复杂条件地下洞室.ppt

复杂条件地下洞室工程稳定分析及应用,我国是世界上地下工程的最大开挖国。随着采矿业深度的增加，复杂地层的巷道维护问题日益突出。特别是煤炭行业，每年因巷道的过度变形、底彭、顶板冒落等造成的巷道翻修量和人身伤亡事故是其他行业的数十倍。我国近年在铁路交通系统也将修建一系列的长、大山岭隧道而面临着大埋深条件下的复杂地层开挖支护技术问题。国内兴建的大型水电工程，如二滩、小浪底、小湾、溪洛渡、龙滩、水布垭、三峡右岸电站等都有规模巨大的地下厂房群体,复杂条件有二重含义：一是围岩复杂，主要指的是软弱、破碎、易膨胀、大变形、节理发育、地下水富集、大埋深和高地应力区的岩层；二是工程复杂。如果系大断面巷道或为洞室巷道群体就属工程结构复杂。无论是一类复杂或两者并存，这时地下工程的开挖支护技术及其安全性就会形成难题。这里重点针对上述复杂条件下的两大类岩体，即软弱具流变特性的岩体和节理岩体，研究岩体流变属性及其在软岩洞室中的工程应用。,1 围岩稳定控制理论与模拟方法的进展,一、地下工程开挖支护和围岩稳定的控制原理 将复杂地层中开挖地下工程和采取相应支护手段看成是一项系统工程。由于围岩是非线性的，所以要运用非线性的力学原理和方法为指导思想。应强调指出其开挖支护是在空间和时间不断变化的过程中实施的，而该施工过程实际上是对围岩进行的反复加卸载，因此要重视和考虑该过程对围岩稳定的影响。,(一)施工过程力学原理,(1)工程岩体的稳定不仅与自然因素有关，还与人为的工程因素密切相关。(2)复杂岩体的施工，对围岩是一个非线性的力学荷载过程。其稳定性是与应力路径及历史相关的。施工前要进行动态施工过程力学的优化分析，寻求几个较优方案，以供决策。(3)根据岩体及工程特点，要有针对性地运用开挖和支护手段，把有害的影响及隐患控制在尽量低的范围内。(4)做好施工期间围岩动态响应的观察和监测，用以判断施工方案的合理性，并及时调整。(5)强调勘察、设计、施工、科研各环节紧密结合、相互渗透，允许调整施工方案。,(二)能量转化原理,对于软岩巷道支护问题，工程界长期以来对是否要“先柔后刚”的方针来实施支护一直有争议。此外，对“柔”到什么程度，“刚”到多少以及什么时候再设置刚性的二次支护都有不同见解，从能量分析的角度提出的“能量转化原理”对此做了科学的解释。洞巷开挖的非线性能量守恒定律在一定条件下可简化为：其中：为在非完全弹性介质中开挖洞巷时围岩中重新积聚的弹性能；为开挖洞巷过程中损失的非弹性能；为人工构筑的支护所吸收的能量。这就是说在允许围岩先变形和损伤到一定程度 及，并不至于使围岩过度破坏的情况下，应使 就可使支护的代价最小，且保证了巷道的稳定。就有一个、和 三值的优化问题。,此项原理可归纳为以下几条：(1)对非线性的复杂围岩，当其潜在的变形能很大时，应使其非弹性的变形能 得到适量的释放。但不能达到使整体围岩失稳坍落或大到其变形量影响使用空间的程度。(2)围岩中重新积聚的弹性能 可以尽量保持较高值，但对脆性岩石则不能使其增大到有可能发生岩爆的程度。(3)由于支护所吸收的能量 是与 和 成反比的，要使支护代价尽量小，应争取 和 达到较高值。但由于前两条的限制，则应进行三者的优化分析，以达到既安全又经济的目的。,(4)某些支护形式是与围岩结合为一个整体的(如锚固、注浆等)。这就使相关区域的围岩也成为支护的一部分。这时应使支护技术充分发挥围岩的强度和刚度潜力令其本身能吸收更多的围岩变形能，以降低支护的成本。这种主动支护形式就比传统的被动支护形式更为有效和经济。,(三)时空变载原理,近年来又提出了适于复杂地层开挖和支护研究的“时间和空间载荷变化分析原理”，简称“时空变载原理”：(1)地下工程是建造在具有一定初始应力的围岩中，复杂地层中的施工和维护难度强烈受到应力场及其方向的影响。在设计工程的主轴方位时应充分注意使二者的主向较为有利于工程的稳定。在围岩中若存在系统的构造断裂(断层、节理等)，则还应注意洞轴与不利稳定的构造方向间的关系。在预测围岩的失稳类型和失稳程度时就应以三者间方向的相互关系为优化抉择的主要依据。,(2)无论是开挖和支护都是对围岩施加的一种荷载。