巷道围岩变形观测记录
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轨道下山延伸
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27#层二区段运输顺槽轨道联络巷
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煤柱尺寸对巷道围岩变形和破坏状况研究摘要：该文对矿区煤柱及围岩现场应力测试，分析了不同地质情况下不同的煤柱尺寸内应力受采动影响的变化趋势，提出如何进行煤柱尺寸的优化设计，从而保证在具体的地质情况及支护方式下煤柱的尺寸满足巷道的正常使用要求。 关键词：煤柱围岩应力；尺寸优化；巷道支护 abstract: in this paper the coal pillar mining area and surrounding rock stress test, analyze the different geological conditions of different internal stress pillar size by mining the change trend of influence, and puts forward how to carry on the pillar size optimization design, so as to ensure the geological conditions in specific ways and the support of the size of the coal pillar meet the normal use of the requirements. keywords: pillar surrounding rock stress; size optimization; of support 中图分类号： p614 文献标识码：a 文章编号： 0 前言 采准巷道[1]大多布置在煤层中，煤柱尺寸不仅对巷道围岩的稳定性有很大影响，而且影响煤炭资源回收率。煤柱尺寸偏小，不能承受采动时矿山压力的影响，容易发生危险事故；煤柱尺寸偏大时，
内容摘要“三高一时效”是深部巷道工程重要特点,它严重影响巷道围岩的力学响应。高地温是其中一个非常重要特点, 温度的变化会影响到岩体的性质[ 1] 。在温度作用下岩体内部可能出现促使应变产生或发展的各种热效应, 以及能引起岩石相变的应力张弛。一般来说, 随着温度的增高, 岩石的延性加大, 屈服点降低, 强度也降低, 从而影响巷道围岩的稳定性[ 2] 。温度场对深部巷道围岩应力产生重要影响, 同样温度的作用必将影响巷道围岩的流变特性[4]。 岩体温度是热害矿户的最大热源之一在满足工程计算精度要求的前提下, 简便地计算出井巷围岩中任意空间点的温度分布随通风时间变化的规街, 是矿井风温预测计算的基础理论问题。 国内外学者对深井巷道围岩地温场的温度分布规律曾进行过大量的研究〔’一4 〕, 归纳起来说, 对地温场的分析有三大类方法: (l) 通过地质钻孔测温法了解地温场; (2) 建立理想化的数学模型, 借助电子计算机进行地温场的数值模拟分析; (3) 建立理想化的数学模型, 从数学分析出发, 求解地温场温度分布控制微分方程的解析式。由于描述地温场分布的控制微分方程求解困难, 随着计算机技术的飞速发展, 人们便借助计算机来求其数值解, 并在矿山地热学中取得了一定的成果印随着我国煤矿开采深度的不断增加, 其高温环境引起的热害问题越来越受到国内外学者和工程技术人员的关注, 深井巷道岩体温度是热害矿井的最大热源。巷道围岩的温度场分布研究是基础问题之一, 本文基于地质学和热力学理论, 给出巷道围岩温度场受不同的风流冷却时间的无因次解析式, 并导出调热圈外半径的近似计算式, 针对淮南矿区深部开采的高地温(42 ℃左右),采用有限元软件ANSYS9 .0 对深井巷道围岩的温度分布进行了数值模拟分析。 巷道围岩温度场分部 ( 1) 无渗流状态下, 温度场和温度矢量呈对称分 布, 风流速度对温度分布有明显的影响, 但不改变其 对称分布的状态。 ( 2) 渗流所伴随的热迁移现象改变了温度场和 温度矢量原有的对称分布的状态, 热交换平衡区随 着渗流速度的增加, 将向顺渗流的方向移动, 平衡区 的范围也随之扩大。 气流对温度分布的影响
浅谈跨采巷道围岩变形破坏与控制 张玉涛 （淮北矿业集团公司临涣煤矿，安徽淮北235136） 摘 要 该文主要介绍了跨采巷道围岩的变形机理及变形特点，并概述了跨采巷道围岩稳定控制的关键。关键词 跨采巷道 围岩变形 控制 中图分类号TD325 文献标识码 A doi ：10．3969/j．issn．1005－2801．2012．06．