深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念.pdf

第 21 卷 第 8 期 岩石力学与工程学报 218 12151224 2002 年 8 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.2002 2001 年 11 月 12 日收到初稿2002 年 1 月 12 日收到修改稿 * 国家杰出青年基金资助项目59825114 和香山科学会议175 次特邀报告 作者 何满潮 简介男45 岁博士1982 年毕业于长春地质学院现任教授博士生导师主要从事岩石力学理论及工程方面的教学与研究工 作 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念* 何满潮 12 吕晓俭3 景海河12 1中国地质大学工程技术学院 北京 100083 2黑龙江科技学院 鸡西 158105 3中国矿业大学北京校区 北京 100083 摘要 资源人口和环境是 21 世纪的主旋律随着资源开发和工程建设的不断发展开挖深度日趋加深数千 米深的地下工程屡见不鲜随之出现了深部围岩独特的力学特性以及对经典理论的严峻挑战综述了国内外关于 深部围岩特性和设计方法的研究现状并提出了今后的发展方向 关键词 深部工程围岩特性非线性力学非线性动态力学设计 分类号 TU 457TD 31 文献标识码 A 文章编号 1000-6915200208-1215-010 1 深部工程及其分类 深部工程总是伴随着深部采矿工程和深部隧道 工程的不断深入发展为了建立深部工程的概念 笔者把国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深 度作为进入深部工程的界限即假设覆岩的容重为 25 kN/m3则硬岩发生软化的临界深度为 500 m 因此将大于 500 m 深度范围的地下工程称为深部工 程把小于 500 m 的范围的地下工程称为浅部工 程 依据不同深度出现的岩石力学破坏现象采矿 中的排水系统特点和井璧结构特点将深部工程分 为 3 类即较深工程超深工程和极深工程 各类工程的特点如表 1 所示 2 深部工程的现状 深部工程尤以采矿工程深度最大如表 2 所 示我国煤矿开采的最大深度已到 1 070 m南非 金矿开采深度达 3 800 m[1]据预测南非在 2010 年深度达 3 000 m 的矿井将占30[1]因此南 非工程技术人员已开始了 3 5005 000 m 深度区段 的极深地下采矿工程的研究[2 4] 其应力水平大致 为 95135 MPa假定岩石容重为 27 kN/m3在如 此 深的地层深部进行采矿开挖工程人类尚无这方面 的知识和经验因此了解深部工程围岩的动力学 特性探讨深部围岩稳定性控制技术以及非线性动 态力学设计问题极为重要 3 深部矿山岩体地球物理特征 深部岩体力学特征决定于深部地球物理场特 征即主要是地应力场地温场和地下水渗流场的 变化特征 3.1 应力场特征 据已有的地应力资料显示深部岩体形成历史 久远留有远古构造运动的痕迹其中存有构造应 力场或残余构造应力场二者的叠合累积为高应 力在深部岩体中形成了异常的地应力场据南 非地应力测定深度为 3 5005 000 m 时地应力 水平为 95135 MPa在如此高的应力状态下进行 工程开挖确实面临严峻挑战[5] 3.2 温度场特征 根据量测越往地下深处地温越高地温梯 度一般为 30 C/km50 C/km 不等常规情况下的 地温梯度为 30 C/km有些地区如断层附近或导热 率高的异常局部地区地温梯度有时高达 200 C/km岩体在超出常规温度环境下表现出的力 学变形性质与普通环境条件下具有很大差别地 温可以使岩体热胀冷缩破碎而且岩体内温度变化 1 C 可产生 0.40.5 MPa 的地应力变化据文献 记载 万方数据 1216 岩石力学与工程学报 2002 年 表1 深部工程分类及其特点 Table 1 Classification of deep engineering and its characters 围岩变形破坏特征工程特征 工程类型 深度 / m 能量场 特征 泥质岩类泥质钙 质胶结砂岩类 铁质硅质胶结砂岩类 结晶岩类 