对于施工工期较长的长大洞巷或大断面洞室群，其不断推进的开挖支护，对围岩的每一个特定部位几乎都是一个反复的加卸载过程。因此，要注意研究围岩在这种不断加卸荷变换状况下其力学特性的变化。(3)工程开挖从宏观来说似乎是对围岩的一种卸荷行为，但实际上从力学分析角度来看，即使对同一个开挖断面，一般来讲围岩周边总是同时存在着加载区和卸载区。这两种区域往往是成对相隔分布的，其分布方位与初始地应力场的主向相关。沿着这个主向一般都为卸荷区或主要的能量释放区。对于三维空间来说其加卸载区的分布就更为复杂了。,(4)对软弱围岩，由于一般的具有流变性能。在研究开挖支护对围岩的作用时，不仅要考虑推进过程中其空间坐标的变化，还应考虑时间效应，就是时间和空间的双重效应。(5)在对这种情况做数值分析时，应考虑到其加卸载过程特定应力路径和时间效应的特点。若不符合上述的实际情况则会得到不真实的结果。因此，时空仿真分析十分重要。(6)由于复杂地层中的这些特点，其开挖和支护影响的科学分析实际上是一个对开放的系统的系统工程分析。施工过程中围岩与外界有十分明显的能量交换。所以，今后的数值分析方法中应充分考虑空间和时间双重作用下的能量耗散问题。,二、复杂地层的围岩力学模型及模拟方法,复杂地层包含了众多的复杂地质条件，主要指两大类型常见的问题：一种是相对较为坚硬的岩质，但其节理或断层发育，或地应力较高，或有渗漏问题等(水电工程为主)；一种则为埋深大或地应力高的软弱破碎地层(以煤矿等工程为主)。(一)节理发育围岩的基本力学特性大型水电工程，其围岩大多赋存有若干组节理裂隙。围岩的稳定性则主要取决于这些节理裂隙在开挖后的行为及对岩体强度和变形的影响。这些节理多为构造形迹且成组出现，其分布多为断续性的。这种既非完全连续又非完全断开的介质，研究起来难度很大。因此，采用以模型试验和分析模型相结合的方法来进行模拟研究，并将二者的结果进行对比，相互检验。最后在现场应用时以观测资料为依据，再用反分析和正分析的方法不断改进，以求不断完善,1节理岩体的模型试验研究 参照我国某些典型水电工程的节理围岩特点，如：二滩电站、小浪底电站、广州蓄能电站、李家峡电站等工程的围岩特点。以几种典型节理组合为研究对象开展了大量的节理岩体力学特性研究的平面模型试验。节理岩体分为四种类型，用综合性包络线表示的四种岩体的整体强度，材料强度和节理面强度。采用了归一化的比强度的分析法，定义比粘聚力及比内摩擦系数为岩体或节理的指标与材料指标之比。节理岩体的三种强度的相关关系可近似取节理岩体的整体内摩擦系数等于材料及节理面平均内摩擦系数；而节理岩体的整体粘聚力为材料及节理面平均粘聚力的2030。,2节理岩体的非线性力学模型及分析方法(1)节理刚度法断裂损伤模型：本模型是运用弹性体功的互等定律，引入传压和传剪系数Cn及Cr，在裂隙的变形参数上引用节理单元的法向和剪切刚度参数而推导出二维及三维问题的本构方程。损伤演化方程不是采用裂纹的共线扩展，而是采用次生的拐折裂纹模型。其原理是应用断裂力学方法，并考虑裂隙面闭合时产生内摩擦力和粘聚力。对二维情况，针对多组裂隙推导了损伤演化方程。以上述推得的公式编制了计算程序。对裂隙岩体的变形及强度特性进行预测，并与相应的模型试验进行对比，取得了良好的效果。,(2)节理岩体加锚时的损伤断裂模型：李术才等按应变能等效假设和自洽理论建立加锚条件下节理岩体的本构关系和损伤演化方程。推导出了压剪应力状态，张剪应力状态的本构方程和损伤演化方程。张强勇等通过引入有效应力反映拐伤与塑性变形的耦合效应，导出了能量损伤演化方程。应用不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件，建立了裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。同时还建立了锚杆支护的空间损伤岩锚柱单元模型。,(二)软弱具流变特性围岩的力学模型及分析方法,对于软弱具流变特性的岩体，如果其初始地应力场属各向均匀场，并且围岩单一，则可采用解析方法求解围岩稳定和支护计算。若不能满足此条件，则可采用数值分析法分析计算。1粘弹-粘塑性围岩的二维数值分析 对二维问题可采用反映围岩粘弹-粘塑性特性的西源模型。