煤礦地震透射圍巖檢測方法

周官群、劉盛東、計承富 等。2100433B

國投新集能源股份有限公司、合肥邁托機(jī)電設(shè)備科技有限公司、淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司等。

圍巖定義

指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)變形或破壞的作用力。它包括由地應(yīng)力引起的圍巖力以及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用。

圍巖產(chǎn)生背景

從廣義來理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護(hù)的情況，也包括圍巖無支護(hù)的情況；既包括作用在普通傳統(tǒng)支護(hù)，也包括錨噴和壓力灌漿等現(xiàn)代支護(hù)的方法中所顯示的力學(xué)性質(zhì)。

從狹義來理解，圍巖力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。

人們從開挖洞穴后圍巖變形和坍塌，襯砌或支護(hù)產(chǎn)生變形和開裂等現(xiàn)象，逐步認(rèn)識到圍巖壓力的存在。影響圍巖壓力的因素有：洞室形狀或大小、地質(zhì)構(gòu)造、支護(hù)型式和剛度、洞室埋深，以及時間因素和施工方法等。圍巖壓力的性質(zhì)、大小和分布規(guī)律是正確進(jìn)行隧道和洞室支護(hù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇施工方案的重要依據(jù)。

洞室開挖前，巖體處在相對靜止?fàn)顟B(tài)，其中任何一點(diǎn)的巖土都受到周圍地層的擠壓，稱為初始應(yīng)力狀態(tài)或一次應(yīng)力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運(yùn)動的構(gòu)造應(yīng)力以及地下水流動等因素所決定的。

洞室開挖以后，解除了部分圍巖的約束，原始的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，圍巖中出現(xiàn)了應(yīng)力的重分布，進(jìn)入二次應(yīng)力狀態(tài)。圍巖向洞室內(nèi)部空間變形，并力圖達(dá)到新的平衡。

圍巖應(yīng)力狀態(tài)

由彈塑性理論和現(xiàn)場量測表明，隧道開挖后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)可概括為三個區(qū)域：

應(yīng)力降低區(qū)

在松軟圍巖中，巖體的強(qiáng)度很小，不能承受開挖后急劇增大的洞室周邊應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形，沿坑道周邊圍巖應(yīng)力松弛而形成一個應(yīng)力降低了的區(qū)域，高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。

擾動了的巖體向坑道內(nèi)變形，如果變形超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和坍塌。

在堅硬而完整的圍巖中，由于巖體強(qiáng)度大，坑道周邊未達(dá)到開裂和坍塌，故無應(yīng)力降低區(qū)，這種洞室往往是自穩(wěn)的。

應(yīng)力升高區(qū)

圍巖深部應(yīng)力升高的區(qū)域，但其強(qiáng)度尚未被破壞，相當(dāng)于一個承載環(huán)?？拥郎戏叫纬沙休d拱，承受上覆地層的自重，并將荷載向兩側(cè)地層傳遞。此即圍巖的成拱作用。

初始應(yīng)力區(qū)

距離坑道較遠(yuǎn)的巖體所受開挖的影響較小，仍處于初始的一次應(yīng)力狀態(tài)。

圍巖基本類型

松動壓力

由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱為松動壓力。松動壓力按作用在支護(hù)上的力的位置不同，分為豎向壓力和側(cè)向壓力。

形變壓力

圍巖變形受到支護(hù)約束而產(chǎn)生的壓力。除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護(hù)時間及其剛度有關(guān)。柔性支護(hù)可產(chǎn)生一定位移而使形變壓力減小，宜大力推廣。但需及時設(shè)置襯砌，以免圍巖位移過大而形成松動壓力，不利于結(jié)構(gòu)受力和正常施工。

按圍巖的本構(gòu)特性(主要指巖土材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系)和受力程度，可以有彈性、塑性和粘性等不同性質(zhì)的形變壓力。

松動壓力和形變壓力經(jīng)常同時存在。但以地質(zhì)條件、支護(hù)類型和施工方法等不同而以某一種為主。

如在松散地層中采用現(xiàn)澆混凝土襯砌而回填不密實(shí)時，通常以松動壓力為主，及時作柔性的噴錨支護(hù)則以形變壓力為主。形變壓力常隨時間推移而逐漸加大，最終才趨于穩(wěn)定。

膨脹壓力

當(dāng)巖體具有吸水、應(yīng)力解除等膨脹性特征時，由于圍巖膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與變形壓力的基本區(qū)別在于它是有吸水、應(yīng)力解除等膨脹引起的。

沖擊壓力

圍巖產(chǎn)生巖爆或瓦斯突發(fā)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的動壓力。其特點(diǎn)是沖擊地壓大小與巖爆規(guī)模、巖爆強(qiáng)烈程度和支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，另外沖擊壓力總體上是一種瞬間壓力。

圍巖理論發(fā)展

在20世紀(jì)20年代以前，主要是古典理論階段。認(rèn)為作用在支護(hù)上的壓力是支護(hù)結(jié)構(gòu)上方覆蓋巖層的全部重量，如海姆和蘭金理論。

其后，出現(xiàn)了各種散體理論，即認(rèn)為使圍巖塌落拱以內(nèi)的巖體重量作用于襯砌，如泰爾扎吉和普羅托季亞科諾夫理論。塌落拱的高度和洞室跨度及圍巖性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)掘進(jìn)和支護(hù)所需時間較長，支護(hù)與圍巖又不能緊密貼接，就會使圍巖最終有一部分破壞塌落而形成松動壓力。