排水工程 及其特点 井壁结构特征 浅部工程500保守场小变形很少破坏现象1 级排水单层结构 较深5001 000耗散场大变形零星岩爆12 级排水双层结构 超深1 0002 000显著大变形局部岩爆23 级排水多层结构 深部 工程 极深2 000严重大变形区段岩爆多级排水复合层结构夹层结构 表2 国内外典型深部工程 Table 2 Typical deep engineerings in the world 岩石力学破坏现象 开挖工程 深度 / m 泥质岩类泥质胶结砂岩铁质硅质胶结砂岩类结晶岩类 作者 新汶局华丰矿9001 070 大变形 大变形显著大变形 零星局部岩爆He1999 TauTona Gold Mine2 0973 456区段岩爆与矿震F. Russ1999 Witwater Srand Gold Mine3 0003 800区段岩爆与片帮D. Hbiering2000 Kloof Gold Mine3 0003 500 挤出大变形 泥质石英砂岩 D. F. Malam1998 Gotthard Tunnel2 0002 700严重大变形区段岩爆P. E. gger2001 Yang-Yang power station500挤出大变形岩爆Lee2001 100 a 前在建期间18981905年的 Simplon 地铁 隧道瑞士意大利全长 19.8 km的岩体温度为 56 C[6]岩体温度升高产生的地应力变化对工程岩 体的力学特性会产生显著的影响 3.3 渗流场特征 在常规条件下裂隙岩体的水渗流符合达西定 律在地下深处的岩体由于高地应力高地温等 的影响水的渗流和对岩体的力学影响具有不同一 般的特点有时甚至会引起地质灾害我国开滦矿 区目前开采深度已超过千米1984 年发生岩溶突 水瞬时水量 2 053 m3/min长期水量 300 m3/min 淹没了两个矿井损失数亿元人民币1996 年 3 月 31 日欧洲 AIP Gotthard 穿山隧道在 9 MPa 压力作用下1 400 m3的泥石流 3 h 之内从长为 40 m直径为 10 cm 的试验钻孔内冲入隧道给施工 设备和人员造成了很大的危害非常庆幸的是3 h 之 后钻孔自动淤死从而逃避了一场灭顶之灾 4 深部工程岩体变形破坏特征 深部工程岩体分为 3 类1 泥质岩类泥质 或钙质胶结的砂岩类2 铁质或硅质胶结的砂岩 类结晶岩类3 结构面岩体 泥质岩类泥质或钙质胶结的砂岩类在浅部时 主要表现为在水的作用下发生膨胀变形在深部状 态下则表现为挤出大变形 铁质或硅质胶结的砂岩类结晶岩类在浅部状 态时基本无变形处于线弹性工作状态在深部状 态下表现为岩爆和片帮结构面岩体在深部状态下 主要表现为结构面法向拉-压大变形和沿结构面剪 切大变形 纵上所述深部工程岩体的破坏特征主要分为 两类猛烈的岩爆破坏和相对缓慢的塑性大变形 包括挤出-膨胀大变形结构面拉压大变形和剪切 大变形 5 岩爆问题及其理论研究 岩爆也叫冲击地压是世界范围内煤矿及岩石 工程遇到的最严重的自然灾害之一是目前国际深 部采矿工程和岩石工程中迫切需要解决的难题其 详细的发生机理尚没有完全清楚但按煤岩体的失 稳类型可分为压缩冲击地压剪切冲击地压和拉 万方数据 第 21 卷 第 8 期 何满潮等. 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念 1217 伸冲击地压[7]它是一种瞬间发生的岩体脆性破 坏它必须满足一定的应力积累和一定范围内的能 量积聚在巷道周边围岩和矿柱存在高应力区是岩 爆发生的先决条件 对于岩石弹射和岩石冒落两种破坏形式而言 外部因素占了主导地位因此寻找和适当控制外因 就成为防止这两种破裂形式的关键所在但是随着 开采深度的不断增加特别当开采深度超过千米 时仅重力引起的地应力即已接近或超过岩体的单 轴压缩强度高应力及岩石内部存储的大量应变能 使岩石突出这种岩石破裂的形式日益频繁而对于 深部开采而言这种情形又是无法避免的隐患据 不完全统计截止到 1998 年 10 月止仅在我国煤 矿发生冲击地压的矿井已达 68 座造成很大损失 目前岩爆机理尚不完全明了使得预防和预测这种 岩石破裂形式颇有难度岩爆产生机理研究在深部 岩体稳定性研究中一直是热点基本的研究成果体 现在形成机理和预测准则两方面 