通过分析粘弹性应变增量和粘塑性应变增量，求得该模型在三轴应力状态下的一般表达式。采用上述模型和分析法可以利用有限元法分析相关地下工程的围岩稳定和支护方案问题。,2围岩稳定的流变损伤分析 由于软弱围岩在一定条件下发生显著变形时，往往产生大量裂隙从而发生扩容，因此运用流变损伤力学原理作稳定性分析是一种合理的选择。在损伤力学的运用上就有有效应力和表观应力采用的Desai提出的基于各向同性损伤概念而提出的关系式。我国著名专家陈宗基先生曾提出了岩体扩容起始的判据。流变损伤的本构方程采用等效应变的原理和以有效应力代替原来的表观应力，根据导出的损伤变量表达式，得到在某时段内表观应力增量与当前时刻的有效应力状态、损伤状态，以及该时段内损伤的变化及有效应力的关系式。,3围岩有膨胀性情况下粘弹塑性分析 当围岩中有遇水膨胀的岩层时，地层外水入渗、水工隧洞内的水外渗或施工用水都可能导致围岩膨胀。对较软弱的围岩，这种膨胀力(或膨胀变形)将会与围岩流变变形相耦合而形成复合性压力作用在支护(衬砌)上。同济大学孙钧对这一情况提出分析模型和方法。根据岩石膨胀试验结果的回归分析，得到了膨胀主向应变与主向应力间的关系式。在做出一些必要的假定之后，提出了相应的膨胀模型和本构方程，该模型将膨胀的计算问题归结为流变计算问题，在计算中考虑了应力场和渗流场的耦合作用，也考虑了岩石吸水后弹性模量和剪切强度的降低。,第二节 地下工程的优化分析及施工原则,一、单一的软岩巷道开挖支护的优化分析和设计计算 我国当前地下工程特别是隧道工程的开挖支护设计主要还是依据围岩分类。目前除了可参考国际上的南非围岩分类法(RMR)和挪威围岩分类法(Q系统)以外，国内各大行业系统都有自己分类方法，1994年又出台了一套国标分类法(工程岩体分级标准)。但这些分类方法仍都具有一定局限性，比如说对初始地应力因素的影响有的分类就没有反映，有的方法中很难合理地将其量化。一些有代表性的开挖支护设计方法。,(一)类比分析法,李世辉等提出了一种将围岩分类与简易的数值分析相结合的方法。其原理是将隧道围岩-支护体系看成一种开放的复杂巨系统。其方法由典型个体测试数据，分类与类比，并且先后已开发了可实现人机对话便于现场应用的BMP等若干系列性的程序，既可用于单一隧洞，也可用于洞群的反分析和正分析。已先后在引大入秦工程有关隧道和二滩导流洞工程等现场使用，取得好的效果。,(二)围岩松动圈支护分类法,董方庭等经过多年在煤炭矿山巷道的实践并做了若干模型试验进行验证而提出的。其主要指导思想认为围岩失稳，主要是因为地应力重分布与围岩强度二者相互作用使围岩达到破坏的结果。测试地应力和测取现场围岩强度都不是每个工程所能轻易做到和测准的。但较易于实施测试的围岩松动圈却是这二者相互作用的结果。此圈范围越大越难支护或说支护措施的代价和要求也越高。这时围岩的收敛位移也越大。因此，用实测的该圈范围的大小进行支护分类，并且提出了相应的围岩支护分类表，在许多矿山取得了一定的成功。该法的一个不足之处是必须在已实施开挖的巷道现场才能测到松动圈进而确定其分类级别。这说是说在施工之前难以进行支护方法的预设计。,(三)流变性围岩的支护设计计算及优化,软岩巷道分为全部或部分围岩是软岩两种类型。首先根据地质资料和现场或试验室岩体力学试验数据判断所研讨的工程围岩属于何种类型的本构模型，选取合适的力学分析模式，并在考虑尺寸效应条件下选用合理的力学参数。然后进行软岩巷道的稳定分析和支护设计。由于软岩在多数情况下流变效应都比较明显，因此对有时间效应的软岩，应采用“流变力学设计”的方法。当初始应力场为非均匀场时，可选用合适的本构模型(如弹塑性、粘弹塑性或流变损伤模型等)用数值方法做分析，确定一次、二次支护的刚度和二次支护的合理时机(或用现场变形监测曲线来确定此时机)。对此类软岩当初始应力场为均匀应力场时(即远区的PV=Ph时)，可以用解析方法来做支护的优化设计(确定刚度、合理支护时间等)。,如朱维申曾提出粘弹-塑性围岩，其支护上的应力状态的切向分量表达式表明，衬砌上荷载是与其设置时间、当时塑性区大小、衬砌与围岩剪切模量比及各种物理、力学、几何参量有关的函数。衬砌设置愈晚，荷载愈小。