106 Brief Talk on Deformation And Control Of Surrounding Rocks Of Roadway Affected By Overhead Mining Zhang Yu －tao （Linhuan Coal Mine ，Huaibei Mining Industy Group ，Huaibei 235136，China ） Abstract The paper presented the deformation mechanism and features of surrounding rocks of roadway affected by overhead mining ，and briefly summa-rized the key of control measures of roadway affected by overhead mining． Key words roadway affected by overhead mining deformation of surrounding rocks control *收稿日期：2012－05－08 作者简介：张玉涛（1982－），男，安徽阜阳人，2011年本科毕业于安徽理工大学采矿工程专业，助理工程师，现任淮北矿业集团临涣煤矿综采三区主管技术员。 我国现阶段煤层底板巷道主要采用跨采的方式，跨采形式分为横跨和纵跨两种方式，跨采巷道受采动影响的程度主要取决于巷道位置、围岩性质及巷顶与煤层底板的垂直间距。在开采过程中，只有了解跨采巷道的变形破坏机理，合理布置巷道，因地制宜的采取有效的加固维护措施，才能够减少巷道变形量，满足矿井通风、运输和行人的要求。1跨采巷道变形破坏机理1．1 底板垂直应力传递规律 在工作面的推进过程中，随着上覆岩层自上而下的冒落、破断与沉降，工作面前方煤壁会形成超前支承压力，在采空区则会出现应力降低现象即卸压，在底板岩层中，也会相应的出现垂直应力的集中区和卸压区，它与支承应力的分布大体是相一致的。 煤壁下方应力集中等值线呈现出斜向煤壁前方的泡形传递状态，采空区下方则是斜向煤壁后方的泡形。当巷道位于采空区下方时，巷道处于卸压状态，主要受水平应力作用；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道位于应力集中区，垂直应力占主导地位。随着底板岩层深度的增加，应力集中系数和卸压程度减小，应力分布逐步缓和。1．2 跨采巷道变形破坏机理 在工作面的跨采过程中，跨采巷道的围岩应力平 衡状态被扰动，进而在跨采巷道某些部位产生了新的应力集中，底板巷道围岩处于二向围压状态，本身经受不住大的变形能量，因此，跨采巷道周边围岩的应力状态将再次调整，塑性区的范围进一步扩大，并产生更大的压力和流动，最终导致跨采巷道围岩的最外层破裂区范围不断扩大，产生更大的碎胀变形。 跨采巷道变形失稳主要是由剪胀变形作用导致的，破裂区范围内的围岩自身稳定性差，围岩和支护体系的相互作用决定了跨采巷道能否长期保持稳定以及受跨采影响的程度和范围。2跨采巷道围岩变形特点2．1 跨采方式不同 工作面开采时，横跨巷道存在围岩变形的相对稳定区，与横跨巷道相比，纵跨巷道围岩变形破坏严重，无相对稳定区，巷道的变形主要是顶底板的移近造成的，且变形量呈持续上升趋势。2．2 巷道位置不同 跨采巷道围岩变形与巷道所处位置密切相关。当巷道位于采空区下方时，巷道总体变形量较大，变形特征以两帮内移为主；当跨采巷道位于停采线下方时，巷道煤柱侧帮部及底板变形较大；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道变形强烈，变形特征呈全断面收缩，底鼓严重。随着与工作面垂距的加大，巷道的变形破坏程度减小。3跨采巷道的围岩稳定控制3．1 跨采巷道的位置优化 由于底板应力传播特性以及矿压显现的区域性， 4 7 12012年第6期
深部围岩变形破坏时效性分析 1.引言 围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。 因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。 2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素 岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。不少大断层至今仍有持续移动的迹象。在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的： (l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的
大变形巷道围岩变形机理与控制技术 摘要: 为得到困难条件下大变形巷道围岩的变形机理与控制对策以困难条件下巷道的类型划分和特点为基础，总结了巷道围岩表面变形特征和内部的变形与结构特征，详细分析了高应力大变形破坏、底鼓型巷道系统失稳、采动巷道的变形破坏、结构面错动变形机制、围岩与支护结构不耦合五类主要变形机制。结合巷道围岩控制理论研究与工程实践，提出了目前困难条件下矿井巷道支护存在的主要问题、难点与控制关键。 关键词: 困难条件; 大变形巷道; 围岩控制; 变形机理; 控制技术 0 引言 近年来，随着我国经济社会的快速发展、西部能源战略基地的大力建设、南方煤企重组的结构调整，煤炭的产量在逐步提高，为国民经济建设提供了重要支撑。然而，随着煤炭资源开发规模、开采深度的增加，开采条件在持续恶化，巷道维护难度在不断增加，这给矿山巷道支护提出了新的挑战与课题，因此，困难条件下( 例如大采深、构造应力、多次采动影响、松软围岩、突出煤层等) 巷道围岩控制理论与技术亦成为当前矿业工程领域研究的热点与难点。首先，由于我国东中部浅部煤炭资源的日益短缺，煤层开采必然转向深部，而深部开采因高地温、高地压、高渗透压和开采扰动( “三高一扰动”)的不利影响，使得深部矿井巷道的地质力学环境愈加复杂，地下工程灾害日益增多，深部巷道围岩稳定性控制变得更为困难。