通过长期的探索提出冲击地压的形成机理不 下几十种较有代表性的有 1 单纯强度理论早期南非的冲击地压研究 者认为冲击地压是局部应力超过了煤岩强度而发生 的显然应力超过强度只是其中因素之一 2 单纯能量理论由于单一强度理论不能完 全反映其机理文[8]在对金矿的冲击地压研究中 发现在采矿过程中能量的增加率超过能量的耗 散能力时发生了冲击地压因此就认为单纯的能 量控制了冲击地压的发生能量理论解释了有关冲 击地压现象但把煤岩体看成纯的弹性体这与实 际是有区别的 3 刚度理论文[249]通过实验和井下矿 柱的对比对井下单个矿柱的冲击地压研究发展了 刚度理论文[1011]将其发展到研究多个矿柱冲 击地压计算该理论只适用于矿柱问题 4 倾向性理论文[1214]通过试验和调查 认为产生冲击地压是煤岩固有的性质并把这种 固有的性质称为冲击倾向性提出了衡量这种倾向 性强弱的两个指标弹性指数和冲击能量指数当 这两个指标大于某个值时就会产生冲击地压但 在实践中发现冲击倾向性大的煤岩出现冲击地压 的次数并不比倾向性小的煤岩次数多因此这一 理论存在明显的不足 除此以外还有材料失稳理论[15 16] 冲击波 引发理论[17 19] 损伤断裂理论突变理论结构 效应理论峰后应变软化理论[20 22]等等 不一而 足 在岩爆的预测方面文[23]提出了冲击启动的 能量准则和扰动响应准则文[72425]提出了 位移扰动准则文[26]提出了等效剪切模量准则 几十年来国内外大量的学者对岩爆的研究 考虑到的内部因素包括岩石强度弱面分布的随机 性能量积聚等外部因素包括高地压作用地震 波扰动等应该说已取得了巨大的研究成果但 到目前为止各种理论之间很难统一缺乏普遍意 义各种理论的共性就在于都认为岩爆与力有关 与能量有关并且立足于现在即从岩体现存环境 现有性质目前体现的结构出发这无疑是没有错 的但任何现象都是本质的表象冲击地压的产生 同样是原于岩体内在本质岩体的本质决定于岩体 的矿物成分细观甚至微观结构煤岩成岩的初期 环境和成岩过程外界所施加的各种影响 6 深部软岩非线性大变形理论 在深部巷道围岩受地压作用下除脆性岩体产 生岩爆外另一种表现是围岩体软化从而进入大 变形软岩状态在我国地下煤矿中随着开采深度 的加大绝大部分煤矿都出现了软岩灾害深部软 岩灾害导致矿井停产停建屡见不鲜造成隧道 涵洞无法使用的情况在水电铁路等方面经常见 到深部软岩巷道围岩的地压表现特征是其在工程 应力的作用下产生显著的塑性大变形 深部软岩及其岩层地压的研究经历了一个曲折 的过程[23 2633] 在上世纪 90 年代末期中国煤矿 软岩中心提出了地质软岩和深部工程软岩定义明 确了在软岩工程地压研究中的许多基本概念以此 为基础该中心研究了岩体软化临界深度软化临 界荷载等一系列的有关软岩问题形成了比较系统 完整的软岩非线性大变形理论[9 3233] 6.1 深部软岩的概念及其分类 软岩可分为地质软岩和工程软岩地质软岩由 ISRM国际岩石力学学会 19901993定义是指 单轴抗压强度为 0.525 MPa 的一类岩石 国际岩石力学学会的软岩定义用于工程实践中 会出现一些矛盾如巷道所处深度足够的浅地应 力水平足够的低则单轴抗压强度小于 25 MPa 的 岩石也不会产生软岩的特征工程实践中采用比 较经济的一般支护技术即可奏效相反大于 25 万方数据 1218 岩石力学与工程学报 2002 年 MPa 的岩石其工程部位所处的深度足够的深 地应力水平足够的高也可以产生软岩的大变形 大地压和难支护的现象因此地质软岩的定义不 能用于工程实践故而提出了深部工程软岩的概 念 深部工程软岩是指在工程力作用下能产生显著 塑性变形的单轴抗压强度大于 25 MPa 的工程岩 体 如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软 弱松散等低强度的特点那么深部工程软岩定 义不仅重视软岩的强度特性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深部软岩的相对 性实质即深部工程软岩要满足的条件为 ][ ][ UUσσ 1 式中σ 为工程荷载MPa[σ ]为工程岩体强度MPa U 为巷道变形mm[U]为巷道允许变形mm 该定义的主题词是工程力显著塑性变形和工 