50年代起，彈塑性理論被運(yùn)用于隧道的計算，如芬納、卡斯特納公式等。同時，開始研究圍巖壓力和變形的時間效應(yīng)。

60年代末，出現(xiàn)了考慮地下結(jié)構(gòu)與地層相互作用的彈塑性理論。由于將圍巖與襯砌視為一個統(tǒng)一的結(jié)合整體，圍巖壓力不再單獨(dú)進(jìn)行計算。

70年代以來，將工程地質(zhì)和數(shù)學(xué)計算相結(jié)合，出現(xiàn)了研究塊狀和層狀巖體的塊體力學(xué)理論。

現(xiàn)行圍巖壓力理論包括：

巖土柱理論

開挖坑道以后，由于支護(hù)或拱圈向坑道內(nèi)部位移，引起其頂部上覆巖土柱的下沉，兩側(cè)地層對柱體產(chǎn)生與下沉反向的摩擦力，故上覆巖層重量減去巖土柱兩側(cè)的摩擦力即為圍巖壓力。

中國鐵路部門的方法認(rèn)為：拱頂土柱的下沉，將帶動兩側(cè)三棱體下滑，由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力，土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。

該理論多用于淺埋隧道，但也可推廣用于深埋隧道。當(dāng)隧道埋置極淺或遇軟土層時，土柱兩邊的摩阻力接近于零，故圍巖壓力直接為土柱全重。

壓力拱理論

對埋置較深的隧道，頂部巖體失去穩(wěn)定，產(chǎn)生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū)。該區(qū)內(nèi)的巖體自重即洞室支護(hù)上的荷載。破裂區(qū)上部邊界線有拋物線、橢圓、半圓和三角形等不同假定，如科默雷爾巖體破碎理論等。

中國在50年代初期以來，曾廣泛采用普氏地壓理論。假定巖體為松散體，其壓力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根據(jù)散粒材料不能承受拉應(yīng)力，即彎矩為零的條件，得到拱形為拋物線，其矢高h(yuǎn)=b/f(b為壓力拱跨度之半，f為巖層堅固系數(shù))。塌落拱巖體重量即為豎直地層壓力。

彈塑性理論

利用彈塑性理論可求出沿洞室周邊地層內(nèi)產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍。設(shè)置襯砌后，利用地下結(jié)構(gòu)與地層的位移協(xié)調(diào)條件，可求得塑性區(qū)半徑和圍巖壓力值。

極限平衡理論

巖體內(nèi)有各種各樣的結(jié)構(gòu)面。開挖坑道后，洞周的圍巖出現(xiàn)與整個巖體相脫離的巖塊。它的自重對襯砌產(chǎn)生壓力。故用地質(zhì)分析法時，需先查明斷層、節(jié)理和軟弱夾層的分布情況及其組合。自重減去結(jié)構(gòu)面阻力即為地層壓力，必要時也可計及圍巖應(yīng)力對地壓的影響，采用赤平極射投影方法，確定巖石塊體的空間位置和形狀。

當(dāng)分離體由數(shù)組平行節(jié)理面組成時，可用裂隙巖石的極限平衡理論計算；當(dāng)節(jié)理呈隨機(jī)分布時，可用塊體力學(xué)理論計算。

數(shù)值解法

除簡單邊界條件的圓形洞室有較嚴(yán)格的解析解以外，對其他斷面形狀的洞室可采用有限元法或其他數(shù)值方法計算彈性、彈塑性或粘彈與粘(彈)塑性的圍巖壓力值。

如已給出垂直壓力，則側(cè)向壓力可視具體情況采用主動、靜止和被動抗力等理論進(jìn)行計算。如底部地層較差而承載力不好，處于極限狀態(tài)，產(chǎn)生塑流，巖土將向洞室底部隆起；或遇膨脹地層時，均需要考慮底部圍巖的隆起壓力。

由于地層初始壓力和巖土參數(shù)不易準(zhǔn)確測定，上述各種地壓理論，實(shí)際應(yīng)用時會受到一定限制，因此還較多地采用工程類比法。在對已建成洞室的圍巖壓力大小和分布規(guī)律觀察統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，全面分析研究其影響因素，得出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)公式，用以確定作用在襯砌上的圍巖壓力。

長期以來，人們都想通過量測作用在隧道上的圍巖壓力及圍巖和襯砌的變形，得出可靠的圍巖壓力分布和數(shù)值。近期興起的綜合量測方法，如以洞徑位移量測為主的收斂約束法，強(qiáng)調(diào)施工期間進(jìn)行量測，并反饋信息而后修改原設(shè)計，稱為現(xiàn)場監(jiān)控法。

依靠實(shí)測來求得圍巖壓力值是當(dāng)前的發(fā)展方向。圍巖壓力理論雖有很大的發(fā)展，但仍未臻完善。圍巖性質(zhì)千變?nèi)f化，支護(hù)形式多種多樣，施工方法各不相同，故應(yīng)綜合經(jīng)驗(yàn)、理論和實(shí)測的成果，針對不同情況，采用不同的理論和方法。2100433B

《大型地下洞室群地震響應(yīng)與結(jié)構(gòu)面控制型圍巖穩(wěn)定研究》由武漢大學(xué)出版社出版。