深部層狀圍巖巷道物理模型試驗研究

張 力 王 華

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

圍巖穩定控制一直是巷道開挖的重點。在復雜高應力、特殊構造應力的影響下，深部高應力巷道圍巖具有十分復雜的力學特性。

層狀巖體是一種典型的復雜巖體，受內部層理、節理、裂隙等結構面的影響，其表現出非連續性、非均質性、非線性等特征，層狀巖體的破壞機理及失穩模式也明顯不同于均質巖體。現有的深部巷道物理試驗，大都將圍巖簡化為完整的均質巖體，而缺乏對深部層狀圍巖巷道的相關研究。因此，研究深部巷道層狀圍巖的變形破壞特征和應力演化規律對實際工程具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 試驗系統及相似材料

物理試驗采用中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室WYQ1000—Ⅰ型地下工程綜合試驗模擬系統。試驗系統如圖1所示，主要由試驗臺架、計算機控制系統、伺服系統、開挖系統和測量系統五部分組成。

根據GB/T 50218—2014工程巖體分級標準，層狀巖體分為巨厚層狀結構、厚層狀結構、中厚層狀結構、互層結構、薄層結構5種結構，基于此，試驗以水平產狀的中厚層狀砂巖圍巖巷道為基礎展開物理試驗。考慮砂巖是由骨料及膠結材料構成，因此采用河砂為骨料及水泥和石膏為膠結材料配制的相似材料模擬巷道圍巖。

2 物理模型試驗

試驗研究880 m埋深的層狀圍巖巷道。試驗機加壓板尺寸為：長×寬=0.9 m×0.25 m，通過計算得出對模型施加的水平力Fx=0.9×0.25×0.52×106/103≈120.00 kN，垂直力Fz=1.2,Fx=144 kN(深部側壓力系數取1.2)，圍巖初始應力采用階梯加載的方式，共分10次加載完成，其中垂直應力每次加載12 kN，水平應力每次加載14.4 kN，為保證模型受力均勻，每次加載至設計應力后穩定15 min，直至加載至圍巖垂直應力設計值0.52 MPa，水平應力設計值0.63 MPa，相當于880 m埋深的圍巖垂直應力和水平應力分別達到21.9 MPa及26.3 MPa。加載過程如圖2所示。

當加載至圍巖初始應力后，穩定試驗系統油壓，保持圍巖應力不變，穩壓約1.5 h～2 h，隨后對巷道進行開挖，開挖分兩次進行。為了對試驗過程進行更好的監測，采用數字照相系統記錄試驗過程中圍巖的變形破壞過程，圍巖的應力數據則采用應變磚進行采集。

3 試驗結果分析

3.1 變形破壞特征分析

不同支護方式下層狀圍巖巷道的最終破壞效果及數字照相量測系統分析的結果如圖3所示。

由圖3a)可知，無支護層狀圍巖巷道開挖后，頂板左右兩側形成的裂隙不斷地貫通、擴展，導致頂板圍巖逐層剝落，最終形成了“倒V型”尖角狀破碎帶，引發頂板的大面積失穩垮落。在此過程中，圍巖的破壞是循序漸進的，并具有損傷破碎后再破碎的特點，圍巖的變形主要以剪切滑移破壞為主。

由圖3b)可知，錨桿起到了加固淺部層狀圍巖的作用，錨桿通過錨固力把淺部破碎帶內的小塊圍巖巖體組合成大塊巖體，并與頂板層狀巖體形成了組合梁結構共同受力，從而提升了圍巖的承載力，其破壞的形式為頂板的“梁結構”受力彎曲，導致頂板出現離層及帶動圍巖垮落，從而導致巷道失穩變形。

由圖3c)可知，錨索的作用是把錨桿與淺部層狀圍巖形成的組合梁結構懸吊于深部更加穩定的圍巖中，錨索提供的軸向力在一定程度上遏制了頂板層狀巖體間的離層，有效增大巖層之間的摩擦力，并提供一定的抗剪能力，相較于單一錨桿支護有效地控制了頂板圍巖的垮落和水平方向的錯動。

由圖3a)～圖3c)的數字分析結果可知，無支護層狀圍巖破壞嚴重，巷道頂板、肩部、幫部、底板均有較大變形，圍巖的最大位移數值達到38.18 mm；采用錨桿支護后圍巖的變形得到了一定的控制，圍巖變形主要發生于巷道頂、底板，圍巖的最大位移數值為28.26 mm，相較無支護方式減小了25.98%；錨桿、錨索支護對于圍巖變形的控制效果明顯，圍巖的最大位移數值為24.12 mm，相較單一錨桿支護減少了14.65%。

3.2 應力演化特征分析

采用應變磚對試驗過程中的圍巖應力數據進行采集(不同位置應變磚均距開挖自由面3 cm)，分析圍巖不同位置的徑向應力、切向應力的演化特征及規律。

為便于對比分析，將不同支護方案的應力進行歸一化處理，定義零時刻(第一次開挖時刻)的圍巖應力為單位1的應力，開挖后各測點應力都除以零時刻應力數值，得到歸一化處理后的圍巖徑向應力和切向應力分別如圖4，圖5所示。

由圖4和圖5a)，圖5c)可知，巷道開挖引起了圍巖的應力重分布，在此過程中，圍巖強度會不斷衰減，巷道開挖后圍巖的徑向應力和切向應力的演化規律大致相同，在巷道第一次開挖后不同方案圍巖的徑向應力和切向應力均出現了大幅下降，隨后徑向應力和切向應力逐漸穩定；第二次開挖對圍巖徑向應力和切向應力的影響不大，徑向應力和切向應力曲線只產生了少許波動，說明圍巖應力重分布基本完成，最終徑向應力和切向應力曲線隨時間逐漸趨于穩定。

由圖5b)可知，不同支護方案肩部圍巖的切向應力在巷道第一次開挖后出現下降，隨后又有一定的上升，第二次開挖則導致了切向應力大幅衰減。第一次開挖時肩部應變磚埋設位置處圍巖依舊處于彈性區，圍巖切向應力在彈性區內出現上升，在第二次開挖后則處于塑性區。第一次開挖后頂板及幫部圍巖在切向應力快速跌落，而肩部圍巖切向應力則是先減小后增大，說明肩部圍巖抵抗變形的能力更強。

不同支護方案在相同測點處圍巖的徑向應力和切向應力的變化規律為：錨桿、錨索支護>錨桿支護>無支護，說明在3種支護方案中，采用錨桿、錨索支護方式的圍巖應力衰減最少，圍巖的承載性最好。

4 結語

通過物理模型試驗對三種不同支護形式下深部層狀圍巖巷道的變形破壞特征及應力演化規律進行了研究，主要得出以下幾個結論：

1)在無支護作用的情況下，深部巷道層狀圍巖的破壞模式具有循序漸進的特點，巷道開挖后，頂板最先產生變形并不斷產生貫通裂隙，圍巖逐層剝落，最終引發巷道的整體破壞。

2)在深部層狀圍巖巷道中，錨桿主要起到加固淺部圍巖的作用，在錨桿的支護作用下，頂板層狀圍巖與錨桿形成了組合梁結構共同受力，提升了圍巖的承載性；錨索的作用則是將組合梁懸掛于深處的穩定圍巖中，起到了加強鞏固組合梁結構的作用。

3)巷道開挖后頂板、幫部圍巖強度快速衰減，相較而言，肩部圍巖抵抗變形的能力更強。