程岩体 工程岩体是深部软岩工程研究的主要对象是 巷道开挖扰动影响范围之内的岩体包含岩块结 构面及其空间组合特征 工程力是指作用在工程岩体上的力的总和它 可以是重力构造残余应力水的作用力和工程扰 动力以及膨胀应力等 显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量 超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正 常使用显著塑性变形包含显著的弹塑性变形粘 弹塑性变形连续性变形和非连续性变形等 此定义揭示了深部软岩的相对性实质即取决 于工程力与岩体强度的相互关系当工程力一定 时不同岩体强度高于工程力水平的大多表现为 硬岩的力学特性强度低于工程力水平的则可能表 现为深部软岩的力学特性而对同种岩石在较低 工程力的作用下表现为硬岩的小变形特性在较高 工程力的作用下则可能表现为深部软岩的大变形特 性根据工程深部软岩的特性差异及产生显著塑性 变形的机理深部软岩可分为四大类即膨胀性深 部软岩高应力深部软岩节理化深部软岩和复合 型深部软岩见表 3 6.2 深部软岩变形力学机制 根据理论分析和大量的工程实践初步将深部 软岩的变形力学机制归纳为 3 大类即物化膨胀类 I应力扩容型类和结构变形类各类中 又依据引起变形的严重程度分为 ABCD 四 个等级共 13 亚类如图 1 所示显然I 类机 制与深部软岩本身分子结构的化学特性有关II 类 机制与力源有关III 类机制则与硐室结构与岩体 结构面的组合特性有关这三类机制基本概括了深 部软岩膨胀变形的主要动因 表3 深部软岩分类 Table 3 Classification of deep soft rock 深部软岩 名称 泥质成分 含量 塑性变形特点 膨胀性 深部软岩 25 在工程力作用下沿片架状硅酸盐粘土矿物产 生滑移遇水显著膨胀等 高应力 深部软岩 25 遇水发生少许膨胀在高应力状态下沿片架 状粘土矿物发生滑移 节理化 深部软岩 沿节理等结构面产生滑移扩容等塑性变形 复合型 深部软岩 具有上述某种组合的复合型机理 6.3 深部工程软岩产生大变形的原因及支护对策 6.3.1 深部软岩工程产生大变形的原因 深部软岩巷道之所以具有大变形大地压难 支护的特点是因为深部软岩巷道围岩并非具有单 一的变形力学机制而是同时具有多种变形力学机 制的并发症和综合症复合型变形力学 机制复合型变形力学机制是深部软岩变形和破坏 的根本原因 6.3.2 深部软岩工程支护对策 如果说浅部工程使用单一支护形式可以奏效的 话那么要想有效地进行深部软岩巷道支护单一 的支护方法难以奏效必须采取对症下药的符 合这种 综合症并发症 特点的联合支护方法 为此要对深部软岩巷道实施成功支护须运用 3 个技术关键 1 正确地确定深部软岩变形力学机制的复合型 2 有效地将复合型变形力学机制转化为单一型 3 合理地运用复合型变形力学机制的转化技术 不同的变形力学机制类型有不同的支护技术对 策要点而且深部软岩巷道变形力学机制类型的共 性是具有并发症和综合症的复合型因此 支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一 型由于各深部软岩综合症的内在变形力学机 制不同其转化的对策有所不同对应的转化技术 也不同因此要做好深部软岩支护工作除了正 确地确定深部软岩巷道变形力学机制类型有效地 万方数据 第 21 卷 第 8 期 何满潮等. 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念 1219 图 1 深部软岩巷道变形力学机制及分类 Fig.1 The deation mechanism and its classification of deep soft rock tunnel 转化复合型的变形力学机制之外还要十分注重并 合理地运用复合型向单一型转化技术即与深部软 岩变形过程中每个支护力学措施的支护顺序时 间效果密切相关每个环节都将是十分考究必 须适应其复合型变形力学机制特点只有这样才 能保证支护做到对症下药才能保证支护成功 6.3.3 深部软岩工程支护原则 深部软岩工程支护对策可概括为 4 条1对 症下药原则2 过程原则3 塑性圈原则 4 优化原则 