在研究软岩巷道设计和支护方案及其实施的合理时机时，有时为了更好地考虑时间和空间效应，要进行轴对应的围岩应力分析或三维数值分析。以研究超前台阶开挖或大断面的巷道的分部开挖以及随后的支护效应，并做多方案的比较。这可以在施工前进行预分析。施工开始后进行反分析或反馈分析以调整最初的施工方案，使后续方案更为优化。,(四)复合支护结构的计算,孙钧对隧道(或巷道)的围岩稳定和支护提出了两种承载的概念。对中等强度的围岩，应尽量采用喷锚支护使围岩形成一个(第二类)承载环以保证隧道的稳定。对较软弱的围岩，则必需采用锚喷支护以外的附加支护以形成第二类承载环。对第二类承载环若采用二层结构的复合支护形式，提出了相应的实用计算方法。其中包括：根据结构特点，认定喷层和内衬结构的内力主要由形变压力产生；而后者的形成和分布规律与围岩变形的依时性特征相关。该依时性可简化地用三单元粘弹性模型表述；由形变压力产生的复合支护内力可借助变形协调条件建立计算方法。该种支护的截面设计要进行抗剪、抗压、抗拉能力和洞径向张应变的验算。,(五)大断面软岩巷道分部开挖支护过程的仿真模拟,由于软岩的非线性性质，模拟其开挖支护的真实过程十分重要，因为过程不同其结果也会相差很大。朱合华根据此问题的特点，建立了一种施工动态仿真数值方法。用该法可在施工设计阶段预先模拟施工过程。还可在施工中进行动态反演分析，并研发出一种集成化的通用软件系统。陈锦清、陈钧等也曾对大断面巷道采用不同分部开挖方案时的围岩塑性区和收敛位移值做了分析比较。表明各种方案的结果也有相当大的差异。,二、复杂地层中修建隧道的指导原理,据不完全统计，我国在铁路部门已建成的隧道已超过5 000座，总长超过2 000km。自新奥地利施工法传人我国以来，我国的修建经验和技术实际上已在多方面超出了新奥法。王萝恕提出应总结并形成“中国隧道修建法”。他认为应以岩体力学原理为基础，以支护与围岩共同作用的现代支护理论为依据，抓住四大原则：(1)一切施工方法和支护手段要紧密围绕维持围岩稳定的目的；(2)把支护和围岩视做共同承载结构；(3)用现场量测试验了解和掌握围岩_支护体系的力学动态，进行反馈设计和施工；(4)开挖后及时加固，稳定围岩；(5)开挖处于时空不断变化中，应使开挖系统具有整体性、有序性、反馈性、动态性等，使之处于人为的控制之中。,衬砌结构。以三种形式应用于不同条件：(1)特长、长大隧道应采用复合衬砌结构。初期支护有锚、喷、网和钢拱架等组成。二次衬砌由模筑混凝土或钢筋混凝土组成；(2)一般中长隧道可用单层模筑混凝土衬砌，有时也可先用临时喷锚支护；(3)地层强度高，围岩完整性好时，可采用单层喷锚永久支护结构。应确立两个设计阶段的法规：一是预设计；二是施工中的信息化反馈设计，后者更为重要。环境管理(防排水)。根据不同环境及要求，要确定是以排堵结合以排为主还是以堵为主的原则，并设计好排水系统。注意环境的综合治理，为现场工人减少身心危害和负担。,施工方法。提出了共20余条施工要点，以保证在围岩稳定的条件下安全施工。其要点主要包括以下方面：1快速施工。用矿山法时，好岩石可全断面开挖，或先导坑后扩大，或加设辅助导坑等；2软弱地层。应采用正台阶法施工，绝不能采用半断面超前施工又不设仰拱的方法，应尽快形成一次支护的封闭断面是成功的关键；3开挖后及时喷射混凝土，加设短锚杆。在恶劣条件下采用超前支护、注浆加固，不允许过多释放围岩的变形能；4特大断面，据不同条件可采用中隔墙法、中隔墙交叉台阶法、双侧壁导坑法等；,5软弱围岩中实施管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测的18字方针；6支护顺序为一次支护自上而下进行，待围岩稳定后再做二次衬砌，这时应自下而上进行。底部混凝土先铺，对围岩稳定至关重要；7因施工对地层扰动深度一般在2.02.5m，因此尽速设置长度为24m的中短锚杆较适宜；8超前地质预报已日趋成熟，应正式列入工序环节；9监控量测是核心工作，必须作好，重点注意一倍洞径处的隧道变化。,三、大型洞室及其群体的稳定性和施工方案的优化分析研究,在大型水电工程中地下洞室群体的规模往往很大，结构复杂。