深部巷道围岩的分区破裂机制及_深部_界定探讨.pdf

第 25 卷 第 9 期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.9 2006 年 9 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006 收稿日期收稿日期2005–07–04；修回日期修回日期2005–11–28 基金项目基金项目国家自然科学基金重大项目50490275；教育部新世纪优秀人才支持计划 作者简介作者简介王明洋1966–，男，博士，1994 年于解放军理工大学工程兵工程学院获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事防护工程方面的教 学与研究工作。E-mailwmyrf 深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨 王明洋，宋 华，郑大亮，陈士林 解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007 摘要摘要通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变 形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩 峰值后状态下材料的残留强度关系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准浅部 工程坑道最大支撑压力区不破坏的深度；深部工程坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。 关键词关键词岩石力学；应力状态；深部巷道围岩；区域破裂现象 中图分类号中图分类号TU 45 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200609–1771–06 ON MECHANISM OF ZONAL DISINTEGRATION WITHIN ROCK MASS AROUND DEEP TUNNEL AND DEFINITION OF ““DEEP ROCK ENGINEERING”” WANG Mingyang，SONG Hua，ZHENG Daliang，CHEN Shilin Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China AbstractBy analysing the stress state，deation and failure of rock mass around tunnels at a variety of stages and at multi-level of stresses，the volumetric deation state and its consequences are exhibited for the maximum supporting pressure zone. The relationships are derived between the condition for the occurrence of zonal disintegration phenomenon in deep rocks and the initial rock stresses， the total deation process of rocks， and in special，the residual strengths of rocks at post-peak stresses. According to the condition for the occurrence of zonal disintegration phenomenon，a criterion is proposed for defining the shallow and the deep rock engineeringthe shallow rock engineering corresponds to the depth to which the rock mass within the maximum supporting pressure zone does not fail；and the reverse is true for the deep rock engineering. Key wordsrock mechanics；state of stress；rock mass around deep tunnel；zonal disintegration phenomenon 1 引引 言言 在岩石力学领域，长期以来对地下坑道周围岩 石的应力–应变状态变化的研究，主要是利用弹塑 性力学知识在连续介质力学框架内进行[1 ～3]。