轴变论与围岩变形破坏的基本规律(于学馥)

山东科技大学
研究生创新基金项目
申请书
项目名称软岩巷道变形机制与支护计谋研究
项目负责人刘辉
所属学院(盖章) 资源与环境工程学院
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填表日期2020-07-05
山东科技大学研究生教育学院
二〇一〇年六月编制
填写要求
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隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施摘要：介绍软岩含义，简要分析隧道围岩变形机制，介绍国内外部分关于隧道变形的支护理论，列举了常见的支护措施及变形控制技术。

关键词：隧道软岩；力学机制；防治措施1软岩含义及力学特性关于软岩的含义至今仍然有多种解释。

1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩[1]，属于定性的规定。

国际岩石力学学会（ISRM）对软岩给出了定量的规定～定义软质岩为单轴抗压强度在0.5～25MPa的岩石。

近年来，在我国的水工、道路及矿山建设中，越来越多地涉及到软岩工程问题，大量工程实践提供了众多成功经验和失败教训，成为软岩技术发展的推动力。

孙钧教授总结软岩的基本特征是强度低，孔隙率高，容重小，渗水、吸水性好，易风化，易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效特性，认为高地应力地区的岩石蠕变将呈非线性性态发展。

2隧道围岩变形机理隧道围岩变形机理的研究进展和岩体力学的发展存在着紧密的关系。

在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。

关于大变形的形成机制，一般分为以下两类[2]：（1）坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放：从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场，我们称为一次应力状态。

坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。

如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不加任何支护，坑道即可自稳。

如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。

因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。

应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。

这是软弱围岩隧道设计施工的主要原则。

就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。

（2）岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。

隧道塌落拱的计算支护结构物在控制围岩的变形、松散或防止岩块坍塌的过程中，自身将受到由于围岩的变形或岩块坍塌所产生的力的作用。

我们把这种来自围岩的，作用在支护结构物上的力称做“山体压力”。

当山体压力作用于支护结构物时，支护结构物对图岩也产生了反作用力。

因此，这个概念反映了围岩与支护结构物之间的相互关系。

在地下工程的长期实践中人们发现，在一般随况下，围岩的这种坍塌是有一定限度的。

当坍塌致使洞室形状改变到一定程度时，将不再发展，即使不加支护，围岩自身亦可建立起新的平衡。

这也就是说，如果不加支护，洞空开挖前后围岩力学形态将经历“相对平衡——变形、破坏、坍塌——相对平衡”的过程，这种过程的最终产物就是“坍落拱”。

对此，有不少技术工作者总结了这种规律，并建立了一些简单的数学公式来描述不加支护情况下围岩最终坍塌的范围即坍落拱的形状。

主要有以下五种方法：1. 三角形公式如图a 示：（注：以下所有图示均以单线铁路隧道Ⅴ级围岩为例） 侧壁稳定时其高度为：ϕtg b h = 侧壁不稳定时其高度为：ϕϕtg b tg h +-︒⨯=)2/45(H h －坍落洪高；b －洞室跨度之半；H －隧道开挖高度；φ－岩体内摩擦角。

图a(单位：mm)2. 轴变论公式20世纪50年代末。

我国学者于学馥教授提出了轴变论，他提出了在二维应力场中，使围岩保持稳定的最佳洞形是具有一定轴比的椭圆。

1978年瑞合兹（） 和贝觉克门（）又从理论计算方面解决了这一问题。

从围岩稳定的观点选择最佳洞形，就是要找具有最小应力集中的洞形，这种洞形称为“谐洞”。

形成“谐洞”的条件为：如图b 所示。

λ1=qq －椭圆轴比；λ－围岩侧压力系数，据有关资料，当埋深小于500m 时，λ=～，松散软弱地层中，λ=～。

图b(单位：mm)塌落拱高度即为椭圆长轴，即：λab =a －椭圆短轴长，等于隧道开挖半径；b －椭圆长轴长。

3. 梯形公式包里索夫等人从层状岩体坍落后出现的块体平衡出发，认为在层状围岩中坍落拱的形状为一梯形，如图c 所示，其高度为：()a a L h h cos sin 1⨯+=式中：h －塌落拱高度，m ；L －洞室跨度,m ；a －层面倾角；图c （单位：mm ）δδζtg a nr h a L h i i n 2cos 04.0cos 1-=其中：ζ－压缩蠕变系数，可取ζ=～；h i －层厚，即层面间距,m ；n －承载能力安全系数，可取n =4；δn －抗压强度,N/cm 2；γi －岩体容重,t/m 3；δ－冒落边界与层面间的交角，根据试验资料，对坚硬裂隙性岩石当沉积深度不大和中等时，这个倾角δ等于60°～80°。

