Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．５１２ ＤｅｅｅｌＴｌｂｅｒ．２０１ １ 现代矿业 Ｍ０ＤＥＲＮ ＭＩＮＩＮＧ 总第５１２期 ２０１１年１２月第１２期 地下工程围岩破坏机理及控制技术研究 鲍先凯 薛 刚’ 李 义 （１．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院；２．太原理工大学矿业工程学院） 摘要针对地下３－．程在开挖和运营中经常出现的围岩破坏失稳情况，通过分析不同岩性围 岩的破坏方式，揭示了地下工程围岩的破坏机理，据此提出了对围岩变形和破坏的控制原则和手 段，能为地Ｔ＿：ｒ－程的建设提供一定的理论依据和科学指导意见。 关键词地下工程破坏机理施工方法监测 地下工程开挖后，如果围岩应力过大或支护不 当，会使得开挖体边界附近的岩石发生破坏，可能导 致地下工程结构失去稳定，其形式可表现为开挖体 逐渐闭合、围岩开裂、片帮、顶板离层和冒落；坚硬的 脆性岩石受到高地应力作用发生岩爆等¨ 。随着 我国地下工程数量的增加和规模不断扩大，特别是 近几年地下工程埋藏深度不断增加，围岩的失稳和 破坏问题日益严重，制约着地下工程的设计、施工和 正常的使用，所以非常有必要研究地下工程围岩的 ＝图１裂隙边应力 破坏机理，保证地下工程的正常施工和安全运营。 一０岩石发生破坏；当Ｏｒ ＋３０＂３＜０时，满足ｏｒ ＝ 大量的工程实践表明围岩变形破坏的形式与特点， ８ｏ－ ，岩石发生破坏。式中，ｏｒ 为单向抗压强度， 。除与岩体内的初始应力状态和洞形等因素有关外， 主要取决于围岩的岩性和结构。从以上２个方面展 开研究，揭示地下工程围岩的破坏机理，在此基础上 达到控制围岩稳定的目的，为地下工程的建设提供 一ＭＰａ，ｒ，＝ ； 为单向抗拉强度，ＭＰａ， ＝ Ｉ＋ｓｍＯ ；Ｃ为岩石内聚力，ＭＰａ； 为岩石内摩擦角， （。）。 定的理论依据和科学指导。 当洞室周边的主应力分布和大小不符合上式， 岩石则不会发生破坏，围岩处于稳定状态。 １．１．２剪切破坏 １围岩破坏机理 １．１岩石破坏 根据岩性的不同围岩的破坏方式有：坚硬岩体 多为脆性破坏；一般岩体多为剪切破坏。 １．１．１脆性破坏 根据Ｍｏｈｒ．Ｃｏｕｌｏｍｂ准则［２－３］，岩体的破坏是一 种压剪破坏，地下洞室开挖后，｝同室周边某点的切向 应力、径向应力分布见图２，而且符合下式： 根据Ｇｒｉｆｉｔｈ的脆性断裂理论，岩体的破坏是脆 性岩体（如砂岩等）内部存在着许多杂乱无章的微 小裂隙。地下洞室开挖后，围岩由三维应力状态变 为二维应力状态，在压缩应力ｏｒ 、ｏｒ 作用下，裂隙 尖端产生很大的拉应力集中（ｏｒ 、 ），见图１，导致 裂纹扩展、贯通，从而使岩体产生宏观破坏。 根据椭圆孔应力状态的弹性解析解： 图２洞室周边切向应力、径向应力分布 ｏ－ｏ：当Ｏｒ】＋３ｏ＂３＞０时，满足（ｏｒ１一Ｏ－３） ＋８ 。（ １＋ ３） ｝ ｒ十 ， ㈩ ， １０１ 内蒙古科技大学创新基金项目（编号：２０１０ＮＣ０４９）。 鲍先凯（１９７６～），男，讲师，硕士，０１４０１０内蒙古包头市。 式中， 为切向应力，ＭＰａ；ｒｏ 为径向应力，ＭＰａ；其 他符号意义同前。 总第５１２期 现代矿业 ２０１１年ｌ２月第１２期 当岩石承受的应力超过岩石的抗压强度时，则 岩石破坏。 如果地下洞室在水平等压条件下，最大主平面 就是径向平面。剪切破坏面发展趋势见图３，破裂 面的方向随０变化，所以破裂面是一个曲面，当角度 由 增大到 ，则破断半径相应从洞室半径０增到 ｒ；当角度再增量 ，相应半径增加ｄｒ。可得方程： （ａ）单斜面剪切破坏面发展路径 （ｂ）共轭剪切破坏面发展路径 图３ 围岩剪切破坏面发展示意 ｄｒ一＝ｃｏｔ（Ｓ －＋ ） ． （２） 对式（４）两边进行积分： …ｔ ＂ｉＴ＋ ） ． （３） 得： ｒ＝口ｅ（。一ｐ） 。 子 ）． ｆ４） 式中， 、口为极角，（。）；ｒ、口为极径，ｍ。 式（６）就是剪切破坏面迹线方程。如图３所 示，这是两组成对交叉的螺旋线，围岩被这种破裂面 切割成碎块，且靠近地下洞室周边的块度最小，所以 最容易冒落。 １．２岩体结构面破坏 地下工程围岩是由岩石单元体（或称岩块）和 结构面组成，具有一定的结构并赋存于一定的地应 力状态和地下水等地质环境中的复合地质体。