一方面，部分矿井由浅部的硬岩矿井转型为深部软岩矿井，围岩缓变型大变形支护问题十分突出。另一方面，深部煤层开采引发的冲击地压、瓦斯突出、岩爆等突变型大变形重大灾害在我国频繁发生，给国家财产和人民生命造成了巨大的损失，动力作用下巷道围岩控制问题已成为目前煤炭科技工作者所关注的重大问题之一。其次，西部大型煤炭生产基地的建设为矿井巷道围岩控制理论与技术的发展提供了良好的机遇，同时也提出了新的挑战。西部矿区的地质条件有其特殊性，即第四纪冲积层非常浅、软弱基岩埋藏深、含水层较多，( 特) 厚砂砾层、松散沉积砂层、厚冲积层等地层较为常见。特别是基岩多为中生代软弱不稳定岩层，成岩较晚、胶结程度差、强度低，遇水软化、泥化，这都增加了巷道围岩的控制难度。再次，与北方矿区相比，南方煤矿多为小型矿井，煤层赋存不稳定，地质条件较为复杂，矿井瓦斯含量较高，万吨掘进率偏高。因此，南
围岩变形弹塑性分析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
§ 隧道围岩重分布应力的计算 隧道开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力的作用而处于相对平衡状 态；隧洞开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的平衡状态，从而产生向洞内空间的膨胀变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的重新调整，达到新的平衡关系，形成新的应力状态。 弹性围岩重分布应力 对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一般时，隧道开挖后的围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩应力重分布可用弹性力学的基本理论来分析，隧洞半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，围岩重分布应力可用柯西（Kirsh ）课题求解。 图2-1是柯西课题的简化模型。设无限大弹性薄板，在边界上受沿X 方向的外力P 作用，薄板中有一半径为R 0的圆形小孔。取如图极坐标，薄板中任一点M （r ，θ）的应力及方向如图所示，按平面问题考虑，不计体力，则M 点的各应力分量，即径向应力?r 、环向应力?θ和剪应力τθ与应力函数?间的关系，根据弹性理论可表示为： 22222 2 21111r r r r r r r r r θθ θ θφφσθφσφφτ??=+???=?????? ?? =?? ?? ?? -???（2-1） 上式的边界条件为： ()()() ()000cos 22 2 sin 22 r r b r r b r r r b r b p p b R p b R b R σθτθ στ====? =+ ? ?? =- ?? ? ==?? （2-2） 设满足该方程的应力函数φ是： () 222ln cos 2A r Br Cr Dr F φθ-=++++（2-3） 带入上式并考虑边界条件，可求得应力函数为： 2222 00222 00ln 1cos 22222pR R r r r R R r φθ? ?=-----?????? （2-4） 代入可得各应力分量：
大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究 发表时间：2015-01-20T09:59:37.597Z 来源：《工程管理前沿》2015年第2期供稿作者：车燕飞李振星纪录郝俊龙[导读] 巷道底鼓严重因为巷道支护，导致人们通常重视顶板的支护及煤帮的支护，而对于底板的治理则往往忽视。 车燕飞李振星纪录郝俊龙（潞安集团五阳煤矿 046205） 摘要：在煤矿开采强度及规模逐渐增大的背景下，为了矿井通风及运输等能够得到充分满足，巷道断面也变得越来越大。这样便给巷道维护造成了极大的不便，进一步对煤矿安全高效生产构成了严重威胁。本课题笔者在分析大断面煤层巷道围岩变形特征的基础上，进一步对大断面巷道支护技术进行了探究，希望以此为大断面巷道支护技术的完善提供依据。 关键词：大断面巷道；围岩变形；支护技术 0.引言煤炭工业在我国国民经济当中占据了非常重要的地位。在煤炭开采过程中，利用经济合理的开采方式便显得极为重要，这样才能在获取巨大经济效益的同时，又能够使当地居民的生活环境得到有效保护。目前，在我国大型矿井超过80%的均为煤巷[1]。煤巷提升了巷道掘进的速度，同时也节省了经济资源与人力物力资源，使煤炭开采更具高效性。但同时因为煤巷围岩强度要远远小于岩巷，从而造成煤巷的广泛采用大大增加了巷道的支护难度。 1.大断面煤层巷道围岩变形特征分析1.1 巷道围岩变形破坏较为严重顶板离层范围大，经过井下围岩钻孔窥视离层范围通常为4～5米，局部通常为6 米，比顶板锚杆锚固的范围要大很多，必须采取加长强力锚索支护。巷道两帮变形量显得较大，如果煤矿沿煤层顶底板掘全高巷道，便会使得顶底板和煤层交界面产生较小的摩擦力，从而产生摩擦力非常小的滑面，在煤帮整体挤出与层间相对滑动的情况下，便会使煤帮的塑性区范围变大，通常在6～7 米，从而导致巷帮支护更为复杂[3]。所以，巷帮支护需采取锚索对支护强度进行强化，同时使巷帮的塑性区范围得到有效控制，最终使巷帮围岩的稳定性得到有效保持。 