岩-支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛-约束法的基本原理,总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程,理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线,分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征;随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加,喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大;随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小,锚杆的支护压力显著增加;U型钢支架的排距越小及材料强度越大,其提供的支护压力越大。采用FLAC^(3D)内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型,建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型,计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线,分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性,验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大,采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守,支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求,支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。

考虑超前支护作用效应的围岩-支护相互作用机制研究

隧道支护结构参数的合理性设计是隧道建设安全经济性的重要保证,而围岩-支护相互作用机制是隧道支护结构设计的核心问题。基于开挖面空间效应的等效力学模型,引入超前支护对开挖面空间效应的影响,建立超前支护、隧道支护-围岩耦合作用模型,得到支护结构与围岩动态相互作用的全过程解析。通过计算实例分析,主要得到如下结论:1)从控制隧道围岩变形角度分析,超前支护、隧道支护均可有效控制隧道围岩变形,说明控制隧道围岩变形不仅要重视隧道支护结构的作用,同时也要考虑超前支护结构的作用;2)当隧道围岩变形量控制到一定程度时,可通过同时调节超前支护参数和隧道支护参数来达到预期的变形控制效果。

围岩-支护作用机制评述及其流变变形机制概念模型的建立与分析

岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩-支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩-支护作用机制存在的缺陷和错误,包括:(1)模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2)由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性。(3)将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩-支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误。然后,建立基于流变变形的围岩-支护相互作用机制的概念模型。最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的。提出的流变机制概念模型,既可以对围岩-支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践。

基于开挖面空间效应的围岩-支护相互作用机制

根据开挖卸荷的概念和开挖面空间效应原理,提出围岩弹塑性变形二次释放的概念,建立基于开挖面空间效应和围岩弹塑性变形二次释放的力学模型,研究围岩-支护之间的相互作用。通过引入围岩与支护在其作用面(接触面)上必须满足的2个协调条件即应力协调和位移协调,实现对围岩-支护相互作用达平衡状态时的求解。建立基于开挖面空间效应及围岩-支护相互协调作用的支护结构设计方法。

初支混凝土硬化特性与围岩流变耦合作用机制

喷射混凝土作为初期支护重要组成部分广泛应用于隧道工程。深埋软岩隧道开挖时,喷射混凝土硬化特性及围岩流变效应均于时间有关,使得围岩变形及结构受力错综复杂。基于此,该文建立了考虑喷射混凝土硬化特性与围岩流变效应的耦合解析模型,阐明了流变岩体隧道“支护-围岩”动态演化机制,分析了喷射混凝土设计参数、隧道工程参数及围岩流变特性等对“支护-围岩”动态作用的影响机制,并通过具体实例探讨了不同支护类型的时效支护特性。分析表明:喷射混凝土施作初期刚度较低,在围岩流变特性及开挖空间效应下围岩变形速率大,而喷射混凝土承担荷载较不考虑其硬化特性时要小,对于流变岩体隧道宜采用早强混凝土限制围岩早期变形;围岩流变荷载与喷射混凝土刚度均随时间逐渐增大,不考虑围岩流变效应会低估喷射混凝土对围岩变形控制效果及所承担荷载水平;型钢钢架+喷混支护体系刚度较大有利于限制围岩变形,格栅钢架+喷混支护刚度较小更利于围岩应力释放;隧道支护时机的选择应综合考虑围岩流变效应、支护类型、喷混硬化特性、隧道掘进速率的影响,进一步给出了不同支护类型的支护时机-掘进速度的极限关系曲线。研究成果可为类似隧道工程支护设计、施工提供理论依据。

热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构耦合力学特性及相互作用机制

在高海拔寒区,围岩与支护结构的相互作用过程是影响水工隧洞结构稳定的重要因素。为了研究热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构相互作用的时空演化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于现场监测资料,采用有限元仿真模拟,计算温度效应下围岩-衬砌相互作用的弹塑性解析解,分析热力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的时空分布特征。结果表明:洞内低温对耦合结构的温度场和应力场影响较大,应实施防寒保温措施,保证在极端天气下,结构沿径向2.7 m内温度不低于0℃;通风前期,温度应力对耦合结构的应力变化起主导作用,21 d后还要考虑衬砌支反力、围岩被动支反力以及围岩外边界约束的共同耦合作用;对流前48 d结构内侧受拉,结构洞腰内侧出现最大拉应力155 kPa, 48 d后结构压应力激增,并且48~60 d内耦合应力增长速率最快。随着温度的降低,-1.95℃为洞顶和洞底的拉应力激增点,洞腰前期拉应力急剧增大,于-3.5℃开始缓慢减小。本次研究揭示了热-力作用下围岩支护结构相互作用的动态全过程,可为寒区隧洞安全施工提供依据。

弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析

围岩-支护作用机制是正确认识支护结构对围岩进行有效支护作用的基础理论问题。根据开挖面的空间效应及Hoek拟合方程计算了某工程实例的巷道顶板径向位移沿巷道纵向剖面方向分布的曲线,建立了围岩-支护耦合作用的力学模型,进而建立了描述巷道顶板径向位移与力学模型中的虚拟支护力的关系的数学模型。通过对数学、力学模型的解析与分析,研究了围岩-支护在其相互作用的全过程中的相互作用路径。在此基础上,对弹塑性变形阶段围岩-支护的相互作用原理给出了最新的认识。应用该研究成果,对某工程实例进行了支护作用效果的计算与分析研究。本文的研究成果实现了对围岩-支护耦合作用的全过程解耦,可以对围岩-支护的相互作用进行实时地预测或再现。

弹塑性条件下围岩-支护相互作用变形分析

为了充分了解巷道围岩与支护结构之间的相互作用关系,在基于弹塑性分析的前提下,将收敛-约束法应用于巷道围岩-支护相互作用分析中,并结合FLAC3D数值模拟软件,分别分析不同巷道支护前位移和不同支护结构刚度对巷道变形的影响。

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明:考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。

煤矿回采巷道支护—围岩相互作用全过程分析

依据现场调查及相似材料模拟实验，提出了涵盖煤矿回采巷道围岩的各种变形状态的关于支护－围岩相互作用全过程的波动性平衡理论，弥补了原有理论关于围岩强度破坏之后的缺陷，为煤矿回采巷道围岩控制理论的进一步研究提供了新思路。

关于围岩—支护相互作用机理的讨论与新认识

分析现有围岩-支护作用机理存在的不足，认为造成岩石地下工程结构现场支护不理想甚至失效的根本原因是对围岩-支护作用机理的认识在有些方面还不清楚，甚至可能是错误的。分析认为：（1）在卡斯特纳方程求解过程中，支护反力的力学处理存在缺陷，不能真实地反映岩石地下工程支护反力的物理意义；（2）由卡斯特纳方程给出的围岩特性曲线的变形是弹塑性变形，这个变形在洞室开挖后的瞬间即完成。事实上，围岩-支护相互作用是在围岩的流变变形阶段发生的，即弹塑性变形的围岩特性曲线和支护特性曲线分别属于不同的时段，两时段没有重合点，亦即这两条曲线不可能相交。要解决这一问题，必须综合应用现代非线性理论与科学、非线性流变力学理论、并考虑围岩及支护参数的时变性。

基于静力推覆试验的山岭隧道衬砌-地层相互作用机制研究

随着我国交通强国建设向西部丘陵重山地区推进,地震作用下山岭隧道衬砌与地层的相互作用机制愈发受到关注。以常规二车道公路隧道(V级围岩段)为原型,开展山岭隧道静力推覆模型试验,重点分析地层位移、地层应变、围岩压力随推覆距离的变化规律,探讨了衬砌-地层相互作用机制。试验结果表明:衬砌-地层相互作用可分为挤密、倾覆、裹挟3个阶段。倾覆阶段地层以起拱线为支点环向绕流,裹挟阶段地层带动衬砌发生整体位移。起拱附近线地层以径向挤压为主,形成挤压变形区,拱肩附近地层则以环向挤压为主,形成滑移变形区。左右两侧围岩压力的响应规律恰好相反,即右侧挤压区的围岩压力较左侧大,而右侧滑移区的围岩压力较左侧小。研究成果可为基于反应位移法的山岭隧道抗震计算提供试验依据与技术支撑。

深埋软岩隧洞围岩-支护体系安全控制研究

深埋软岩隧洞变形程度大、持续时间长、支护困难,如何制定有效的设计对策以控制软岩变形是深埋软岩隧洞设计和施工面临的重要技术难题之一。软岩隧洞变形控制研究主要涉及3个关键科学问题:软岩隧洞围岩-支护体系承载机制、围岩-支护体系的安全控制指标与控制标准、软岩隧洞的合理支护时机与支护强度。多年来,国内外学者通过理论分析、现场试验、数值模拟等不同途径对软岩变形控制问题进行了系统的研究,取得了丰富的研究成果。分析了有关软岩变形控制3个关键问题的研究进展,探讨了围岩荷载的作用形式以及围岩-支护的荷载分担比例,建立了围岩-支护体系的安全控制指标与标准。在此基础上,对深埋软岩隧洞的合理支护时机和支护强度进行了探讨。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。