大多由二个大洞室或三个大洞室以及它们间的许多联络通道组成。而在矿山，比如井底车场或采场附近也是巷道密集的部位所在。在复杂地层中开挖这类工程群体，其开挖支护顺序和方案对围岩稳定的影响至关重要。朱维申等在前述的施工过程力学原理指导下，提出了用动态规划的方法和人工智能技术相结合的办法来做多因素多方案的优选工作,(一)动态规划分析法,动态规划是解决最佳化问题的一种特殊途径。他可把一个n维最优问题变换为n个一维最佳化问题。它的一个最重要的特点是把一个复杂的系统工程决策问题化为分段决策问题。该方法中的关键元素是级、状态、决策、变换和效益。我们在确定施工顺序的优化方向时采用的判据，即收益函数，用的是围岩中塑性区(当用弹塑性模型时)或损伤区(当用断裂损伤模型时)的面积多少作为决策依据。,(二)人工智能技术的应用,大型洞群分部开挖施工顺序的可能组合非常多，若有两个大洞室则施工排序方案可能有百余种，对三个大洞室则将达上千种，若全部用手工排列，工作量很大且易遗漏。另外，在做优化分析时需准备的计算用的数据文件也十分浩繁。因此，对这两方面工作运用人工智能技术来解决，将洞室群分部开挖自动排序，数值计算所需数据文件自动生成，结果效果良好。,第三节 地下工程围岩变形反分析方法的研究进展,一、反分析方法的研究进展 从70年代起，日本、美国、意大利等学者就开始进行了岩体位移反馈理论和应用的研究。其中最有代表性的是日本的樱井春辅提出的位移-应变反馈确定初始地应力与地层弹性参数的有限元法。其特点是设岩体的垂直向地应力近似等于自重应力，水平向地应力和地层的E、值可以用多次重复计算来确定。90年代，发展了弹塑围岩中的一种简化实用的反分析法。意大利的Gioda研究了多年，也提出可同时确定初始地应力和地层参数的优化反演理论及方法。,杨志法在80年代初提出了对弹性介质围岩运用位移图谱法做反分析的方法。其原理是将初始地应力荷载分解为四种形式。对不同工程条件，其实际初始地应力可由上述四种形式的某种组合叠加而成。再设定几种的典型洞型作为标准洞型。通过计算分析，对它们分别得出与各类荷载相应的位移值，并将其绘制成一系列图谱。若实际工程的计算剖面与“标准洞型”几何相似，并且约束条件和弹性方程也相似，则即可利用图谱根据实测位移，直接得出初始地应力或地层的弹性参数值。,吕爱钟等对弹性介质位移反分析做了参数辨识的多方面研究。并对现场位移测点(线)的最优布置等做了较系统的研讨，以便提高位移反分析的精度。再利用此类反分析确定地下结构载荷时对所遇到的解的不稳定性问题做了全面的研究，取得了成果。王芝银等对反分析问题中的非线性问题、时间相关性问题、空间效应以及如何消除测前丢失位移的影响方面做了较深入的研究。并就粘弹性、粘弹塑性问题和三维反分析等方面提出了相应的反分析方法和实用性较强的程序设计,90年代杨林德、冯紫良、朱合华等也出版专著全面系统地论述了国内外反馈理论及应用的现况。除了对弹性、粘弹性及弹塑性问题做了研讨外，还详细地介绍了非线性反馈问题中的优化搜索和目标函数的逼近问题的诸多方法。该项工作中还特别研讨前人很少涉及的非线性问题的摄动数值法以及围岩本构关系和模型识别问题。对后一问题，着重讨论了确定性形变场的模型辨识和多介质材料的模型识别。并给出了许多工程应用的算例。,由于岩土力学的非确定性特征很明显，孙钧、蒋树屏等在其共同撰写的专著(岩土力学反演问题的随机理论与方法)中系统阐述岩土力学反问题的建模原理和方法，包括处理观测中不确定性的最优目标函数、模型的不确定性等问题；洞室围岩变形随机预报的原理和方法；稳定的可靠性评价；对洞周围岩的非确定性非线性动态问题，则采用扩张卡尔曼滤波器的有限元的基本原理和方法进行研究，,第四节 大型洞群的工程应用,一、淮南煤矿软岩巷道支护试验研究 淮南某煤矿石门大巷，埋深640m。其围岩岩性为砂岩和页岩互层。岩体裂隙发育，含水量高、易风化、强度低。水平向构造应力及垂直向应力均较大。附近已掘巷道矿压显现严重。水平和垂直向收敛值达16.5mmd和45.2mmd。巷道成巷后两个月内料石碹即被压跨。有的地方用每米3架29#U型钢支架也未能解决问题。武汉岩土力学所进行的此项研究则决定采用锚喷网的主动支护形式，并引入新的研究和应用技术通过试验巷道来进行研究。