1.2 巷道围岩破坏突发性较大在一些特殊地段，比如地质破碎带、小断层及淋水交岔点等情况存在时，因为大断面巷道的高度及跨度均非常大，会造成巷道冒顶突发性更为强烈，并且冒顶范围也非常大。对于冒落长度，较小范围通常在10 米左右，范围寄到的可达80 米。冒顶宽度通常要比巷道宽度要小，冒顶高度通常为巷道高度的数倍之多。在巷道顶板里某一层位具备坚硬岩层的情况下，冒落高度便显得非常小；在巷道顶板是复合顶板的情况下，冒落高度便显得非常大。 1.3 巷道底鼓严重因为巷道支护，导致人们通常重视顶板的支护及煤帮的支护，而对于底板的治理则往往忽视。同时，由于地下地应力场构造非常复杂，导致巷道很容易造成严重的底鼓现象。大部分煤矿巷道均会进行相应的巷道起底附加工作，从而使正常的生产需求得到满足，这样便在很大程度上使人力物力造成浪费，进一步使煤矿企业造成了极大的经济损失。 2.大断面巷道支护技术探究2.1 数值模型及计算参数以具体工作面的地质及生产条件为依据，进一步对三维数值模型进行构建。使用应变软化本构模型对数值进行计算，然而对模型的边界条件加以明确：四周选用铰支、底部选用固支、上部为自由边界。巷道开挖后，垂直应力需在掘进工作面周围重新分布，在工作面前后方呈现应力降低区与升高区。同时，对于水平应力，也需在掘进工作面前后方呈现应力降低区与升高区。但需要充分注意的是，基于工作面后方顶及底板围岩的集中应力，不管大小或者作用范畴，均需比工作面前方大。除此之外，还需要对应力条件加以明确，垂直应力与最大水平应力分别为7.8MPa、8.1MPa，另外最大水平主应力方向为N45°W。如表1，为煤岩体物理力学参数。 表1·煤岩体物理力学参数 2.2 巷道支护形式选择需遵循的原则对于巷道支护形式，在选择上需遵循一定的原则，这样才能够为多方面的质量起到保障作用。其一，能够对巷道围岩变形实现有效控制，同时能够使围岩支护状况得到有效改善。其二，有利于断面利用率的提高。能够对巷道围岩变形实现有效控制，同时又能够减小巷道有效空间的占用率，从而使巷道断面利用率大大提升。其三，能够为安全生产提供便利，在使巷道支护情况维持良好状态的基础上，保证行人顺畅，同时能够为高效的安全生产提供依据。其四，符合巷道支护成本的有效控制。对于企业来说，经济效益是生产的根本。企业均追求最大经济效益。所以，需要将巷道支护成本降至最低化，同时保证生产质量。 2.3 实际应用如果煤岩体的夹层较厚，同时顶板坚硬，那么巷道开挖之后围岩如果暴露，从空间与时间两方面均需要进行锚杆支护，并且还需要施加足量的预应力。之所以这样做，主要有两个目的：其一为，能够对围岩离层、滑动等进行有效控制，使它们不发生连续变形现象，进一步使其连续性及完整性得到有效保证。其二，能够使围岩压应力得到有效降低，同时降低偏应力，有效抑制拉应力区及剪破坏情况的发生。 以上述要点为依据，以相应的工作面运输与回风巷道为试验对象，对其进行了高强度预应力锚杆支护计算和设计。
软岩大变形 软岩大变形问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提了出来，在地下工程的建设过程中，软岩问题一直是困扰工程建设和运营的重大难题之一。特别是“九五”期间，我国10个能源建设基地有8个都相继出现了软岩问题，造成多对矿井的停产建设。每年有大量的隧洞在软弱围岩中开挖，随着开挖深度的增加，软岩问题愈趋严重，直接影响着工程安全以及人身安全。随着人类工程活动的不断增强， 软岩隧洞系指塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，而工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特征，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。 1.软岩大变形破坏特征 软岩隧洞的大变形破坏特征不仅受围岩的力学性质影响，而且受隧洞所处的地应力环境和工程因素控制。我国许多煤矿在采深不大的情况下，坑道的变形破坏并不强烈，常规支护即可维护隧洞稳定。加大采深后，这些煤矿坑道额稳定性降低，变形破坏趋于强烈，常规支护难以维护坑道稳定，因此，软岩隧洞的变形破坏特征受多种因素控制。一般来说，软岩隧洞的破坏具有以下特征： (1) 变形破坏方式多 除一般隧洞中常见的变形破坏方式拱顶下沉、坍塌外，还有片帮和底鼓、底围隆破，隧洞表现出强烈的整体收敛和破坏。变形破坏表现的形式既有结构面控制，又有应力控制型，尤以应力控制型为主。 (2) 变形量大 拱顶下沉大于10cm，有的高达50cm，两帮挤入在20~80cm之间，底鼓非常强烈，在常规无仰拱支护的情况下，强烈的底鼓往往将整个隧洞封闭。 (3) 变形速度高 软岩隧洞初期收敛速度可以达到3cm/d，即使施作了常规锚喷支护以后，软岩隧洞的收敛速度依然很高，可达2cm/d，而且其变形收敛速度降低缓慢，因此，在不长的时间内其变形收敛就很大，多则一年，少则几个月就将隧洞封闭。 (4) 持续时间长 由于软岩具有强烈的流变性和低强度，因此，软岩隧洞开挖以后，围岩的应力重分布持续时间很长，软岩隧洞变形破坏持续很长时间，往往长达1~2年。 (5) 因位置而异