据此， 地下巷道周围划分出了相互依次配置的区域巷道 周边的破坏区、非线性变形区和岩体“未扰动” 区原状区，在这些区域内，岩石处于不同应力– 变形状态，区域状态由岩体的自然应力场和变形– 强度特征值来决定。但对于深部工程活动来说，由 于地应力性质大于岩体单轴极限强度时，就会出现 一些不同于浅层现象的性质反映，即可观察到深部 坑道围岩地质力学能的“量子化”效应，这说明稳 1772 岩石力学与工程学报 2006年 定或准稳定状态的直径是分开排列，在很多相关研 究[4 ～6]中称之为“区域破裂现象” 。 岩石的区域破裂现象，对具有结构性质的岩体 相互作用机制的现有认识，发生了性态的变化。当 岩体具有区域破碎时，现有的许多支护形式、坑道 的掘进方法、支护范围、预防动力现象的工具和方 法等都需要重新考虑。另外基于分区破裂现象出现 的深度来界定深部岩体工程性态，毫无疑问对深部 工程活动问题的具体研究是有益的。 许多学者均尝试解释区域破裂现象。 I. Shemyakin 等[7]、M. V. Kurlenya 和 V. N. Oparin[8]认为在实体或 模型中观察到的荷载静态特性和变形变化相当缓 慢，区域性破裂现象是在外部条件不变或缓慢变化 时所形成的，但给出的解释比较粗略，理论推导也 存在明显的不妥之处，不妥之处除了公式推导错误 外，还在于模型未考虑巷道围岩变形与破坏的全过 程性状。M. A. Guzev 和 A. A. Paroshin[9]利用非欧几 何模型寻找应力随离巷道表面距离的非单调性的 变化规律，这种非单调性与沿着巷道的应力场衰减 有关，或者与应力随时间的周期变化有关。就目前 而言这种复杂的数学应用仅是一种尝试，尚不能得 出令人满意的解释。V. N. Reva[10]利用能量准则分析 了区域性破裂围岩的稳定性问题，但未能解释其发 生的机制与条件。何满潮[11]结合工程评价指标提出 了深部的概念体系，便于工程上的理解，但需要进 一步在物理基础上加以斟酌。 本文通过围岩应力状态及体积变化的关系建立 与之相应的静力模型来解释这一现象，最后根据分 区破裂出现的条件提出了 “深部” 界定的基本准则。 2 地下巷道围岩的应力与变形状态地下巷道围岩的应力与变形状态 地下工程的力学特性均与质量守恒定律、平衡 或动量守恒定律及能量守恒定律有关。岩体介质 中某容积的机械能守恒表达式为 VWVuFSu VVs d 2d d n∫∫∫ r r rr σ 1 式中 n σ r 为所占介质容积 V 的表面 S 上的应力，F r 为体积力，u r 为位移矢量，W为体积中的势能或全 部储存能。 在一般情况下，W中部分能量要转换成势能， 部分能量要耗散在不可回复的变形、裂缝和滑移线 上，剩余能量则通过边界传到外部物体上。 W的性状用主应力 321 σσσ，，和相应的主方 向以及主变形 321 εεε，，和其相应的方向来描述。 任意体积三维的应力状态 1 σ≥ 2 σ≥ 3 σ，压应力 为负可以由下列3种应力状态叠加得到 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 100 010 001 100 000 001 00 00 00 m 3 2 1 σ σ σ σ T ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 000 00 000 σ T 2 第1种应力状态对应着出现最大剪应力T 2 31 σσ− 的纯剪状态，例如沿第1主方向受压和沿第 3主方向值受拉。第2种应力状态对应着静水压力 2 31 m σσ σ 的静水状态，即沿着3个方向上均作 用相等的力。第3种应力状态补充前2种应力状态 到任意情况，并且回答 2 σ中间主应力对材料强度 影响的问题，采用 31 312 2 σσ σσσ σ − −− σ 为Lode- Nagdi参数来表征。