,(一)综合性的现场和试验室试验测试和分析研究 为了能弄清巷道所在区域的初始力学条件和围岩力学性质，进行了以下方面的测试和分析工作：(1)初始地应力现场测试；(2)岩体力学特性大型现场双轴试验；(3)软岩物理化学特性试验；(4)软岩巷道支护的模型试验；(5)可伸缩锚杆研制；(6)柔性喷层材料研制；(7)松动圈测试；(8)围岩变形的深部和表面量测；(9)锚杆受力量测；(10)二维与三维的非线性数值正反分析；(11)现场开挖和支护的实施及综合治理。,(二)巷道断面和支护方案的确定巷道埋深大及水平地应力高(实测水平向最大约为15.7MPa)，且岩体较破碎，将巷道断面设计成双圆拱型，毛洞高515cm，宽600cm。支护形式改被动式的衬砌或钢拱架为锚喷网这种主动支护形式。支护参数设计以模型试验和初期的非线性有限元分析结果为依据。初始地应力场取重力应力和水平向应力的平均值16.15MPa。考虑到围岩中有一定塑性区，应力集中会有均化趋势，因此取集中系数为1.5，则紧邻围岩中应力强度约为24.23MPa。参照模型试验结果，若采用优化的“倾斜交叉布锚法”，预计可提高围岩强度1.3至1.5倍，经加固后的岩体强度约可达到28.73MPa，支护参数基本上能满足巷道的稳定要求。运用非线性有限元计算和模型试验的结果都表明，若运用“倾斜交叉布锚法”，围岩塑性区约在1.5m，因此选定锚杆长度为1.7m，间排距为600mm600ram。上述的支护参数是预设计的结果，以后可以根据现场支护效果，用反馈分析法再做适当调整。,(三)可伸缩锚杆和柔性喷层材料的研制 根据数年前在该矿的上水平洞进行围岩变形测试的结果，巷道收敛变形量可达洞径的3以上。再根据现场岩体力学试验、岩体的变形模量预计约在(14)103MPa。因此，要求锚杆具有适应大变形的能力。经测算，锚杆的可伸缩量约为50mm或更多。其初锚和终锚力则应在329.4kN和549kN。由于倾斜交叉布锚法要求锚杆有较好的侧向剪切刚度和强度。因此锚杆的直径不能太小。根据上述要求，研制了三种类型的有伸缩性的锚杆：(1)全长粘结与端部锚固相结合的复合伸缩式锚杆；(2)摩擦式伸缩管缝-钢筋复合性锚杆；(3)树脂锚固加孔口伸缩式锚杆。现场试验以第一种锚杆为主。,为适应巷道的大变形，避免喷层的开裂和脱落，研制成一种强度和变形量都能达到要求的柔性喷层材料配方。其要点是：在现有喷层材料中添加了一种高分子聚合物和速凝剂。其强度在28天之后都可达到1822MPa。而变形量则根据添加剂的多少最后可达到56，即为现有普通喷层材料的810倍，可见其性能是良好的。,(四)可缩可转型接头的预制大弧板软岩洞室支护的研制 在岩体流变和大变形持续发展比较明显的极软岩洞室工程中，作为另外一种可行的比较方案，在国家第七个五年计划攻关项目中，孙钧等曾研制了一种“边支边让”、“先柔后刚”、可缩可转型接头(待变形趋于稳定后再焊接)的预制钢筋混凝土大型弧板支护，其后背与围岩间充填特殊设计的衬垫材料，在淮南煤矿某处大跨度基建巷道中进行了工业性试验并取得成功。,(五)围岩收敛的非线性和流变力学分析 在施工期间还进行了流变力学的正反分析。根据现场试验结果，选用弹-粘塑性模型并考虑破坏后的残余强度。利用开挖后32天的实测水平收敛值，推算岩体的C、及2，求得参数为C=0.9MPa，=22.5O，2=8.3104MPa.h 运用反分析所得参数再做巷道稳定性的正分析，结果说明围岩塑性区随时间推移而增大，在两帮深度可达2.0m左右。两侧收敛量最大达160mm。但开挖50天后，位移变化已很小，位移速率降到0.4mmd。从正反分析所得巷道水平收敛最大值为16cm。而现场实测的最大收敛值为11cm左右。考虑测点的滞后埋设，若设工作面前方漏测和滞后埋设所欠测为应有总量的13，则可估出全部实测值约为5.5cm，则实测收敛值应为16.5cm，可见此值与计算值16cm是相当接近的。这也说明本项目计算模型和有关参数的取值是合理的。,(六)现场实时监测及结果 最初的支护设计和施工是在前述的一系列现场试验研究基础上，根据初步的数值分析和经验类比确定的。