国外研究现状.doc

1. 国外研究现状 1 古典压力理论 20世纪初发展起来的以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典压力理论认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量γH。其不同之处在于海姆认为侧压系数为1，朗金根据松散理论认为是tan245–φ/2，而金尼克根据弹性理论认为μ/1–μ，其中μ、φ、γ分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和体积质量。 2 坍落拱理论 随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面都不符合实际之处，于是，坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基和普氏理论。坍落拱理论认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。太沙基认为坍落拱形状为矩形，而普氏则认为坍落拱形状呈抛物线形。坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。 20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的是芬纳公式和卡斯特纳公式。 3 新奥法 20世纪60年代，奥地利工程师L. V. Rabcewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法，简称新奥法。 新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，米勒教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。 1980年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为在岩体和土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支撑环。 新奥法自奥地利起源之后，先后在欧洲诸国，特别是意大利、挪威、瑞典、德国、法国、英国、芬兰等大量修建山地与城市隧道的国家得以应用于发展，然后，世界各国，特别是亚洲的日本、中国、印度；北美的美国、加拿大；南美的巴西、智利；非洲的南非、莱索托以及大洋洲的澳大利亚、新西兰等国都成功地把它应用于一些不同地质情况下的隧道施工之中，并且从最初的隧道施工扩展到采矿、冶金、水利电力等其它岩土工程领域。 虽然新奥法的应用已如此广泛，但不同的应用者对它的解释还存在着许多矛盾。实际工程中存在着一种倾向，就是盲目地把新奥法应用于不适宜的地质条件，从而使这些巷道工程出现这样或那样的问题。这种情况在中国也同样存在尤其是煤矿，人们对软岩的物理含义和力学性质理解不够、对利用仪器进行巷道变形及荷载测量的重要性认识不足，不仅时常出现不合理的套用新奥法理论来解释煤矿采动影响巷道、极软弱膨胀松散围岩巷道的支护机理，而且也出现过因应用新奥法不当，而造成锚喷或锚喷网支护的巷道大面积跨落、坍塌等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。 4 应变控制理论 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为隧道围岩的应变随支护结构的增加而减小，而允许应变则随支护结构的增加而增大。因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许应变范围内。支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。 5 能量支护理论 20世纪70年代，萨拉蒙等又提出了能量支护理论，该理论认为支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。 6 数值计算法 目前，数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以此为理论基础的计算软件大量涌现，如ADINA、NOLM、FINAL、UDEC、SAP、FLAC等程序都为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工程支护中得到了广泛的应用。 2. 国内研究现状 中国软岩巷道支护系统工作开始于1958年春，北京市西部九龙山向斜北翼安家滩井田西部近向斜长轴处，木支架大巷遇到灰黑色泥岩，发生强烈底膨，后改用五节棚支护，再加底梁，均无效，巷道失稳而报废。自此上报，提出软岩支护难题。后开发辽宁的沈北矿区，在前屯矿建设时出现井口大变形，支护挤裂，无法继续掘进，停工维修，前掘后塌，停掘返修，工程难前进而报废，以致停工数年。此后，该矿区的蒲河矿、大桥矿、平庄矿区红庙矿也出现重大软岩技术事故。为此，煤炭部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术力量，在前屯矿二、三井和红庙进行了多种巷道支护形式的试验和测试工作，在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面都取得了初步经验。 20世纪80年代以来，与软岩工程相关的全国性会议召开了20余次，对地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。中国煤矿矿压专业委员会软岩分会召集全国的软岩科研、施工、生产各方面的专业人员进行交流，起到了很好的组织、交流、提高作用。特别是20世纪90年代初，中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技术研究推广中心成立，更为软岩工程理论与技术的交流与推广，创造了良好的条件。 1 岩性转化理论 中国著名岩土工程专家陈宗基院士在20世纪60年代从大量工程实践中总结出岩性转化理论。该理论认为同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境工程条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。坚硬的花岗岩，在高温高压的工程条件下，产生了流变、扩容，并指出，岩块的各种测试结果与掩体的工程设计应有明显的区别。强调岩体是非均质、非连续的介质，岩体在工程条件形成的本构关系绝非简单的弹塑、弹黏塑变形理论特征。 2 轴变论理论 于学馥教授等提出轴变论理论，认为巷道坍落可以自行稳定，可以用弹塑性理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落是改变巷道轴比，导致应力重分布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。近年来，于学馥教授等运用系统论、热力学等理论提出开挖系统控制理论。该理论认为开挖扰动怕破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有组织功能。 3 联合支护理论 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发展起来的，其观点可以慨括为对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。 4 锚喷–弧板支护理论 孙均、郑雨天和朱效嘉教授等提出的锚喷–弧板支护理论是对联合支护理论的发展。该理论的要点是对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。 5 松动圈理论 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容凡是坚硬围岩的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 6 主次承接区支护理论 主次承接区支护理论是由方祖烈教授提出的。该理论认为巷道开挖后，在围岩中形成拉压域；压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳定的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到位。 7 应力控制理论 应力控制理论，也称为围岩弱化法、卸压法等。该方法起源于前苏联，其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，以此来提高围岩稳定的一种方法。 8 软岩工程力学支护理论 软岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论。它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非线性大变形力学设计方法等内容。 设计方法 1. 工程类比方案设计 工程类比的根据是系统的、可靠地基础资料，主要包括围岩的性质、水文、工程地质资料，岩石的物理、化学、力学性质以及工程环境资料，类似地质条件相邻矿井的支护及周围变形的有关资料，在对这些资料、工程条件分析的基础上进行类比方案设计。 2. 理论验算进行参数校核 理论验算是根据软岩工程岩体和环境的有关资料确定软岩类别、岩体结构、地压显现类型，建立正确的力学模型和计算方法。通过验算巷道周边位移预计、支架的最大反力及支护结构力学参数等，从整体上验算类比法所选取的支架类型和支架设计参数是否符合巷道围岩变形规律。随着电子计算机和各种计算软件的迅速发展，使理论验算校核类比参数变得更加高效、快捷。 3. 施工监测与反馈设计 根据软岩工程的现场试验观测数据，进行有关工程参数的高速反馈十分重要。巷道开工后立即加以实验、监测等十分必要的，监测的主要内容①岩石的物理力学性质确定；②软岩巷道收敛变形规律；③巷道围岩施加于支护上的实际荷载；④典型地段的巷道围岩深部位移。 对上述实测资料分析整理，然后调整工程设计参数，使设计更加完善。 4. 软岩非线性大变形力学设计 近几年，随着非线性理论的发展和对软岩工程的深入研究，软岩工程正面临着从小变形岩土工程向大变形岩土工程的飞跃。例如，深埋隧道工程的大变形岩土工程的大量涌现，若仍然沿用常规设计，就可能发生失稳、塌方等事故。深刻的理论原因是深埋隧道区别于浅埋隧道的显著力学标志是大变形、大地压、难支护。近年来，屡屡发生的岩土工程恶性事故也在呼唤着软岩工程设计的新阶段非线性大变形力学设计方法。 5