高應(yīng)力極軟巖工程錨注支護(hù)機(jī)理及技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1　軟巖巷道支護(hù)原理

軟巖巷道支護(hù)和硬巖巷道支護(hù)原理截然不同，這是由它們的本構(gòu)關(guān)系不同所決定的。硬巖巷道支護(hù)不允許硬巖進(jìn)入塑性，因進(jìn)入塑性狀態(tài)的硬巖將喪失承載能力。而軟巖巷道另一個(gè)獨(dú)特之處是，其巨大的塑性能(如膨脹變形能等)必須以某種形式釋放出來(lái)[13]。假設(shè)巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)各種力(包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等)的合力T(圖2)，則軟巖巷道支護(hù)原理可以表示為：

T=D+R+S　(9)

式中：T為挖掉巷道巖體后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等；D 為以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力，可以包括①?gòu)椝苄赞D(zhuǎn)化(與時(shí)間無(wú)關(guān))；②粘彈塑性轉(zhuǎn)化(與時(shí)間有關(guān))；③膨脹力的轉(zhuǎn)化(與時(shí)間有關(guān))。對(duì)于軟巖來(lái)講，主要是塑性能以變形的方式釋放；R 為圍巖自撐力，即圍巖本身具有一定強(qiáng)度，可承擔(dān)部分或全部荷載；S 為工程支護(hù)力。

圖2　PT合力示意圖

Fig.2　Scheme of resultant force PT

式(9)和圖2表示如下意義：

(1)巷道開挖后引起的圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力T并不是純粹由工程支護(hù)力S全部承擔(dān)，而是由三部分共同分擔(dān)。T首先由軟巖的彈塑性能以變形的方式釋放一部分，亦即T的一部分轉(zhuǎn)化為巖體形變。其次，T的另一部分由巖體本身自承力承擔(dān)。如果巖體強(qiáng)度很高，R>T－D，則巷道可以自穩(wěn)。對(duì)于軟巖，R較小，一般R<T－D，故巷道要穩(wěn)定，必須進(jìn)行工程支護(hù)，即加上S。為求工程穩(wěn)定，通常(S+R)值要大于(T-D)值。

(2)一個(gè)優(yōu)化的巷道設(shè)計(jì)和支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)滿足三個(gè)條件：

①PD→max；

②PR→max；

③PS→min。

實(shí)際上，要使PD→max，PR就不能達(dá)到最大；要使PR→max，PD就不能達(dá)到最大。要同時(shí)滿足PD→max，PR→max，關(guān)鍵是選取變形能釋放的時(shí)間和支護(hù)時(shí)間。

3.2　最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段

巖石力學(xué)理論和工程實(shí)際表明，巷道開挖以后，巷道圍巖的變形會(huì)逐漸加大。以變形速度區(qū)分，可劃分三個(gè)階段：即減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當(dāng)進(jìn)入加速變形階段時(shí)，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強(qiáng)度就大大降低。顯然，加速變形階段可以使D→max，但卻大大降低了R，這不滿足優(yōu)化原則。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是最佳支護(hù)時(shí)間概念的建立和最佳支護(hù)時(shí)段的確定。

3.2.1　最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段的概念

最佳支護(hù)時(shí)間系指可以使(R+D)同時(shí)達(dá)到最大的支護(hù)時(shí)間，其意義如圖3所示。圖3表明，最佳支護(hù)時(shí)間就是(PR+PD)-t曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間TS。實(shí)踐證明該點(diǎn)與PD-t曲線和PR-t曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間基本相同。此時(shí)，支護(hù)使PD在優(yōu)化意義上充分地達(dá)到最大，最佳支護(hù)時(shí)間點(diǎn)的確定，在工程實(shí)踐中是難以辦到的，所以提出了最佳支護(hù)時(shí)段概念，最佳支護(hù)時(shí)段的概念如圖4所示。

圖3　最佳支護(hù)時(shí)間Ts的含義

Fig.3　The meaning of optimum supporting time Ts

圖4　最佳支護(hù)時(shí)段的含義

Fig.4　The meaning of optimum supporting period

3.2.2　最佳支護(hù)時(shí)間(TS)的物理意義

巷道開挖以后，原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖中應(yīng)力重新分布，切向應(yīng)力增大的同時(shí)，徑向應(yīng)力減小，并在硐壁處達(dá)到極限。這種變化促使圍巖向巷道臨空區(qū)變形，圍巖本身的裂隙發(fā)生擴(kuò)容和擴(kuò)展，力學(xué)性質(zhì)隨之不斷惡化。在圍巖應(yīng)力條件下，切向應(yīng)力在硐壁附近發(fā)生高度集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進(jìn)入塑性工作狀態(tài)。進(jìn)入塑性狀態(tài)的圍巖稱為塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn)，使應(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過(guò)圍巖屈服強(qiáng)度時(shí)，又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)，如此逐層推進(jìn)，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展。假若不采取適當(dāng)支護(hù)措施，臨空塑性區(qū)將隨變形加大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞。塑性區(qū)和松動(dòng)破壞區(qū)截然不同，松動(dòng)破壞區(qū)沒(méi)有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力。

塑性區(qū)可分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動(dòng)破壞之前的最大塑性區(qū)范圍，稱為穩(wěn)定塑性區(qū)；出現(xiàn)了松動(dòng)破壞區(qū)之后的塑性區(qū)，稱為非穩(wěn)定塑性區(qū)。穩(wěn)定塑性區(qū)所對(duì)應(yīng)的宏觀圍巖的徑向變形稱為穩(wěn)定變形；非穩(wěn)定塑性區(qū)所對(duì)應(yīng)的圍巖的徑向變形稱為非穩(wěn)定變形。 塑性區(qū)的出現(xiàn)改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，這種變化對(duì)支護(hù)來(lái)講具有兩個(gè)力學(xué)效應(yīng)：(1)圍巖中切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力降低，減小了作用于支護(hù)體上的荷載；(2)應(yīng)力集中區(qū)向深層偏移，減小了應(yīng)力集中的破壞作用。在巷道兩幫發(fā)生應(yīng)力集中時(shí)，兩幫巖石處于極不利的單軸受力狀態(tài)條件，極易產(chǎn)生片幫破壞。

應(yīng)力集中偏移深部后，一方面應(yīng)力集中程度降低，另一方面深部巖石處于三軸受力狀態(tài)，其破壞可能性大大減小。因此，對(duì)于高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)來(lái)講，要允許出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)，嚴(yán)格限制非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴(kuò)展。其宏觀判別標(biāo)志就是最佳支護(hù)時(shí)間Ts。Ts之前出現(xiàn)的變形稱穩(wěn)定變形，對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)稱穩(wěn)定塑性區(qū)。所以最佳支護(hù)時(shí)間的力學(xué)含義就是最大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不出現(xiàn)松動(dòng)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控得到，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)特征判斷直接得到。

3.2.3　最佳支護(hù)時(shí)間的確定

研究表明，變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入圖4中A區(qū)時(shí)，支護(hù)體多產(chǎn)生鱗狀剝落；變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入B區(qū)時(shí)，伴隨著片狀剝落；進(jìn)入C區(qū)后，將產(chǎn)生塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，判別最佳支護(hù)時(shí)間(段)就是鱗、片狀剝落的高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，張性、張扭性裂縫，寬度達(dá)到1～3 mm，即已進(jìn)入A區(qū)和B區(qū)，即進(jìn)入耦合支護(hù)的時(shí)間；巷道表面各點(diǎn)變形量達(dá)到設(shè)計(jì)余量的60%，即進(jìn)入耦合支護(hù)的時(shí)間。