高應力極軟巖工程錨注支護機理及技術(shù)研究與應用參與情況

3.1　軟巖巷道支護原理

軟巖巷道支護和硬巖巷道支護原理截然不同，這是由它們的本構(gòu)關(guān)系不同所決定的。硬巖巷道支護不允許硬巖進入塑性，因進入塑性狀態(tài)的硬巖將喪失承載能力。而軟巖巷道另一個獨特之處是，其巨大的塑性能(如膨脹變形能等)必須以某種形式釋放出來[13]。假設巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運動各種力(包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應力和工程偏應力等)的合力T(圖2)，則軟巖巷道支護原理可以表示為：

T=D+R+S　(9)

式中：T為挖掉巷道巖體后使圍巖向臨空區(qū)運動的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應力和工程偏應力等；D 為以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力，可以包括①彈塑性轉(zhuǎn)化(與時間無關(guān))；②粘彈塑性轉(zhuǎn)化(與時間有關(guān))；③膨脹力的轉(zhuǎn)化(與時間有關(guān))。對于軟巖來講，主要是塑性能以變形的方式釋放；R 為圍巖自撐力，即圍巖本身具有一定強度，可承擔部分或全部荷載；S 為工程支護力。

圖2　PT合力示意圖

Fig.2　Scheme of resultant force PT

式(9)和圖2表示如下意義：

(1)巷道開挖后引起的圍巖向臨空區(qū)運動的合力T并不是純粹由工程支護力S全部承擔，而是由三部分共同分擔。T首先由軟巖的彈塑性能以變形的方式釋放一部分，亦即T的一部分轉(zhuǎn)化為巖體形變。其次，T的另一部分由巖體本身自承力承擔。如果巖體強度很高，R>T－D，則巷道可以自穩(wěn)。對于軟巖，R較小，一般R<T－D，故巷道要穩(wěn)定，必須進行工程支護，即加上S。為求工程穩(wěn)定，通常(S+R)值要大于(T-D)值。

(2)一個優(yōu)化的巷道設計和支護設計應該同時滿足三個條件：

①PD→max；

②PR→max；

③PS→min。

實際上，要使PD→max，PR就不能達到最大；要使PR→max，PD就不能達到最大。要同時滿足PD→max，PR→max，關(guān)鍵是選取變形能釋放的時間和支護時間。

3.2　最佳支護時間和最佳支護時段

巖石力學理論和工程實際表明，巷道開挖以后，巷道圍巖的變形會逐漸加大。以變形速度區(qū)分，可劃分三個階段：即減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當進入加速變形階段時，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強度就大大降低。顯然，加速變形階段可以使D→max，但卻大大降低了R，這不滿足優(yōu)化原則。解決這個問題的關(guān)鍵是最佳支護時間概念的建立和最佳支護時段的確定。

3.2.1　最佳支護時間和最佳支護時段的概念

最佳支護時間系指可以使(R+D)同時達到最大的支護時間，其意義如圖3所示。圖3表明，最佳支護時間就是(PR+PD)-t曲線峰值點所對應的時間TS。實踐證明該點與PD-t曲線和PR-t曲線的交點所對應的時間基本相同。此時，支護使PD在優(yōu)化意義上充分地達到最大，最佳支護時間點的確定，在工程實踐中是難以辦到的，所以提出了最佳支護時段概念，最佳支護時段的概念如圖4所示。

圖3　最佳支護時間Ts的含義

Fig.3　The meaning of optimum supporting time Ts

圖4　最佳支護時段的含義

Fig.4　The meaning of optimum supporting period

3.2.2　最佳支護時間(TS)的物理意義

巷道開挖以后，原有的天然應力狀態(tài)被破壞，圍巖中應力重新分布，切向應力增大的同時，徑向應力減小，并在硐壁處達到極限。這種變化促使圍巖向巷道臨空區(qū)變形，圍巖本身的裂隙發(fā)生擴容和擴展，力學性質(zhì)隨之不斷惡化。在圍巖應力條件下，切向應力在硐壁附近發(fā)生高度集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進入塑性工作狀態(tài)。進入塑性狀態(tài)的圍巖稱為塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn)，使應力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當應力集中的強度超過圍巖屈服強度時，又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)，如此逐層推進，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展。假若不采取適當支護措施，臨空塑性區(qū)將隨變形加大而出現(xiàn)松動破壞。塑性區(qū)和松動破壞區(qū)截然不同，松動破壞區(qū)沒有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力。

塑性區(qū)可分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動破壞之前的最大塑性區(qū)范圍，稱為穩(wěn)定塑性區(qū)；出現(xiàn)了松動破壞區(qū)之后的塑性區(qū)，稱為非穩(wěn)定塑性區(qū)。穩(wěn)定塑性區(qū)所對應的宏觀圍巖的徑向變形稱為穩(wěn)定變形；非穩(wěn)定塑性區(qū)所對應的圍巖的徑向變形稱為非穩(wěn)定變形。 塑性區(qū)的出現(xiàn)改變了圍巖的應力狀態(tài)，這種變化對支護來講具有兩個力學效應：(1)圍巖中切向應力和徑向應力降低，減小了作用于支護體上的荷載；(2)應力集中區(qū)向深層偏移，減小了應力集中的破壞作用。在巷道兩幫發(fā)生應力集中時，兩幫巖石處于極不利的單軸受力狀態(tài)條件，極易產(chǎn)生片幫破壞。

應力集中偏移深部后，一方面應力集中程度降低，另一方面深部巖石處于三軸受力狀態(tài)，其破壞可能性大大減小。因此，對于高應力軟巖巷道支護來講，要允許出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)，嚴格限制非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴展。其宏觀判別標志就是最佳支護時間Ts。Ts之前出現(xiàn)的變形稱穩(wěn)定變形，對應的塑性區(qū)稱穩(wěn)定塑性區(qū)。所以最佳支護時間的力學含義就是最大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不出現(xiàn)松動破壞時所對應的時間。它可以通過計算機監(jiān)控得到，也可以通過現(xiàn)場特征判斷直接得到。

3.2.3　最佳支護時間的確定

研究表明，變形力學狀態(tài)進入圖4中A區(qū)時，支護體多產(chǎn)生鱗狀剝落；變形力學狀態(tài)進入B區(qū)時，伴隨著片狀剝落；進入C區(qū)后，將產(chǎn)生塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，判別最佳支護時間(段)就是鱗、片狀剝落的高應力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時間。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，張性、張扭性裂縫，寬度達到1～3 mm，即已進入A區(qū)和B區(qū)，即進入耦合支護的時間；巷道表面各點變形量達到設計余量的60%，即進入耦合支護的時間。