基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制

选取软塑黄土层分布于隧道拱顶、洞身和隧底3组典型断面开展实测研究,分析了软塑层影响下的围岩变形特征、支护结构力学特征及其差异性,提出了基于实测数据确定支护特性曲线的方法,揭示了软塑黄土层影响下的围岩与支护动态作用机制,给出了相应的防控理念及措施。分析结果表明:隧道围岩变形由大到小依次为软塑黄土层分布于拱顶段、洞身段和隧底段;软塑黄土层分布于拱顶段支护结构拱肩和边墙脚、洞身段拱腰及其以下位置、隧底段拱部和仰拱承受较大围岩压力作用;支护结构承受主要荷载来压方向不同、围岩应力随开挖步序释放率不同及地下水渗流路径不同是3组断面支护结构应力存在差异的直接原因;软塑黄土层分布于拱顶和洞身段时,围岩超前应力释放率约为35%,上台阶开挖支护结构力学性能迅速恶化,软塑黄土层分布于隧底段时,下台阶开挖软塑黄土层对支护结构将产生显著影响;针对上述3类工况,提出的强支护、控侧压和防突沉的防控理念及超前帷幕注浆、大锁脚和基底袖阀管注浆等施工控制措施可有效避免施工灾害的发生。

围岩弹塑性变形条件下锚杆、喷混凝土和U型钢的支护效果研究

已给出弹塑性变形条件下围岩一支护相互作用的全过程解析求解，在此基础上深入研究3种常用支护结构的支护作用效果，是非常必要的。考虑开挖面空间效应，根据弹塑性变形条件下围岩一支护相互作用的全过程解析求解，针对6、5、4m直径的工程算例，分别对素喷混凝土、锚杆和u型钢等3种支护结构的支护作用效果进行了理论计算与分析，主要包括：3种支护结构极限承载能力理论计算、基于开挖面空间效应的3种支护结构控制围岩弹塑性变形的理论计算与效果分析、剩余支护承载力对普氏围岩压力支护效果的计算与分析；研究了u型钢支架的荷载～径向变形本构关系、提出了剩余支护承载力的概念、分析了支护结构支护围岩各类形变压力的支护机制。研究结果表明：（1）3种支护结构能提供的支护承载力P1（〈1MPa）相对于原岩应力P。（〉10MPa）来说量级太低，控制5～6m及更大直径的巷道围岩弹塑性变形是无效的，但控制4m直径的巷道围岩弹塑性变形是有效的；（2）对于直径达5～6m甚至更大的巷道围岩，若支护结构的剩余支护承载力P2能有效地被保存，则支护结构还可以起到有效地支护普氏围岩压力的作用。

高应力-节理化复合软岩巷道地质特征及支护技术

为解决鹤壁矿区深部煤矿开采过程中软岩巷道围岩大变形、难支护的问题,通过工程地质条件调查、室内试验等手段,分析鹤壁矿区软岩巷道的工程地质特点,得到软岩围岩的变形破坏力学机制。结合关键部位耦合支护理论和数值模拟技术,对软岩巷道采用锚网喷和锚索为主的支护方式,并现场监测评估支护效果。研究表明:鹤壁矿区巷道围岩属于高应力-节理化复合型软岩;变形破坏的ⅠABⅡBDⅢD型复合变形力学机制由节理、分子吸水膨胀、胶体膨胀、自重应力以及工程开挖等共同构成;采用的支护方式可使支护体应力分布平均,应力集中区范围和岩体变形均较小;经现场监测表明:在该支护条件下开挖15天后巷道围岩变形趋于稳定,30天后变形速率为0,累计变形量不超过40mm,保证软岩巷道工程的稳定性。

层状复合岩层巷道围岩耦合变形机制及控制研究

以某煤矿+1070南回风巷为工程背景,采用数值模拟、理论分析、工业试验等方法,分析了巷道围岩的结构特点和力学性质,基于弹塑性理论和巷道围岩的承载特征,提出了巷道围岩变形的"复合双梁"耦合作用模型。研究表明,层状复合围岩巷道的变形是一个耦合作用过程,巷道顶板的离层破坏会影响巷道两帮载荷的分布,进而影响巷道底板的载荷分布;随着顶板离层加剧,巷帮的压力逐渐增大,底板变形的不协调性增强,进而使巷道底鼓加剧;反之,巷道两帮和底板的破坏又会加剧顶板的离层失稳。最后,基于巷道围岩的"复合双梁"耦合作用机制和数值模拟研究结果,提出了相应的锚喷网联合支护形式,经现场监测表明该方法对巷道围岩变形的控制作用效果明显。

典型膨胀岩隧洞围岩变形机制分析

某隧洞顶部围岩为凝灰岩,属于典型膨胀岩地层,具有吸水膨胀、失水收缩、膨胀压力大、易风化崩解、强度较低等不良特性。该地区汛期降雨影响洞内地下水环境改变,导致围岩严重变形。分析认为,凝灰岩中亲水性矿物遇水产生的水-岩耦合作用是岩石膨胀与崩解的机理,围岩蠕变收敛与膨胀变形相互叠加产生放大耦合作用,加剧了围岩的变形破坏。根据变形机理,提出了相应的支护措施与建议,对类似膨胀岩隧洞施工具有很好的借鉴参考意义。