关于软岩大变形，目前还没有形成一致和明确的定义。Karl Terzaghi(1946)最早对隧道围岩大变形进行描述和定义，他指出：“挤压变形岩石是指含有相当数量黏土矿物的岩石”，变形行为会以“不容易察觉的体积增加缓慢地侵入隧道净空，挤压变形的先决条件是岩石中高含量的具有膨胀性细微或亚微云母矿物和黏土矿物”。国际岩石力学学会于1995 年成立了专业委员会研究岩石挤压变形问题，提出挤压变形的定义“挤压变形是一种与时间相关的变形行为，通常发生在地下空间开挖面周边，一般由于极限剪切应力失稳而导致的蠕变所造成，这种变形可能会在开挖期间停止，也有可能持续非常长的时间”。 仔细分析这两种经典定义，太沙基实际上讨论了地质软岩的概念，定义强调岩石成分的特殊性，对力学机制没有涉及。而国际岩石力学学会的定义则强调大变形是与时间有关的变形行为，产生原因是由于极限剪切应力失稳。实际上，上述定义只强调了一个现象的两个方面，均有一定缺陷。陈宗基等(1983)认为，围岩收敛变形机制应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲五个方面，与前述定义有重叠之处；翁汉民等(1999)认为不能从变形量的大小定义大变形，具有显著变形是大变形问题的外在表现，其本质是由剪应力产生的岩体剪切变形发生错动、断裂分离破坏，岩体向地下空间方向产生挤压变形来定义大变形；何满潮等(2002)基于地下空间大变形现象将软岩分为膨胀型软岩、高应力软岩、节理化软岩、复合型软岩四类；李天斌等(2005)基于产生围岩大变形的地质环境及力学机制，将其定义为：隧道及地下工程中，由软弱岩体构成的围岩，在高或相对高地应力、地下水或自身膨胀性的作用下，其自承能力丧失或部分丧失，产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束的现象，它既区别于岩爆运动脆性破坏，又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏；赵旭峰（2007）提出挤压现象是一种在隧道开挖中与时间有关的大变形，与岩体的时效力学行为紧密相关，表现为在工程扰动力作用下，当岩体所承受的剪应力超过某极限值时，所发生的随时间发展的显著粘弹塑性变形；上述对大变形的定义均较好地概况了前述两种经典定义。
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 2013年第5期0引言 近些年来，甘肃省经济发展迅速，但是发展经济的前提，交通必需先发展。随着高含水率黄土隧道修筑的增加，施工中出现了一些问题，许多学者作了大量的研究。采用隧道理论计算与现场监控量测相结合的方法，为隧道安全施工提供了重要保证，进一步优化了初期支护和二次衬砌的参数，提高了施工速度和质量。本文以石羊岭隧道为工程依托，通过MIDAS/GTS 数值计算和现场监控量测，对隧道留核心土施工法施工过程进行数值计算，并与现场监控量测数据对比，得出留核心土施工法施工对石羊岭隧道开挖比较合理[1-3]，为高含水率黄土隧道施工积累经验，研究具有一定的参考价值。 1工程概况 石羊岭隧道位于定西市安定区。隧道全长1288m ，隧道起点端里程桩号K6+232，隧道终点端里程桩号K7+520，洞体最大埋深约123.7m ，位于K6+824.3m 处；进出口均位于黄土冲沟，距乡村公路较近，交通便利。 隧道位于临县境内黄土梁峁区，隧址区（Q 3eol ）黄土大面积覆盖，微地貌为黄土残梁、黄土陡坎，隧址区走向近东北向，山梁顶部较平缓，山梁两侧为冲沟，山坡为中陡坡。 石羊岭梁隧道进口段围岩由第四系上更新统（Q 3al+pl ）粉质粘土组成，其状态为坚硬-硬塑，松软结构，地下水出水状态为滴渗水，围岩级别Ⅴ级。岩体较破碎，含水率高，稳定性差，开挖后易坍塌，侧壁不稳定，需加超前小导管，本文用于数值计算的目标断面为K6+450，隧道埋深70m 。 计算所采用的断面初期支护采用型钢混凝土联合支护，C25喷射混凝土、I20a 型钢、钢筋网联合支护，对于Ⅴ级围岩需在顶部做超前小导管，采用准42超前小导管，长3m ，混凝土喷层厚度为0.3m 。 2隧道施工过程数值模拟 2．1模型建立2．1．1约束的确定 依据圣维南原理、有限元计算误差和工程的要求，选取的计算范围为3～5倍洞径，但当超过5倍洞径，位移一般控制在5%以内，误差较小。 2．1．2钢拱架力学模拟 运用等效的方法考虑时，采取抗压刚度相等的原则，并用钢架的弹性模量折算给喷射混凝土，简化初期支护，计算为： E=E 0+ S g ×E g S c 上式中，E 为折算后混凝土弹性模量；E 0为原混凝土弹性模量；S g 为钢拱架截面积，E g 为钢材弹性模量；S c 为混凝土截面积。 因此模型尺寸长×宽=100m ×84m 。模型地面为无约束自由面，四周采用横向变形约束条件，底部采用竖向约束条件。计算中土体采用摩尔—库仑准则，初期支护采用C25混凝土材料，厚度0.3m 。初始应力场仅考虑土体自重应力场，忽略地层的地层构造应力。整个模型共个363节点，共1263单元。地层采用平面单元，初期支护采用梁单元[4-5]，计算模型见图1。2．2参数选取 根据工程地质勘察报告，数值计算采用的参数见表1。 表1 模型计算材料参数 Table 1Physical and mechanical parameters of model materials 2.3 现场开挖过程模拟 依据现场施工方案，留核心土法施工模拟，先开挖上半部分，再开挖核心土，最后开挖下半部分，在开挖时荷载释放系数为0.6，初期支护阶段荷载释放系数为0.4。