·······毕业设计(论文)开题报告学生姓名：··学号：···专业：城市地下空间工程设计(论文)题目：徐州九里山隧道设计指导教师: ·······年· 月·日1.结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文献综述1 前言随着社会的快速发展，城市化的区域越来越广，隧道在其中扮演着不可或缺的角色。

隧道是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通行的工程构筑物[1]。

它不仅是城市之间交流的联系通道，也是人们生活发展的基础之一。

然而应社会发展的需求，隧道建设安全性和耐久性的增强加大了隧道设计的难度。

隧道设计需要在隧道选线、纵断面设计、横断面设计、辅助坑道设计、洞门设计、开挖方法和衬砌类型的选择等设计中设计出最优方案，以此来达到提高作用效率、保护生态环境、充分利用地下空间、提高隐蔽性和防护性能、降低能耗等有利于社会可持续发展的目的。

由于特殊地形、地质条件的影响，隧道在通车后会出现结构开裂、渗漏、排水不畅等问题，甚至在施工中就回你发生坍塌事故。

而隧道中环向空间小、通道复杂，四周受围岩压力大，遇到事故时，无法及时处理会造成人身安全和经济问题。

因此需要充分的了解隧道设计中所存在的具体问题，在实践中完善并发展，以此保证隧道工程建设的质量安全。

2 研究现状2. 1 设计理论我国自改革开放后修建的隧道占总数的百分之九十六[2]，其主要原因是我国在二十世纪七十年代引入新奥法，并得到迅速推广，由此加快了隧道的建设路程。

隧道的结构设计理论起源于由1672年Kasper Weinde首先在匈牙利使用爆破法对矿山岩石巷道进行爆破[3]，至今经历了如下几个阶段：古典压力理论、弹塑性力学理论、新奥法理论、能量支护理论等。

煤矿软岩巷道工程支护的研究现状与展望孟庆彬;孔令辉;魏烈昌;申海龙;杨以明【摘要】煤矿软岩巷道工程支护,尤其是深部高应力软岩巷道支护,一直是矿业工程难点问题之一.随着矿井开采规模的增大和开采深度的不断加大,软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出,软岩问题愈趋严重,直接影响煤矿安全高效生产.软岩巷道支护问题的研究得到了国内外有关学者的高度关注,经过国内外专家大量的理论研究、现场试验与测试、实验室实验等手段,在软岩巷道工程支护理论和支护技术方面取得了大量的研究成果.在分析和总结煤矿软岩巷道支护常用支护技术的基础上,提出高强度锚杆、锚注支护及联合支护将成为软岩巷道支护新的发展形式.【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2011(020)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】软岩巷道;支护;研究现状;展望【作者】孟庆彬;孔令辉;魏烈昌;申海龙;杨以明【作者单位】山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510;山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510;山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510;兖矿集团,济宁三号煤矿,山东,济宁,272169;兖矿集团,济宁三号煤矿,山东,济宁,272169【正文语种】中文【中图分类】TD353煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成部分。

软岩工程[1]是指与塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，如软岩边坡工程、软岩隧道工程及软岩巷道工程等。

由于软岩巷道工程所处的复杂工程地质条件，其支护问题一直是困扰煤炭生产的一个主要问题。

随着开采深度的增加，软岩矿井的数量也在不断增多，由于软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不仅造成巨大浪费, 而且使整个矿井陷于困境, 甚至关闭。