1 对症下药原则 由于深部软岩工程具有多种复合型变形力学机 制因此深部软岩巷道支护要对症下药没 有包治百病的支护方法深部工程的软岩多种 多样即使宏观地质特点类似的深部软岩微观上 也干差万别构成深部软岩的复合型变形力学机制 类型亦多种多样不同的变形力学机制深部软岩 工程的变形和破坏状况不同对应的支护对策也不 同只有正确地确定深部软岩的变形力学机制找 出造成深部软岩工程变形破坏的病因才能通 过对症下药的支护措施达到深部软岩支护工 程的稳定 2 过程原则 深部软岩巷道支护是一个过程不可能一蹴而 就究其本质原因主要是因为深部软岩工程的变 形与破坏是具有复合型变形力学机制的综合症 和并发症要对深部软岩工程稳定性实行有效 控制必须有一个从复合型向单一型的转 化过程 这一过程的完成是依靠一系列 对症下药 的支护措施来实现的 3 塑性圈原则 和浅部工程支护的指导思想不同深部软岩工 程支护必须允许出现塑性圈浅部工程支护是力求 控制塑性区的产生最大限度地发挥围岩的自承能 万方数据 1220 岩石力学与工程学报 2002 年 力深部软岩工程支护是力求有控制地产生一个合 理厚度的塑性圈最大限度地释放围岩变形能这 是由深部软岩的成因历史成岩环境成分结构 岩石力学特性及深部应力环境等特点所决定的 对深部软岩工程稳定性控制来讲塑性圈的出 现具有三个力学效应大幅度地降低变形能减少 了切向应力集中程度改善了围岩的承载状态应 力集中区向深部偏移而内部围岩处于三向受力状 态承载能力较强 塑性圈不能任意自由地出现必须从两个方面 加以控制 控制变形速率变形速率越慢围岩在保 持原有强度的前提下允许变形量越大释放的变 形能越大 控制差异性变形煤系地层中软弱夹层的 发育具有普遍性软弱夹层等结构面具有差异性变 形的力学特点必须加以控制才能出现均匀的塑 性圈使支架承受均匀荷载 这里要建立一个很重要的岩石力学概念即 浅部工程的塑性圈可以看作松动圈而深部软岩工 程的塑性圈不一定是松动圈人们的任务就是要寻 求一个最佳塑性圈厚度对深部软岩巷道支护来 讲即寻求不失去塑性承载能力不产生松动圈的 塑性圈临界厚度 4 优化原则 一个优化的深部软岩工程支护要同时满足三 个条件 能充分地释放围岩变形能 能充分地保护围岩的力学强度 使支护造价小而工程稳定性好 这个力学过程目前已可以用计算机 CAM自动 监控分析技术来实现 上述 4 个原则互为印证相辅相成构成了深 部软岩工程稳定性控制原则 6.4 深部软岩工程关键部位耦合支护理论 6.4.1 关键部位的概念 大量工程实例和研究表明深部工程软岩的 破坏是一个渐进的力学过程总是从某一个或几个 部位开始变形损伤破坏进而导致整个支护体 失稳这些首先破坏的部位称为关键部位 6.4.2 关键部位产生的力学机理 关键部位的产生是深部巷道围岩和支护相互 作用的工程力学破坏现象其机理是深部软岩巷道 已进入非线性塑性大变形阶段变形场是非线性力 学场深部软岩巷道的支护与围岩相互作用后出现 关键部位的机理颇为复杂但一般来讲关键部位 就是深部软岩发生大变形后局部应力场变形场 不协调的部位可分为四种类型如图 2 所示 图 2 关键部位的产生机理 Fig.2 The ing mechanism of key part I 型关键部位是指支护体和围岩的强度不耦 合非均匀的荷载作用在等强的支护体上形成局 部过载产生局部破坏最终导致支护体失稳 II 型关键部位是指支护体和围岩的刚度正向不 耦合支护体刚度小于围岩刚度围岩产生的过量 变形得不到限制 使围岩剧烈变形损伤 强度降低 从而将其本身所承担的荷载传递到支护体上形成 局部过载而产生破坏 III 型关键部位是指支护体和围岩的刚度负向 不耦合支护体刚度大于围岩刚度围岩的膨胀性 等能量不能充分转化为变形能而释放造成局部能 量聚集使支护体局部过载而首先产生破坏 IV 型关键部位的支护体和围岩结构变形不耦 合支护体产生不均匀的变形围岩中的结构面如 软弱夹层层理面断层面节理面等产生差异 性滑移变形使支护体局部发生破坏 6.4.3 关键部位的特征 通过对各种类型的巷道位移测试曲线分析 关键部位的变形特征均是不稳定的变形曲线包 括减速-加速变形型缓慢减速变形型减速-恒 速-加速变形型减速稳定型前三种曲线类型都 是关键部位的变形曲线特征类型通过研究提出 了工程裂纹反分析理论并用之确定需要耦合支护 