因此，，， m σT σ 这3个参数 的任意一种组合都可以用来描述三轴应力状态，这 样可以用图1中 T Tγ 曲线来研究有剪应力时介 质的主要行为，其中γ 为主剪应变，且 31 εεγ−假 定应力和应变状态的主向是一致， v ε为体积应变， 且 31v εεε。 图 1 体积变形与剪切变形的关系 Fig.1 Relation of volume strain and shear strain 如图1所示的剪应力的主应力场T ≤ max T中， 在达到极限剪应变OA 段前，介质的变形不致于破 坏协调关系，介质处于线性可恢复变形状态。岩体 第 25 卷 第 9 期 王明洋等. 深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨 1773 受剪切时强度的调动过程就是摩擦力增加和黏聚力 减少的影响过程。随着剪切面上静水压力的增加， 剪切强度极限值也增加，反映了摩擦力的出现，它 或者是阻止岩体分解成各个部分，或者是体现一个 附加强度。岩体的性状改变主要与弹性、黏性及摩擦 性状有关。W 决定着表面力和体积力作用下分离出 的体积中的弹性储备能，能量的储存具有体积特征。 在剪应力峰值 max TT＞之后AB 段，材料进入 峰值后不可逆的变形状态软化阶段，在软化变形 过程中通过出现局部剪切变形的表面发展，将材料 划分成具有一定尺度的块状或条带状，并通过沿单 个表面滑移的强间断来达到满足施加的边界条件。 残余强度的大小和走向与破坏块体的大小密切相 关，并且直接影响其后的应变状态γε∝ v 与应力 状态。尽管滑移线导致了应力张量不对称，但在变 形的局部化表面上有足够的相互作用力可近似满足 变形的协调性，导致间断线上出现分布力矩。介质 处在准连续的内摩擦状态。 在峰值后软化变形阶段，随着块体间的相互转 动，产生块体间的相互滑动，不仅总的应变在增长， 而且剪应变也就是剪胀也在增长，体积的改变则 与膨胀及破坏所成块体的大小有关。这种体积变化 由于平均应力变化引起的体积变化和剪切引起的 体积变化的总和时的效应，才是本质上至关重要 的问题。 W 的部分能量要耗散在不可回复的变形、裂纹 和滑移线上，能量的耗散具有面积特征。 内摩擦状态的这种不协调性流动性随变形的 发展而加剧，直至导致介质的破坏分离BC 段，演 化为非连续的块体滑移运动状态。 W 中剩余能量则通过边界转移为动能，能量转 移到块体上的动能具有体积特征。 因此，岩体变形是在多阶段、多水平上依次丧 失局部剪切稳定性的结果，深部岩体力学的所有基本 问题均必须考虑上述3种状态的主要性状及其变化。 下面以深部圆形水平巷道为例，分析巷道周围 岩石的应力状态。设其所处位置的原始地应力状态 为静水压力类型取柱坐标H zr0 000 γσσσ ϕ − H 为深度， 0 γ为岩石容重，压应力为负。 对于长坑道，一般认为 z σ的变化不大，巷道变 形可看作是平面应变问题0 0 z ε。若不计体积力的 影响，由相关研究[12]可以得到不考虑支护时围岩内 应力通解的表达式为 ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ∂ ∂ − ∫ r r r r r r r r d2 0 σ σ τ σ ϕ 3 式中 r σ为径向应力； ϕ σ为环向应力； 0 r 为巷道 半径；ν为泊松比；τ为滑移面上的剪应力，且 2 ϕ σσ τ − r ，与岩体的 3 种破坏状态密切有关。 不计体积力的数值分析结果，得到图 2 所示的 圆形巷道围岩中的应力分布状态。即 ϕ σ的变化整 体上取决于 r σ沿半径r的变化。并且 r σ， ϕ σ向岩 石里面随距离的增加而增加，当到达某个边界 cr ，该边界与岩体的剪切强度相关时， ϕ σ达到 最大值。在围岩内出现支承压力区，对于深部岩体 工程，支承压力 maxϕ σ可达到 0 ϕ σ的几倍。 图 2 圆形巷道围岩中的应力状态 Fig.2 Stress state of rocks around deep underground workings 围岩的变形和破坏性状与围岩的应力状态密切 相关。如前所述，在评价应力状态时采用 σ 参数 进行讨论 31 312 2 σσ σσσ σ − −− 4 对于深部岩体工程巷道，在巷道轮廓后面 z σ和 ϕ σ大体相当， 在轴对称情况下，0 ≡ rrϕϕ σσ。 r σ， z σ， ϕ σ相当于 3 个主应力。按照式4，岩石处于 广义的受拉状态 32 σσ，1− σ ，再向里在最 大支撑压力处附近 σ 会逐渐过渡到广义受剪状态 0≈ σ ，即为均匀受压和纯剪状态叠加而成。