因此，软岩工程问题引起岩石力学工程界、矿业开采界的重视和关注。

经过国内外专家大量的理论研究、现场试验与测试、实验室实验等手段，在软岩巷道工程支护理论和支护技术方面取得了大量的研究成果[2,3]。

软岩巷道围岩变形破坏规律研究
牛学良;高延法;张庆松
【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2001(010)002
【摘要】我国煤矿软岩巷道支护问题是煤矿开采等地下工程维护中的一大技术难题,而巷道底鼓又是巷道围岩变形破坏的一种主要形式,大量的实测资料表明,在巷道顶底板移近量中约有2/3～3/4是由底鼓造成的,强烈的巷道底鼓不仅带来了大量的维修工作,增加了巷道的维护费用,同时,底板的稳定性显著影响着巷道两帮及顶板的变形与破坏,危及矿井安全生产.因此,它越来越引起采矿工程和岩石力学界的高度重视.采用现场实测和数值计算相结合的方法,探讨了软岩巷道的变形规律及破坏特点,得出了一些规律性的认识,对现场巷道支护具有一定的指导意义.
【总页数】3页(P16-17,28)
【作者】牛学良;高延法;张庆松
【作者单位】山东科技大学,山东,泰安,271019;山东科技大学,山东,泰安,271019;山东科技大学,山东,泰安,271019
【正文语种】中文
【中图分类】TD31
【相关文献】
1.软岩巷道围岩变形破坏规律研究 [J], 刘仲明;李功;李卫东
2.深部软岩巷道围岩变形破坏的相似模拟试验 [J], 赵志伟;王卫军;袁越;肖宇;黄聪;
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3.软岩巷道围岩变形破坏特点及其影响因素 [J], 曾宪荣
4.深部高应力软岩巷道围岩变形破坏常见问题及控制措施探析 [J], 阴雷彪
5.深部高应力软岩巷道围岩变形破坏常见问题及控制措施探析 [J], 阴雷彪
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塌落拱的计算2007-4-1中铁十二局集团第四工程有限公司剧仲林隧道塌落拱的计算支护结构物在控制围岩的变形、松散或防止岩块坍塌的过程中，自身将受到由于围岩的变形或岩块坍塌所产生的力的作用。

我们把这种来自围岩的，作用在支护结构物上的力称做“山体压力”。

当山体压力作用于支护结构物时，支护结构物对图岩也产生了反作用力。

因此，这个概念反映了围岩与支护结构物之间的相互关系。

在地下工程的长期实践中人们发现，在一般随况下，围岩的这种坍塌是有一定限度的。

当坍塌致使洞室形状改变到一定程度时，将不再发展，即使不加支护，围岩自身亦可建立起新的平衡。

这也就是说，如果不加支护，洞空开挖前后围岩力学形态将经历“相对平衡一一变形、破坏、坍塌――相对平衡”的过程，这种过程的最终产物就是“坍落拱”。

对此，有不少技术工作者总结了这种规律，并建立了一些简单的数学公式来描述不加支护情况下围岩最终坍塌的范围即坍落拱的形状。

主要有以下五种方法：1.三角形公式如图a示：（注：以下所有图示均以单线铁路隧道V级围岩为例）侧壁稳定时其高度为:btg侧壁不稳定时其高度为:h H tg(45 ⑵ btgh—坍落洪高；b-洞室跨度之半;2. 轴变论公式20世纪50年代末。

我国学者于学馥教授提出了轴变论， 他提出了在二 维应力场中，使围岩保持稳定的最佳洞形是具有一定轴比的椭圆。

瑞合兹（） 和贝觉克门（）又从理论计算方面解决了这一问题。

从围岩稳定的观点选择最佳洞形，就是要找具有最小应力集中的洞形, 这种洞形称为“谐洞”。

形成“谐洞”的条件为：如图b 所示。

q —椭圆轴比;入—围岩侧压力系数，据有关资料，当埋深小于 500m 时，入二〜，松散软弱地层中，入=H-隧道开挖高度; © —岩体内摩擦角。

kJ"1U8脚霽kiT-_ OIT图a （单位：mm ）1978 年图b（单位：mm）塌落拱高度即为椭圆长轴，即：b旦a-椭圆短轴长，等于隧道开挖半径；b—椭圆长轴长。