地下巷道围岩松动圈理论研究方法与挑战

傅永吉 李松 费波 陈浩

摘要：地下巷道赋存条件复杂多变给工程实施带来困扰，针对巷道围岩施工力学行为的研究广泛开展，岩土介质往往具有明显的离散性，无论是理论还是力学试验手段对损伤破碎岩石的研究均存在一定难度，论文对当前地下巷道围岩松动圈研究方法和存在的问题进行分析，探讨了该领域今后的研究方向。

关键词：地下巷道;围岩;松动圈理论;研究方法

1、绪论

随着岩土力学研究的发展，地下巷道围岩施工力学行为不再局限于传统的弹塑性力学领域，从岩土材料的松散介质特性或岩石损伤断裂力学行为出发，一列非连续介质力学理论被提出，上个世纪90年代，国内学者提出巷道围岩松动圈理论，该理论从工程实践出发对巷道开挖后围岩破坏区域进行研究，发展成为一种岩石力学理论之外的岩层变形控制理论。一方面，隧道围岩的非连续性、地质条件的复杂性，常规的声波检测、地质雷达和多点位移计等围岩松动圈测试手段的局限性，使得围岩松动圈理论研究与试验验证存在一定困难，另一方面，地下巷道的设计和动态施工等因素对松动圈特征均在显著的影响，传统松动圈的理论计算方法仍存在较强的经验性，由此设计的巷道支护结构体系设计也较保守。地下巷道围岩松动圈与工程实践的紧密联系使其研究具有重要意义，而研究工作所面临的困难也使其研究成果的普适性遭到质疑，研究方法受到一定挑战。

2、围岩松动圈理论研究方法

上个世纪90年代，我国学者董方庭[1]等在围岩压力试验和理论研究的基础上提出了围岩松动圈支护理论，虽然其产生和发展的时间并不长，但是在工程实践中得到广泛应用。围岩松动圈理论是科学理论和工程技术发展的产物，早期浅层土质地下工程实践中产生的自然平衡拱和冒落拱理论均是岩土自重压力为基础的理论，20世纪中后期，地下工程向深部岩体中发展，各种岩石理论和测试技术得到快速发展，出现了围岩松动圈的相关测试和理论研究，80年代国内董方庭等学者开始对围岩松动圈进行试验方面的研究。松动圈理论最重要的贡献并不是在岩石强度或损伤断裂等力学理论上的创新，而是从工程支护结构受力特征出发，对支护结构压力产生的原理和确定方法进行研究。董方庭指出岩石碎胀力是支护结构变形的主要原因，周希圣等[2]从围岩松动圈产生的原因角度论述了岩层碎胀力比自重更需要关注，郭志宏等[3]基于围岩松动圈理论对动压煤巷锚杆支护的可行性进行分析，指出锚杆支护设计参数应当以采动后的松动圈为依据，否则会造成支护结构破坏。

巷道围岩松动圈研究的另一个难点就是松动圈测试方法，超声波测试可对不同埋深和地质条件下的巷道进行松动圈探测，测试围岩松动圈厚度，并基于弹塑性理论和损伤理论对围岩松动圈进行计算，证实了损伤理论计算围岩松动圈的可行性，同时可验证围岩松动圈理论分析的巷道顶板的安全厚度、巷道支护方式和锚杆长度等设计理论。通过静力或振动台动力模型试验和，可分析隧道松动圈的空间结构效应，掌握松动圈和减震层对隧道结构的动力响应的影响，同时可分析了松动圈造成隧道结构动力变形的增大的机理。靖洪文等[4]对近30年围岩松动圈的理论分析、松动圈测试和围岩控制技术等方面的发展进行了系统分析，指出了当前围岩松动圈的测试和发展瓶颈。

地下工程赋存环境复杂，其地质构造、岩层性质、水文条件、地应力场偏向和分布关系、设计参数和施工条件等因素均会对围岩松动圈产生较大影响，每个工程的特殊性和研究对象分布面的限制都制约了研究成果的普遍适用性，无论是围岩松动圈的应用技术发展还是理论认识均存在局限性。

3、存在的科学问题

学者们进行围岩松动圈的理论计算较多的是采用近似公式或数值分析，近似公式计算结果具有模糊性，数值分析结果则有较多争议。李伟利等[5]基于Hoek-Brown准则提出了围岩松动圈半径的计算公式并与现场单孔声波法测试结果进行对比。王建峰等[6]基于SMP准则建立了巷道围岩松动圈计算公式，借助数值模拟计算结果验证其理论公式的适用性。刘刚等[7]运用ANSYS进行模拟计算巷道松动圈，并依据计算结果建立回归方程，拟合松动圈与各影响因素的关系。以上研究结果将松动圈近似成矩形、圆形或椭圆建立理论计算公式，对比验证或来自数值模拟，或来自少量现场测试，一般来讲围岩松动圈并非圆形，数据模拟与实测结果也会有较大差异，此外，巷道围岩松动圈分析的理论基础应当是非连续介质力学，而通过有限元软件难以达到理想效果。

受测试设备、测试数据分析、施工条件差异、围岩特征多样性等因素影响，现场测试围岩松动圈形态及厚度值差异性较大，且各种围岩测试技术均存在一定局限性，尚未形成具有较大适应面的参考性成果。围岩松动圈厚度的测试有声波法、多点位移计法、地质雷达法和钻孔窥视等方法，其中以声波法为基础的围岩松动圈探测仪在工程中应用较广泛。探地雷达作为一种常规无损检测设备在松动圈应用也较多，但是受围岩裂隙发育历史和分布复杂影响，测试结果难以区分既有破碎区与新生松动区，数据甄别工作量大，测试结果离散性较大，无法准确得出松动区范围。钻孔窥视作为一种最直接的测试方法也在不少工程中得以应用，但钻孔窥视需要钻设观测孔，测试点毕竟有限，且孔位和孔深也对测试结果有较大影响，所以常常作为辅助手段来验证地质雷达探测结果。

4、结论

論文对巷道围岩松动圈理论的国内外研究方法进行了综述，巷道围岩松动圈在理论分析、数值分析和试验测试方面取得了一定成果，在工程实践中得到广泛应用，同时也受试验技术限制、理论成果的局限性和数值分析算法等方面限制，围岩松动圏理论研究与应用仍存在一系列难题。

参考文献

[1] 董方庭，宋宏伟.郭志宏等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报，1994，19（l）：21～31.

[2] 周希圣，宋宏伟.国外围岩松动圈支护理论研究概况[J].建井技术，1994（4、5）：67-71.

[3] 郭志宏，张树良.煤巷锚杆支护理论与技术的研究[J].建井技术，1994（Z1）：62-64+96.

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