的关键部位工程裂纹反分析的理论可表述为地 下巷道工程是封闭性工程在工程荷载作用下在 出现明显的变形之前巷道工程时常在一些局部出 现细小的工程裂纹根据裂纹的力学性质拉压 剪扭弯复合力学性质压扭性张扭性等和 裂纹体系的配套关系可以推得产生裂纹部位的工 程荷载性质及整个巷道工程的工程荷载组合特征 结构面不连续变形 支护体连续变形 不连续变形部位 首 先 破 坏 结构不耦合 巷 道 破 坏 失 稳 软 岩 支 护 相 互 作 用 不均匀的支护荷载 均匀的支护强度 过载区局部 首 先 破 坏 强度不耦合 刚度不耦合 支护 荷载 增加 围岩强度恶化 能量不断积聚 正向不耦合ESER 负向不耦合ESER - 万方数据 第 21 卷 第 8 期 何满潮等. 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念 1221 据此不仅可以进行耦合支护对策设计而且可确 定出合理的耦合支护的顺序 在巷道的关键部位工程裂纹的出现时常伴 随着高应力腐蚀现象即在支护体关键部位产生鳞 片状 片状支护体剥落 高应力腐蚀分为四个阶段 鳞状剥落阶段片状剥落阶段块状崩落塑性铰 出现阶段和结构失稳崩塌垮落阶段 6.4.4 关键部位耦合支护的时间 研究表明最佳支护时间段就是鳞片状剥 落的高应力腐蚀现象出现的时间根据现场调查研 究张性张扭性裂缝宽度达到 13 mm即已 进入耦合支护的时间巷道表面各点变形量达到设 计余量的 60即进入耦合支护的时间 另外现场具体施工中可以根据时间-位 移U-t曲线进行判定通过对巷道表面位移 的监测可以判定巷道表面位移变化速率由 快到趋于平缓的拐点 T0附近作为二次支护的 最佳支护时间 6.5 深部软岩大变形非线性力学设计方法 建立在经验和经典线性力学基础 上的现行设 计规范只适合于浅部小荷载下的巷道支护设计在 进入深部大荷载大变形深部软岩状态的深部软 岩巷道支护设计时必须采用以深部软岩非线性力学 为理论基础的深部软岩巷道支护设计方法[32 34] 非线性大变形力学区别于线性小变形力学是其 研究的大变形岩土体介质已进入到塑性粘塑性和 流变性的阶段在整个力学过程中已经不服从叠 加原理而且力学平衡关系与各种荷载特性加载 过程密切相关因此其设计不能简单地用参数设 计来进行 非线性力学的这些特点决定了非线性力学的设 计比较复杂应充分考虑各种因素采用如下设计 过程 1 对策设计首先分析和确认作用在岩土体 的各种荷载特性作力学对策设计 2 过程优化设计进行各种力学对策的施加 方式施加过程研究实践证明相同的力学对策 不同的过程其效果截然不同所以要进行过程优 化设计 3 参数设计在以上设计的基础上对应着 最佳过程再进行最优参数设计 深部软岩巷道支护设计与常规设计的特点比较 见表 4 大变形非线性力学设计方法是在深部围岩控 制实践的基础发展起来的它强调过程及支护体和 支护材料的耦合控制围岩的大变形具有很强的适 应性和针对性但随着实践的发展出现了新的问 题如地温问题除了上述二者的耦合外该方法 有必要将二相耦合发展为三相耦合及多相耦合 7 深部围岩稳定性战略问题 7.1 高应力作用下深埋长隧硐软弱围岩流变特征 研究 21 世纪我国将进入大规模经济建设时期 全国一系列大型水电能源基地建设南水北调和跨 流域水网建设进藏铁路跨海隧道及全国高速交 通网络建设等重大工程先后上马都不可避免地 需要构筑深埋长隧硐如规划中的滇藏铁路全长 1 594.4 km隧道 419 座总长 491.8 km最长者达 12.59 km将于近 10 a 内开工的南水北调西线工 程规划调水量160170108m3/a目前规划的大 渡河引水线路总长 260 km隧道长 244 km最大 单硐长度 73 km隧硐埋深最大近 1 0001 300 m 构筑深埋长隧硐必然遇到特殊的工程地质问 题如深大活动性断裂软弱围岩高地应力等等 在持续高地应力作用下深埋长隧硐软弱围岩将产生 大变形和长期流变现象为满足上述特殊工程就 必须系统地研究深部隧硐围岩的非线性大变形特性 和流变特性以及隧硐围岩在高围压与隧硐衬砌共 同作用的力学响应特征等问题[35] 7.2 深部巷道强膨胀软岩力学特征研究 以往的理论对于解决强膨胀深部软岩的支护问 题有很大困难主要是缺乏对膨胀性深部软岩工程 表4 