2.4数值模拟结果分析 2.4.1隧道围岩竖向位移分析 （a ）开挖上台阶竖向位移云图 （b ）开挖核心土及下台阶竖向位移云图 图2围岩竖向位移云图 Fig.2Vertical displacement contours of the surrounding rock, 黄土隧道围岩变形规律分析 辛纯涛吴勇 （甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州730050） 【摘要】结合石羊岭隧道工程，对高含水率黄土隧道开挖支护后围岩变形进行了研究。利用Midas/GTS 有限元分析软件，建立了有限元计算模型，分析了石羊岭黄土隧道开挖支护后的位移场，并与现场监控量测数据进行了分析对比，得到了黄土隧道的围岩变形规律，给出了合理的支护方案。结果表明：留核心土施工法适用于此隧道，并从开挖过程得到隧道位移分布及影响范围；从现场监控量测数据可以得出，变形经历三个过程，最终处于稳定状态。数值计算结果与现场监测数据基本一致，并得到初期支护与二次衬砌间隔的时间为25天。 【关键词】黄土隧道；MIDAS/GTS 数值计算；现场监测；围岩变形 作者简介：辛纯涛（1986—），男，助理工程师，主要从事隧道检测及岩土数值计算。 图1隧道计算模型 Fig.1Computation model of the tunne 名称密度 (KN/m 3)弹性模量 (MPa)粘聚力 (KPa)内摩擦角 (°)泊松比 层厚 (m)黄土18.50534.420.050.3100喷射混凝土24.0015000--0.20.3小导管 78.50 20000 - - 0.3 4.5 ○科教前沿○78
地下洞室围岩大变形机制研究 发表时间：2015-10-08T13:12:07.820Z 来源：《基层建设》2015年5期供稿作者：罗荣辉[导读] 四川公路桥梁建设集团有限公司华东机华分公司四川成都隧道穿越高应力、软弱破碎围岩条件及复杂恶劣地质环境的情况不可避免，与此同时，隧道围岩大变形问题也凸显出来。罗荣辉 四川公路桥梁建设集团有限公司华东机华分公司四川成都 610200 摘要：基于地下洞室危岩大变形工程特性，揭示了围岩大变形卸荷作用机制，并介绍了卸荷作用过程及围岩变形特性；提出了瞬时—弹性—塑性—流变变形机制，其机制包括瞬时变形、弹性变形阶段、塑性变形阶段、流变变形阶段；解译了弱面剪切机制，并给出弱面剪切机制的强度准则。 关键词：地下工程；大变形机制；围岩；地下洞室1 引言 近年来，随着中国队基础设施建设投资力度的逐渐加大，铁路、公路隧道工程的建设规模得到了迅猛发展，隧道工程施工的机械化程度和施工技术水平也得到了很大的提高。目前，在中国路网主骨架“八纵八横”总体战略实施过程中，铁路、公路隧道已经向长、大、深埋方向发展[1，2]，因此隧道穿越高应力、软弱破碎围岩条件及复杂恶劣地质环境的情况不可避免，与此同时，隧道围岩大变形问题也凸显出来。 本文介绍了地下洞室围岩大变形的卸荷作用机制、瞬时—弹性—塑性—流变变形机制、弱面剪切机制等机制，研究成果对于深入了解围岩大变形机理具有积极意义。 2 地下洞室围岩大变形机制研究2.1 卸荷作用机制地下洞室岩体开挖后，产生应力重分布，如图1所示，应力迹线岩体应力在没开挖前平面上受竖向均布荷载，开挖后被开挖的洞室岩体产生应力集中，应力迹线在洞室周围由直线变为弧形曲线，越靠近洞室周壁应力变化越显著。因此洞室开挖后岩体由三向应力状态变为平面应力状态，即在洞室周围形成侧向临空面，而临空面的形成伴随着而瞬间卸荷作用的产生。岩石的卸荷破坏变形主要是因卸荷导致的破裂前的扩容作用和宏观剪切破坏。从岩石三轴和单轴压缩试验应力——应变曲线可以看出当岩体受荷达到某一值时岩石体积膨胀，这是由 应力差急剧变化引起的变形破坏，此后岩体进入累进破坏阶段，最终完全破裂。卸荷变形破坏作用机制过程：1）卸荷初始阶段，岩体基本保持原状，但岩体内有微小裂缝的形成；2）卸荷达到一定程度后，侧向临空面处岩体处于平面应力状态，即拉—压作用，受拉—压作用微小裂缝尖端应力集中而张拉扩展，由卸荷岩体应力—应变曲线可知，此时侧向应变和轴向应变基本相等，但由侧向应变曲线和轴向应变曲线的切线斜率知侧向应变速率明显大于轴向应变速率，并处于加速增长状态。3）卸荷作用继续发展，裂缝继续扩展，对于硬质岩体由于拉——压作用裂缝部分贯通并表现为竖向裂缝的增多和侧向岩体的鼓起，裂缝表现为追踪效应，应力——应变曲线上表现为应变的急剧增大，变形速率趋于稳定并有减缓的趋势，但侧向变形速率仍大于轴向变形速率。对于软质岩体随着时间的推移表现为一定的流变特性，岩体变形曲线为近于平行。4）卸荷作用最后阶段对于硬质岩体裂缝完全贯通破裂，破裂面形成，表现为剪切破坏，岩体较为破碎，并且竖向裂隙比较集中，并伴有显著的竖向破裂面。对于软质岩体流变使变形缓慢进行，表现为侧向挤出和塑性流变。 2.2 瞬时—弹性—塑性—流变变形机制1）瞬时变形 瞬时变形是岩体开挖应力释放后瞬间产生的变形量，与岩体性质、岩体初始应力场、地下水、岩体构造等有关，是一种非线性变形机制，变形伴随岩体的张裂，一般变形量较小。2）弹性变形阶段弹性变形是岩体进入线弹性变形阶段产生的变形量，此阶段弹性模量（E）为一常数，应力和应变呈现线性关系，表达式如下：（1）式中，——应力值；——变形量对于硬质岩体弹性变形时间较长，但变形量较小，对于许多处于高应力区的硬质岩体开挖后一般处于弹性变形阶段；对于软质岩体，弹性变形很快结束进入屈服阶段，但变形量较硬质岩体大。3）塑性变形阶段塑性变形是岩体卸荷后受拉压作用使岩体超过屈服强度后产生的不可逆的变形量。对于硬质岩体，变形进入此阶段，岩体变形急剧增大并趋于峰值。对于软质岩体或处于高温高压作用下的硬质岩体塑性变形持续时间较长，表现为塑性变形和侧墙的岩体挤出，如围岩颈缩、底鼓、侧向突出等。现有的弹塑性机制弹性阶段在应力应变图上为线性变化，而对塑性变形有线性、幂指数型等变化。4）流变变形阶段