需在施工的实施过程中进行必要的现场量测，以期掌握围岩的动态，用以检验原方案的正确性和在认为需对原方案做修正时得到一定的依据。同时为确定最佳二次支护和底拱施工的时间以及计算判断巷道长期稳定性提供必要的资料。在该试验巷道里共进行了以下四个项目的量测：1收敛量测 巷道的收敛变形显示，由于采用了特殊的“倾斜交叉布锚法”和新型可伸缩锚杆及柔性喷层，明显地约束了巷道的变形。其变形率在巷道开挖后的40天左右已减少到0.1mmd。经过3个月的时间考验变形已趋于稳定。,2深部多点位移计量测 多点位移计因施工干扰已有所滞后，但埋设8天后，位移量开始明显增大。至30天左右最大值已达1023mm。量测曲线显示，顶拱有整体下沉趋势，但在40天左右变形都渐趋稳定。3锚杆受力量测 埋设在上拱左右斜上方的量测锚杆测得的变形量较大。其应力均已超过材料的弹性极限，有的高达60kN以上，接近其断裂值。当后来调整锚杆密度由600mm600mm到400mm400mm之后，其应力量值有所缓和，拱部锚杆受力相对较小，进一步说明顶拱有整体下沉趋势。,4松动圈测试 运用钻孔声波法对巷道围岩在开挖后的15天、40天和70天分别进行了测试。经分析可得到以下结果：(1)围岩波速较低，最低可达900ms，最高也只有2000ms；(2)随时间推移围岩波速逐渐降低，松动圈也有扩大趋势，但最终达到稳定；(3)除巷道壁面之内左右为爆破松动区外，从0.51.5m范围内波速向深部方向由低变高为一过渡区。在1.52.0m深度范围之外波速转向正常值。试验巷道实际开挖支护约35至40天后，围岩变形测试和锚杆受力测试数据已基本趋于稳定。巷道收敛速率已小于0.1mmd。根据国内大量实践经验，一般都认为该速度小于0.2mmd，即可认为变形基本稳定。因此，在这时即安排进行第二次常规喷混凝土的复喷工作，以形成二次支护。,五、金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研究,金川镍矿是我国最大的镍生产基地，也是我国三大资源综合利用基地之一。该矿最大的是二矿区，其储量占全矿的75。该矿区是我国初始地应力全国最高的地区。历史上地质构造运动长期活动，岩浆岩的侵入及相互穿插，使矿区岩层完整性遭到强烈破坏。矿井的巷道经常发生冒顶片帮。以1 250m中段为例，一年内片冒塌方达169次之多。大部分发生在地质条件差的不良岩层中。所谓不良岩层主要指二辉橄榄岩。初步估计采准巷道的50，开拓巷道的2030，采区的6070属这类岩体。决定在二矿区1200m中段的一条围岩为二辉橄榄岩的巷道中安排了全面的实验方案作为实验巷道。其埋深为530m。,研究方案共分了七个子题：(1)二辉橄榄岩工程地质力学特性研究；(2)试验巷道工程设计和施工研究；(3)岩体变形模量时效研究和三轴流变现场研究；(4)巷道围岩变形特性研究；(5)巷道围岩应力测量；(6)断层泥物化性质和膨胀特性研究；(7)巷道稳定有限元流变分析。其中(3)、(4)、(7)项内容是研究的重点。,二辉橄榄岩中、V级结构面发育，按产状分达5组以上，切割成的结构体为0.20.6m，呈镶嵌碎裂结构。围岩的水文地质条件简单，局部含裂隙脉状水，在破碎带有裂隙水渗流。个别钻孔涌水，水量为1td，以后逐渐减少。根据结构类型试验巷道的37m长度中可分三段。其长度分别为10m、10m、17m左右。第一、三段属碎裂介质。其岩块强度较高，但其岩体变形破坏受、V级结构面控制。在宏观上岩体变形量大，扩容现象明显，且具强流变性。第二段属块裂介质。、和V级结构面都发育。围岩变形主要受级结构面控制，沿该面滑移或压缩变形。巷道施工中应重点加固类结构面，否则易发生冒顶或片帮。,(一)岩体力学现场试验和观测 难度和工作量最大的三轴流变强度特性试验共开挖了四块试件。岩体变形特性时效试验采用刚性垫板法。围岩应力测量采用应力恢复法。共6个测点。围岩变形观测布设了二个断面的多点位移计共6个测孔。内空收敛测量则布设了5个断面。还布测了6根量测锚杆做位移测量。在断层带的三个取样点提取断层泥作为物理化学分析的样品。岩体弹模试验采用承压面积为45cm45cm的刚性垫板法试验，最大荷载P=150t。