岩体 的力学性质不仅受岩石强度控制，而且还受岩体中 结构面所控制，其中结构面的强度、密度、连续性及 其组合关系对岩体的力学性质以及稳定性具有重要 的影响。它们是岩体破坏的又一潜在因素，由于结 构面的强度远小于岩石抗拉强度，在地应力等外界 因素的影响下，在岩石本身没有发生破裂之前，这些 结构面，如节理、层理、片理、裂隙等弱面可能已经发 展破裂，虽然破裂长度很短，没有贯通，但当很多服 从统计规律的裂纹发生扩展而形成一种新的岩体环 境，并具有区域性特征时，岩体性质将发生明显改 变，形成围岩破坏损伤区，从而影响地下围岩的稳定 性 。这主要有以下几方面的原因。 】０２ （１）在工程荷载（一般小于１０ ＭＰａ）范围内，工 程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破 坏的。这时，结构面的强度性质是评价岩体稳定性 的关键。 （２）在工程荷载作用下，结构面及其充填物的 变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变 形特性。 （３）在工程荷载作用下，岩体中的应力分布也 受结构面及其力学性质的影响。 ２围岩稳定性控制 ２．１进行恰当的岩体质量评价和分类 对岩体进行恰当的质量评价和分类就是对影响 岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因 素建立一些定量或定性的评价指标，通过这些评价 指标对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的级别 或类别。通过分类，可以反映出地下工程围岩质量 的好坏和稳定性上的差别，还可以预测可能出现的 其他岩体力学问题。为岩体工程建设的勘察、设计、 施工和编制定额提供必要的基本依据，是工程岩体 稳定性分析的基础。 目前国内外已提出的岩体分类方案有数十种之 多，其中以考虑各种地下洞室围岩稳定性的居多，有 定性的也有定量的或半定量的；有单一因素分类，也 有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原 则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、 岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同 程度地被考虑到。如通过测量岩石单轴抗压强度， 把岩石分为硬质岩石和软质岩石；考虑岩块饱和单 轴抗压强度、岩体的完整性系数、天然应力、地下水 和结构面方位的ＢＱ法；考虑岩块强度、ＲＱＤ值、节 理间距、节理条件及地下水的ＲＭＲ分类法；还有巴 顿岩体质量分类法（Ｑ指标分类法），ＲＱＤ法等。实 践证明准确地进行地下工程围岩的分级是正确地进 行地下工程设计与施工的基础。一个较好的、符合 地下工程实际情况的围岩分级，对控制围岩的变形 和破坏有很好的指导作用。 ２．２选择正确的施工方法和先进的施工理念 以往人们都认为在地层中开挖地下洞室必然要 引起围岩坍塌掉落，开挖的断面越大，坍塌的范围也 越大。因此，传统的地下结构设计方法将围岩看成 是必然要松弛塌落的而成为作用于支护结构上的荷 载，支护结构以其自身的强度和刚度抵抗围岩的变 形和破坏。施工方法主要以“矿山法”为主，因此支 护结构截面厚度常常很大，材料浪费严重，而且有时 鲍先凯 薛 刚等：地下工程围岩破坏机理及控制技术研究 这种支护结构并不能够完全控制住围岩的破坏。随 着近几十年地下工程理论和实践的发展，人们逐渐 ２０１１年ｌ２月第１２期 类比及理论计算方法更为可靠。目前，地下工程稳 定性的监测手段和方法主要有地压力监测；围岩表 认识到围岩本身是围岩应力的主要承载体，支护结 构只是用来约束和围岩的变形，支护结构与围 岩可以视为一体，共同作用来承担围岩应力。施工 方法主要以“新奥法”为主，其基本原则是： 面、内部位移测量；围岩声发射监测；围岩应力光弹 测量法；测力锚杆法；特征锚杆工作荷载法 等。 这些监测方法的应用能够随时掌握地下工程围岩应 力与变形的活动规律，对围岩及支护结构的稳定性 做出实时判断和安全评估，对控制围岩的变形和破 坏起到至关重要的作用。 （１）在施工中必须充分保护岩体，要尽量减少 对围岩的扰动次数、范围、强度和时间。开挖尽量采 用机械破岩或控制爆破。 ３ 结语 （２）开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩变 形进入受控状态。为了充分发挥岩体的自承能力， 应允许并控制岩体的变形。一方面使围岩变形适度 发展，充分发挥围岩的承载能力；另一方面不致使围 岩因变形过大而坍塌失稳。 （３）开挖后为避免围岩长时间暴露而使强度降 低，应及时对围岩施作封闭支护，这样不仅可以及时 地下工程开挖以后，如何保证围岩的稳定，是所 有从事地下工程设计、施工和理论研究人员永远探 索的主题。围岩的破坏不仅与围岩应力状态有关， 而且与岩石的性能和结构构造有关，利用正确岩体 质量评价，选择合理的施工方法和加强现场监测等 手段来控制围岩稳定，对地下工程的设计与施工有 着重要的理论意义和实用价值。 参考文献 抑止围岩变形，而且还可以使支护和围岩形成一体， 充分发挥围岩一支护体共同作用。 通过选择先进的施工方法和施工理念，针对不 同类型的围岩采取综合协制手段，从施工方案 ［１］ 于学馥，郑颖人，刘怀恒，等．地下工程围岩稳定分析［Ｍ］．北 京：煤炭工业出版社，１９８３． ［２］Ｈｏｅｋ．Ｅ ａｎｄ Ｂｒｏｗｎ．Ｅ．Ｔ．Ｅｍｐｉｉｒｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｒｏｃｋ ｍａｓｓｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ， ＡＳＣＥ，１９８０，１０６（９）：１０１３—１０３５． ［３］ 焦俊虎，张永波．岩石力学本构模型的研究现状及其进展［Ｊ］． 太原理Ｘ－大学学报，２００２（６）：６５３４５５６． 设计、施工参数确定、施工工艺措施等多环节、多角 度展开综合研究，确保地下工程围岩在施工和运营 期间的稳定。 ２．３强调现场监测和检测 对地下工程稳定性进行监测与预报，是保证工 程设计、施工科学合理和安全生产的重要措施。通 ［４］许传华，任青文，李瑞．地下工程围岩稳定性分析方法研究 进展［Ｊ］．金属矿山，２００３（２）：３４．３７． ［５］ 蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程［Ｍ］．北京：科学出 版社．２００２． 过对围岩的监测和检测，能及时了解岩体的力学行 为和支护体的受力状态，然后把测量的结果反馈到 设计、施工中，从而最终确定施工方法、开挖顺序和 支护参数，达到控制围岩稳定的目的 Ｊ。由于这种 方法以现场实测为依据，可以获得控制围岩稳定性 的许多直观信息，有助于进行科学判断，从而最大限 度地实现安全性和经济性的统一，更能适应复杂多 变的地质条件和各种不同的施工条件，因而比工程 ［６］ 陈庆发，张世雄，王官宝，等．倾斜薄层岩体巷道围岩松动圈测 试研究［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，２００５（２）：６１４５５． ［７］ 李义，高国付，赵阳升．基于特征锚杆工作载荷无损检测的 巷道围岩稳定性评估初步研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２００４，２３（ｓ２）：４８９３－４８９７． （收稿日期２０１１．１０－２８） （上接第１００页）还会减少钻头异常磨损。 （３）变频调速很容易实现电动机的正反转，只需 要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出 节约挖装设备运行成本１２０万元。 ５ 结语 ＫＱ．２００型潜孔钻回转系统优化改进保证了潜 换相，从而避免电机正转过程中，忽然换相对减速机 孔钻机正常安全运行，不仅改善了设备性能，提高了 的冲击，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。 作业率，而且有效地简化操作方式，减少了设备故障 及设备检修事故，提高了爆破方量及挖装效率，降低 了挖装成本及矿车待机成本，优化了挖装和矿运的 配置，加快了采剥进程。 （收稿日期２０１１．１０—２８） １０３ ４主要技术经济指标 与改进前对比：每天可多打孑Ｌ ５—６个；平均每 孑Ｌ节约作业时间ｌ０—１５ ｍｉｎ；每年维修时间节约 ３００ ｈ；每年可多准备爆堆１５１万～１８１万ｔ；２０１１年