此 区域之间就可能出现部分卸载，甚至在边界出现完 全卸载，并在一个或两个方向出现拉伸变形[13 ～15]， 此时会由于静水压力的减少而剪切强度减小。 在最大压应力与未扰动岩石区域间， σ 逐渐过 渡到广义受压状态 21 σσ，1 σ 。该区域岩石 1774 岩石力学与工程学报 2006年 发生弹性体积变形而静水压力不变化。 3 深部巷道支撑压力区的变形状态深部巷道支撑压力区的变形状态 “支撑压力”的概念是在把支护后面的应力集 中与支撑力联系起来时产生的，对于浅部巷道这一 支撑力抑制岩石使其不从未扰动岩体向巷道空间运 动。但随着巷道深度的增加，初始应力状态的大小 在变化，该支撑压力区由于应力状态的变化产生了 特殊的体积变化后果。 在支撑压力区域截面cr 上，所有的应力都 是压应力，而变形则都是线性压缩变形。根据巷道 附近应力状态分布的一般特点见图3，图中1，2， 3 表示3 个应力区，起初最大应力 m σ作用区内的材 料将在切向上被压缩压应变为正，而拉应变为负， 其值为 m 0 21 σ ν εϕ E − 5 式中 2 m ϕ σσ σ r ，由式3确定。 图 3 深部圆形巷道附近应力分布状态 Fig.3 Stress distributing state of rocks around deep underground workings 由于远离 c-c 线方向的应力较小，材料将向两 个方向移动，其大小可表示为 21 2 0m 0 rc σσ ν ε− − − E 6 式中 0 σ为巷道挖掘前岩体内的原始应力。 由于材料“离开”了荷载状态，最大应力区的 应力将降低，并因此产生材料的弹性恢复变形 21 2 ime σσ ν ε− − E 7 在此过程中，材料单元自身体积的变化实际上 是以弹性方式变形的，设 i σ为压缩应变、侧向“离 开”应变和弹性恢复应变三者之和等于 0 时的应力 值图 1 的点E对应状态。根据此条件可以确定应 力状态发生改变时的应力值和区域范围，则当应变 之和为 0 时，可得 2 2 0m 0 im σσσσ−− E E 8 这一过程可能一直继续到压缩变形和弹性恢复 “停止” 。此时，在最大应力作用区内材料的拉伸过 程起主要作用，拉伸应变的大小为 21 2 im p p σσ ν ε− − − E 9 式中 0 E，E， p E分别为岩石的加荷弹性模量、 卸荷弹性模量和拉伸弹性模量。 将式8代入式9，可得岩石因拉应变发展而开 始破坏的临界条件为 2 21 0m 0p p σσ ν ε− − ∗ EE E 10 式中 ∗ p ε为岩石拉伸极限应变。 如果引进岩体的单轴抗压强度， c σ 利用岩石 的单轴拉压系数ξ，可得 ppc E ∗ ≈ξεσ 11 采用此近似关系，式10可以简化为 2 21 0m 0 c σσ νξ σ− − E E 12 根据以上分析可得在“深部”处的支承压力 区当cr ≈时，破坏可能沿着半径r c的圆柱面 的切向曲面发展；岩石沿坑道形状的同心圆层状柱 曲面分层破裂，导致 0 r≤r≤c区域的卸载；cr 面 或者在该面的某个邻近区域将因径向应力的快速 卸载形成新的自由表面，同样cr 也变成新的圆柱 面半径，围岩的应力将发生重新分配，此时在岩层 内部就可能形成如图 4 所示的新的支承压力区，其 计算重复相关研究[12]的部分计算原始的。这样， 又出现新的破坏区，形成第二个巷道“自由面” 。这 类分区破裂区域可能有几个，它取决于引入的问题参 图 4 深部圆形巷道围岩中的应力再分配 Fig.4 Second stress distributing of rocks around deep underground workings σ 第 25 卷 第 9 期 王明洋等. 深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨 1775 数岩石初始压力和峰值后状态下材料的残留强度 径向应力梯度等。 如果未扰动的岩体中原始状态不是静水压力状 态，就可能出现变形发展的另一种图景，为此必须 知道空间内原始地应力状态，而这种状态只能从真 实条件下的试验中得到。 4 “深部”界定条件“深部”界定条件 如果以最大支撑压力区出现初始破裂特征深度 作为“深部”界定条件，如果用工作深度H表示所 具有的应力，则解式12可得对应的深度 r H σ γ 0 ≥ 21 22 0m νξσ σ − − E E r 13 由式13可知，引起区域破裂的条件实际上与 岩体内性质密切相关，在实践中相同条件下某个性 质发生变化，都可能在岩体深处引起岩石破裂，或 者相反，可能阻碍这种破裂。