千枚岩隧道大变形原因分析及施工对策 摘要：柳树垭隧道地处千枚岩地段，施工初期由于围岩变形较大，导致初期支护开裂等问题，严重影响了施工安全和施工进度。通过对围岩变形原因的分析，在施工过程中，针对不同围岩采取不同的、有效的施工方法，对抑制围岩变形取得了较好的效果。 关键词：千枚岩；大变形；分析；施工对策 Abstract: the same tunnel is located in thousand pieces willow rock location, construction because of surrounding rock deformation is early, leading to the primary support the problem such as craze, serious impact on the construction safety and construction schedule. Through the analysis of the reason of surrounding rock deformation, in construction process, according to different rock mass take different, effective construction method, to control the deformation of the surrounding rock has a good effect. Keywords: thousand pieces rock; Large deformation; Analysis; Construction strategies 引言 近年来，国家对基础建设的投入越来越大，铁路、公路、城市地下工程、资源开采等工程项目随处可见，工程很多都是在软弱围岩中进行的。如作者参与修建的西汉高速公路大（河坝）两（河）连接线工程中的柳树垭隧道。在软岩工程越来越频繁的情况下，对软岩工程中的围岩变形问题进行总结研究具有重要的工程实用价值和现实意义。文中作者通过施工过程的实际方法，总结了千枚岩隧道变形的基本特征，分析了变形原因及采取的施工对策。 1、千枚岩隧道变形的主要原因 千枚岩隧道的变形有很多形式，其中以仰拱起鼓、隧道两侧挤压、初期支护开裂、拱顶下沉等类型发生较多。引起变形发生的主要原因如下：（1）围岩自身因素。
软岩隧道大变形成因分析及处置措施 摘要：本文对软岩隧道大变形机理进行分析，详细介绍了软岩地区常见的支护 设计和软岩区施工阶段的质量控制措施，以解决当前施工阶段出现的问题，以期 为软岩区隧道建设提供借鉴和参考。 关键词：软岩隧道；大变形；成因分析；处置措施 0 引言 由隧道大变形引起的地质灾害屡见不鲜，困扰着软岩区隧道的建设。首例出 现软岩大变形的隧道是1906年建成的新普伦隧道（全长19.8Km），比较有代表 性的是奥地利陶恩隧道，施工期间产生50~120cm的变形，日最大变形量达到 20cm。国内比较有代表性的有乌鞘岭隧道，拱顶沉降达到105cm，周边收敛达到103cm，而凉风垭隧道的周边收敛值达到197.25cm，此类的地质问题还有许多， 软岩隧道不仅延长建设的周期，而且还会大幅增加工程造价。软岩隧道的支护理 论有多种，20世纪初由Haim、Rankine等提出的古典压力理论，以及在之后提出 的塌落拱理论，这也是新奥法的理论基础，其核心是隧道围岩具有自稳能力， L.V.Rabcewicz提出新奥地利隧道施工方法（即新奥法），其后还有应变控制理论、能量支护理论、轴变论、软岩工程力学支护理论等。近年来结合数值模拟技术， 可以对隧道变形进行初步的了解，提高设计的准确性，在施工技术、监测手段上 也取得较大的发展，复合式衬砌、超前支护等应用于隧道工程中，高精度、自动化、智能化的监测设备用于隧道变形和应力监测[1]。 1 隧道围岩大变形机理 1.1 软岩大变形的工程定义 目前对于围岩大变形尚未有明确的定性和定量判断依据，只是根据地质条件，以某一角度进行判断，而在实际的工程中，软岩大变形并未列入规范中。软岩区 隧道产生大变形与地质条件、时间、隧道的尺寸规模、埋深等有着密切关系，根 据以上的影响因素，本文对软岩大变形给出如下定义：软弱围岩在水（包括地下 水和地表渗水）的作用下，采取常规的支护设计，围岩产生塑性变形，且无法有 效控制，其变形量已经超过预留变形量或者规范的允许值，或者具有这种趋势， 当二衬施工工后一段时间内，变形仍不稳定，且导致衬砌结构开裂的现象称为软 岩大变形。 1.2软岩大变形机理 围岩产生大变形破坏取决于岩性，即岩体的性质、构造与结构，其次是围岩 的地质环境，即地应力、地下水分布等，与支护参数也有较大的联系。围岩大变 形发展机理可以归纳为以下几点： ⑴软岩流塑 隧道的开挖会改变围岩的应力状态，围岩的应力状态随开挖而调整，在此过 程中岩体中闭合的结构面会不断的张开，产生滑移，岩体进一步破碎，此时地下 水进入张开的结构面，进一步弱化岩体的强度，导致岩体呈流塑状态而产生较大 的周边收敛。 ⑵板梁弯曲 对于呈薄层状的围岩，在开挖后，其顶板变形呈弯曲状态，这一现象在高地 应力地区更为明显。隧道的法向应力降低而切向应力增加，层状的岩体发生横向 或者纵向挠曲，引起顶板和地板在垂直应力作用下引起顶板下沉和底板的隆起， 侧墙在侧向应力作用下产生较大的收敛。