深部软岩巷道支护设计与常规设计的特点比较 Table 4 Comparison between traditional support design and deep soft rock tunnel support design 设计方法依 据介质特性叠加原理加载过程荷载特性能量场工程设计方式 常规工程设计经验刚体力学线性力学刚体弹性可加无关无关保守场参数设计 深部软岩工程支护设计 非线性大变形力学弹塑性粘塑性流变性不可加紧密相关密切相关耗散场 1 力学对策设计 2 过程优化设计 3 最优参数设计 万方数据 第 21 卷 第 8 期 何满潮等. 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念 1215 特性的深入认识不了解强膨胀深部软岩的膨胀变 形规律及其数学表达不仅仅是定性的而必须是 定 量的无法确定强膨胀深部软岩所产生的膨胀围 岩压力和强度损失等等对于存在强膨胀深部软岩 的巷道支护工程采用常规支护对策和设计方法 虽然其安全系数设计得较大但仍然产生了严重变 形和破坏以致于多次返修仍无法控制其变形 这充分说明强膨胀深部软岩的工程地质条件的复杂 性和工程特性的模糊性全面深入地研究强膨胀深 部软岩膨胀变形破坏的规律和量化模型寻求膨胀 变形量与膨胀性粘土矿物含量含水量地应力 时间等影响因素之间的内在联系探索强膨胀深部 软岩巷道支护力学对策和设计方法是摆在科技人 员面前的重要课题 强膨胀深部软岩不仅具有膨胀性而且往往伴 有崩解性和流变性其赋存环境复杂[10 11] 开展 强膨胀深部软岩工程特性的研究需要将现代工程地 质学和岩石力学实验分析相结合以探索强膨胀深 部软岩变形机制及其与粘土矿物含量含水量地 应力时间等因素的定量关系为主要研究内容以 建立主动支护的支护力学对策和完善的支护技 术体系为最终目的研究结果将为设计者提供准确 的强膨胀深部软岩巷道的膨胀围岩压力未来可能 出现的最大膨胀变形量强膨胀深部软岩不发生膨 胀的最小保护层厚度等等力学的和工程地质学的重 要指标以及动态环境下的膨胀规律与预防措施 7.3 深部巷道围岩多相力学行为 1 由于深部岩体处在较高的地温环境中高 温对岩体的力学变形性能等及其对开挖空间围岩 中应力传播规律的影响等目前知之甚少 2 深部巷道围岩的高应力高地温场对岩体 水力学性质岩体渗流场规律的影响研究很少 3 在浅部巷道围岩中谈到耦合行为常指岩 体与水的耦合作用对于深部岩体除了水的作用 外还必须考虑到地温对于岩石在水温度的耦 合作用下的力学和变形特征需要深入研究深部围 岩的力学行为主要是在环境力作用下的岩体水 温度三相相互作用问题 7.4 大变形控制方法 在被动支护方法中浅部围岩是被支护对象 是支护荷载在新奥法中通过加固浅部围岩强 度变荷载为结构承担地压[35]对于深部软岩巷道 围岩地压大变形大其深部围岩被扰动性能遭 到破坏常规的主动支护和被动支护方法都满足不 了要求必须采取新的支护概念 巷道开挖虽然扰动围岩但其范围是有限的 深部围岩强度和应力状况仍保持原始状况因此深 部围岩对于大变形地压的控制是一种丰富的可利用 资源基于此有关学者提出了调动深部围岩强度 控制深部软岩巷道地压的思想[34]通过初步的研究 发现将一定长度的锚索在适当的部位锚入深部围 岩调动深部岩体强度后能很好地改善围岩的应 力状况和围岩的自身性能通过锚索使深部岩体有 效地充分承担了浅部围岩的荷载控制围岩的大变 形据目前的研究发展该方法就地使用资源成 本低廉效果可靠是一种控制深部软岩大变形的 新方法在控制煤矿深部巷道围岩动力扰动等多个 方面获得了较为成功的应用但该方法在理论和相 关工艺方面的许多问题还没有解决 7.5 岩爆机理和防治方法 人们已经从表观上定性地知道岩爆的产生机理 决定于岩体的强度岩体中高应力累积及能量积 聚[7 37] 目前的预测理论着重于岩爆启动时能量积 聚和应力累积临界值的确定[7 1438] 也有学者通 过 岩体声发射频率和分维数[38 39]等进行研究 但各 结种论的普遍指导性都存在不足因此岩爆机理 的研究必须改变思路从岩体的细观甚至微观结 构矿物成分及成岩历史所受到的各种影响方面去 寻找原因 根据已知的岩爆机理防止岩爆一般都从降低 岩体强度和降低围岩中的高应力积累着手降低岩 体强度主要是通过向岩体注水松动爆破以及各种 