式13也说明了基于 巷道区域破裂现象深度的概念，可以在原来基础上 从岩体力学观点给出围岩状态新的评估标准浅部 工程坑道外形上的岩石不破坏或边界部分的岩 石以准塑性和动态变形的形式破坏，但最大支撑压 力区不破坏见图 5a，b；深部工程在离坑 道相当距离处的岩石发生区域破裂，即最大支撑压 力区发生破坏见图 5c。 a 浅部巷道深度不大周边岩体没有发生破坏 b 浅部巷道深度较大周边岩体破坏部分不大 c 深部巷道深度大周边岩体破坏部分较大 图 5 不同状态下主应力随半径的变化图 Fig.5 Variation of main stresses with distances to tunnel for different stress states 5 结结 论论 1 岩体变形是在多阶段、多水平上依次丧失 局部剪切稳定性的结果。主要包括连续的弹性状态、 准连续的内摩擦状态和非连续的块体滑动状态。 2 深部围岩的区域破裂现象是最大支撑压力 区域发生特殊体积变化的结果。与岩体的初始压力 和岩体的 3 种状态，尤其是峰值后破坏状态下材料 的残留强度密切相关。 3 根据围岩的变形与破坏状态根据分区破裂 机制，可以界定浅部及深部工程活动的划分浅部 工程活动坑道最大支撑压力区不破坏的深度； 深部工程活动坑道最大支撑压力区发生破坏的 深度。 4 对于岩石区域分解现象的广泛实际应用来 说，最根本性的意义是确定这个现象的空间和时间 构造问题。 参考文献参考文献References [1] 钱七虎. 深部地下空间开发中的关键科学问题[A]. 见 第 230 次香 山科学会议 深部地下空间开发中的基础研究关键技术问题 学术 讨论会[C]. 北京[s. n. ]，2004. 6–28.Qian Qihu. 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BeijingChina Water Power Press，2003.in Chinese 中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会成立大会中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会成立大会 暨首届学术交流大会在北京召开暨首届学术交流大会在北京召开 由中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会主办、核工业北京地质研究院承办、东华理工学院和中国科学院武 汉岩土力学研究所协办的“废物地下处置专业委员会成立大会暨首届学术交流大会”于 2006 年 7 月 12 日在北京召开，来自 国防科工委、国家环保总局、国家自然科学基金委员会等政府部门以及中国核工业建设集团公司有关院所、中国科学院所属 研究所和大学共 42 个单位 90 余名代表参加了会议。 大会主席、 中国岩石力学与工程学会钱七虎院士致开幕词， 潘自强院士、 王思敬院士、李焯芬院士和国防科工委系统工程二司林 森副司长在开幕式上讲话，对“废物地下处置专业委员会”的成立 表示热烈祝贺，有关单位还发来了贺信。本次会议是以废物地下处置为中心主题，研讨废物地下处置的理论、实践探索、工 程实例、新技术与新方法等。会议收到论文全文 28 篇，会上交流了 18 篇，涉及高放废物地质处置、中低放废物处置、有害 废物处置等领域。 新成立的废物地下处置专业委员会设主任 1 名、副主任 9 名、委员 66 名、秘书长 1 名、副秘书长 4 名。专业委员会成 员来自 36 个研究院所和大学，共 19 个专业。 中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会成立大会之后，还于 2006 年 7 月 13～14 日召开了“核废物管理和处 置性能评价研讨会” 。会议由中国岩石力学与工程学会主办、核工业北京地质研究院、国际岩石力学与工程学会废物地下处 置专业组、中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会和美国 Monitor Scientific 公司承办，来自美国的放射性废物管 理专家C. Margaret，A. Michael 和 W. Zhou 博士以及核工业北京地质研究院王 驹博士作了主题学术报告和专题讲座。 王 驹，刘月妙供稿