软岩隧道大变形成因分析及处置措施 发表时间：2019-06-19T11:03:32.700Z 来源：《基层建设》2019年第8期作者：朱科[导读] 摘要：本文对软岩隧道大变形机理进行分析，详细介绍了软岩地区常见的支护设计和软岩区施工阶段的质量控制措施，以解决当前施工阶段出现的问题，以期为软岩区隧道建设提供借鉴和参考。中交公路规划设计院有限公司四川成都 610041摘要：本文对软岩隧道大变形机理进行分析，详细介绍了软岩地区常见的支护设计和软岩区施工阶段的质量控制措施，以解决当前施工阶段出现的问题，以期为软岩区隧道建设提供借鉴和参考。关键词：软岩隧道；大变形；成因分析；处置措施 0 引言 由隧道大变形引起的地质灾害屡见不鲜，困扰着软岩区隧道的建设。首例出现软岩大变形的隧道是1906年建成的新普伦隧道（全长19.8Km），比较有代表性的是奥地利陶恩隧道，施工期间产生50~120cm的变形，日最大变形量达到20cm。国内比较有代表性的有乌鞘岭隧道，拱顶沉降达到105cm，周边收敛达到103cm，而凉风垭隧道的周边收敛值达到197.25cm，此类的地质问题还有许多，软岩隧道不仅延长建设的周期，而且还会大幅增加工程造价。软岩隧道的支护理论有多种，20世纪初由Haim、Rankine等提出的古典压力理论，以及在之后提 出的塌落拱理论，这也是新奥法的理论基础，其核心是隧道围岩具有自稳能力，L.V.Rabcewicz提出新奥地利隧道施工方法（即新奥法），其后还有应变控制理论、能量支护理论、轴变论、软岩工程力学支护理论等。近年来结合数值模拟技术，可以对隧道变形进行初步的了解，提高设计的准确性，在施工技术、监测手段上也取得较大的发展，复合式衬砌、超前支护等应用于隧道工程中，高精度、自动化、智能化的监测设备用于隧道变形和应力监测[1]。 1 隧道围岩大变形机理 1.1 软岩大变形的工程定义目前对于围岩大变形尚未有明确的定性和定量判断依据，只是根据地质条件，以某一角度进行判断，而在实际的工程中，软岩大变形并未列入规范中。软岩区隧道产生大变形与地质条件、时间、隧道的尺寸规模、埋深等有着密切关系，根据以上的影响因素，本文对软岩大变形给出如下定义：软弱围岩在水（包括地下水和地表渗水）的作用下，采取常规的支护设计，围岩产生塑性变形，且无法有效控制，其变形量已经超过预留变形量或者规范的允许值，或者具有这种趋势，当二衬施工工后一段时间内，变形仍不稳定，且导致衬砌结构开裂的现象称为软岩大变形。 1.2软岩大变形机理围岩产生大变形破坏取决于岩性，即岩体的性质、构造与结构，其次是围岩的地质环境，即地应力、地下水分布等，与支护参数也有较大的联系。围岩大变形发展机理可以归纳为以下几点：⑴软岩流塑 隧道的开挖会改变围岩的应力状态，围岩的应力状态随开挖而调整，在此过程中岩体中闭合的结构面会不断的张开，产生滑移，岩体进一步破碎，此时地下水进入张开的结构面，进一步弱化岩体的强度，导致岩体呈流塑状态而产生较大的周边收敛。 ⑵板梁弯曲 对于呈薄层状的围岩，在开挖后，其顶板变形呈弯曲状态，这一现象在高地应力地区更为明显。隧道的法向应力降低而切向应力增加，层状的岩体发生横向或者纵向挠曲，引起顶板和地板在垂直应力作用下引起顶板下沉和底板的隆起，侧墙在侧向应力作用下产生较大的收敛。 ⑶结构性流变结构性流变典型的例子就是金川矿地下巷道大变形，这一问题在高地应力地区较为明显，隧道开挖后的数月乃至数年内，围岩的变形随着时间的增长而增长，呈现出显著的时间效应，这就是结构性流变。 ⑷松脱 松脱分为差异性松脱和累进松脱扩展，差异性松脱的代表性工程是位于四川的扯羊隧道，特点是地应力已经释放，围岩呈松散破碎状，变形发展较快，延伸至地表，累进松脱的代表隧道是木寨岭隧道，围岩经过浅表生改造作用，岩体破碎，但是地应力尚未完全释放，呈现松动圈累进扩展的特点。 2 软岩隧道支护设计 2.1软岩变形特点软岩的结构较为疏松、重度小、大孔隙率，弱胶结，节理裂隙发育、易膨胀等特点，软岩隧道开挖后的形变压力与支护设计是软岩工程的重要研究内容，根据对软岩隧道的监测结果，发现隧道在开挖后，围岩呈现出以下规律：围岩的变形与压力呈现出显著的阶段性、空间性；隧道的开挖面的压力分布规律与埋深有关，埋深越大压力越均匀；且易形成松动圈[2]。 2.2 支护结构作用机理软岩隧道的支护设计可以分为锚杆支护、挂网支护、喷混支护、注浆支护、钢架支护、混凝土二次衬砌支护等。 ⑴锚杆支护作用机理软岩区，锚杆结构是利用围岩自身的强度来完成支护，其主要的作用有：悬吊作用，即锚杆将松散即将掉落的岩块通过锚杆穿过塑性变形区悬吊在深层稳定而完整的岩体上；组合梁作用，对于层状岩体，锚杆可以将多层岩体连接，通过约束变形提高层间的摩阻力，形成组合梁结构；而加固作用则是将松散的岩体在浆液的作用下，连接挤压在一起，以提高围岩的强度。锚杆的长度应根据塑性区宽度确定，最短长度为1.5倍塑性区宽度[3][4]。 ⑵喷混作用机理喷混支护与围岩紧贴，可以一定程度上恢复围岩三维受力的状态，阻止其自由变形；混凝土填充节理裂隙，充填表面凹坑，增强围岩的咬合作用，提高围岩的强度；混凝土覆盖在围岩表面，可以起到防风化和止水的作用。 ⑶注浆作用机理