振动方法降低能量和高应力积聚通常通过调整开 采顺序和大直径钻孔卸压进行这些方法都有一定 的局限性因此对岩爆防治方法的研究是一个重 要的课题 7.6 多相耦合设计方法 目前岩体工程的耦合设计通常只考虑水支 护体及支护材料之间的耦合对于深部围岩支护的 耦合设计就必须是地下水支护体支护材料及 地温的四相耦合设计要考虑施工过程非线性大 变形支护材料支护体及其与相应地层地温的耦 1222 岩石力学与工程学报 2002 年 万方数据 1216 岩石力学与工程学报 2002 年 合需要采取以各项监测资料为反馈信息的动态滚 动设计步骤使所处环境中的各部分达到最佳耦 合这将是大变形非线性力学设计理论的进一步发 展 7.7 超越确定性设计方法 目前的确定性和非确定性设计方法针对的对 象其资料信息都必须完备清楚而对于深部地下 岩体工程由于工程实践和基础资料积累有限使 深部岩体工程的设计必然在相关信息的未知性不 完备性多变性和复杂性的条件下进行已有的设 计方法对此无能为力因此有关研究人员正在研 究新的设计方法该方法既能反应深部岩体相关资 料信息的不完备性具有非确定性方法的特点而 分析的最终结果与确定性设计方法可以统一起来 具有传统的安全系数方法特点这将是一种超越确 定性设计方法 8 结论与展望 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理 念是目前岩石力学工作者面临的挑战性问题之 一本文对深部围岩特征和影响因素进行了比较深 入的分析提出深部围岩的力学破坏类型展示了 目前在该领域的最新研究成果对急需解决的问题 进行阐述相信在 21 世纪将有更多的岩石力学 学者致力于该领域的研究深部工程的研究将获得 突破性的进展 参 考 文 献 1 Malan D F Basson F R P. Ultra-deep miningthe increased potential for squeezing conditions[J]. J. S. Afr. Inst. Min. Metall.1998 9811/12353363 2 Gurtunca R G. Keynote lecture Mining below 3 000 m and challenges for the South African gold mining industry[A]. In Rossmanith H P ed. Proc. Mech. of Jointed and Fractured Rock[C]. RotterdamA. A. Bulkema1998310 3 Diering D H. Ultra-deep level mining-future requirements[J]. J. S. Afr. Inst. Min. Metall.19979710249255 4 Schweitzer J KJohnson R A. Geotechnical classification of deep and ultra-deep Wifwatersrand mining areasSouth Africa[J]. Mineralium Deposita1997324335348 5 Johnson R ASchweitzer J K. Mining at ultra-depthuation of alternatives[A]. InAubertin MHassani FMitri H ed. Proc. 2nd North Am. Rock Mech. Symp. NARMS’96[C]. MontrealSAIMM 1996359366 6 Vogel MRast H P. Transit- safety in construction as a challenge health and safety aspects in very deep tunnel construction[J]. Tunneling and Underground Space Technology2000154481 484 7 Litwiniszyn J. 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