为了对比还对同类岩性的岩块用美国MTS刚性压力机做了实验室抗压试验。现场岩体和小岩块弹模试验结果的对比，见表6-3。,现场三轴压缩流变强度试验的试体开挖尺寸为65cm65cm130cm。垂直荷载由四个并联的千斤顶施加，总出力11.76MN。四个侧面压力钢枕加载最大内压10.1MPa，试体变形由电感位移计和百分表测试。根据试验曲线可求得单轴压缩时E=4.3103MPa，=0.25，而三轴情况时E=(7.58.19)103MPa，=0.28。若以试体V曲线最大压缩点为强度依据，可根据包络线分析求得岩体C=1.0MPa；=33O，并可推得单轴抗压强度为C=8.0MPa。,(二)巷道围岩变形观测 围岩深部位移和内空收敛观测采用武汉岩土力学所研制高精度、可靠性好的机测试多点位移计和收敛计。其观测时间为254280天。收敛变形的观测，也观测了247316天。从二者得观测结果可知：(1)5个断面的收敛变形量平均为19.14mm，多点位移计表层位移平均量约为12.5mm。(2)变形曲线都可分三阶段：急剧变形段，约30天，变形量约占总量的5080；第二段为减缓变形段，时间较长，约34个月，此时变形可发展到总量的90以上；趋于稳定段，100140天之后，变形率降至0.012mmd。上述的三阶段反映了围岩的流变特性。(3)由多点位移计测试结果断面图看出，围岩表层深2.22.5m，已形成了一个松动区，其变形量相对较大。,(三)试验巷道的开挖支护设计及施工 根据前述的各项测试结果和本矿山以前的若干研究结果，以及在不良岩层中巷道掘进的工程实践经验，试验巷道全长开挖了37m，横断面为直墙半圆拱形，宽、高各为3m。开挖时为保护围岩和保证各项试验的质量采用光面控制爆破，每循环进尺1m。支护采用锚喷网联合次施作。第一次初喷为5cm，第二次复喷为1015cm，形成永久性二次支护。锚杆长3m。支护的主要参数是根据初期的流变模型有限元分析结果来设计的。施工后期又进行了变形观测反分析和后续计算分析。二次支护的合理时间是经过反映巷道掘进过程的有限元流变计算得到的结果来确定的，大约是在一次支护后的2030天之后进行的。从施工监测来看，140天后巷道围岩变形已趋于稳定。总变形量控制在允许的范围内。从开挖开始经过16年以上的考验，巷道仍然稳定如初。这在金川镍矿当时的条件下是很少见的。,(四)巷道围岩稳定性流变数值分析数值分析主要是施工后期进行的，计算时已有施工后的观测资料。采用损伤-流变模型。拟合流变参数主要依据现场三轴流变试验的结果。如试体2#，E1的数值对不同轴向荷载从2.11104 MPa逐渐减少到26.5103 MPa；E2=6.7103 MPa；2=1.78105MPah；=l3=(0.410.54)10-4MPah。假设岩体初始损伤变量值为零。由前述所拟合体弹性模量的降低来拟合损伤演化方程的参数，可得损伤方程中的参数k1=5.8710-2，k2=4.8210-2。运用常规的粘弹塑性和模型，这里的新模型及有关参数对巷道围岩变形分别进行了两套计算。若以损伤流变模型来拟合洞周收敛测量的实测值，则运用常规的粘弹塑性模型算出的收敛值要小的多。两种模型的分析计算曲线和实测位移值的分布比较说明损伤模型更为接近实测值。,根据计算结果得到如下结论：(1)矿区二辉橄榄岩的力学特性是岩体有明显的流变性。围岩变形监测表明变形时程可达250300天。三个变形阶段为：急剧变形持续约30天，变形量达总量的5080；第二段持续100120天，变形量累计达总量的90；最后阶段为缓慢变形段。从现场试验结果来看，裂隙岩体的扩容，裂隙的张开、错动和扩展的时间效应是其流变特性的主要原因。(2)这类不良岩体的力学特性，其尺寸效应特别明显。其小岩块的弹模和强度十分高。但包含10条以上裂隙的岩体现场力学参数却低了一个数量级以上。如现场弹模仅为岩块值的110，流变试验的该值则为120；岩体三轴流变强度仅为小岩块的123。(3)根据前述理论部分提出的开挖支护“能量转化原理”，将原先的料石刚性衬砌改为长达3m的长锚杆为主体的柔性喷锚支护，以释放一部分围岩变形能和加大加固范围。并在施工上采用了光面爆破小药量，短进尺等尽量少扰动围岩的工艺方法。由此有效的减少了地压显现程度。,