围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索
围岩变形弹塑性分析
围岩变形弹塑性分析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT§ 隧道围岩重分布应力的计算隧道开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力的作用而处于相对平衡状态；隧洞开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的平衡状态，从而产生向洞内空间的膨胀变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的重新调整，达到新的平衡关系，形成新的应力状态。
弹性围岩重分布应力对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一般时，隧道开挖后的围岩将呈弹性变形状态。
这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩应力重分布可用弹性力学的基本理论来分析，隧洞半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，围岩重分布应力可用柯西（Kirsh ）课题求解。
图2-1是柯西课题的简化模型。
设无限大弹性薄板，在边界上受沿X 方向的外力P 作用，薄板中有一半径为R 0的圆形小孔。
取如图极坐标，薄板中任一点M （r ，θ）的应力及方向如图所示，按平面问题考虑，不计体力，则M 点的各应力分量，即径向应力?r 、环向应力?θ和剪应力τθ与应力函数?间的关系，根据弹性理论可表示为：22222221111r r r r r r r r r θθθθφφσθφσφφτ∂∂=+∂∂∂=∂∂∂⎫⎪⎪⎪⎪=⎬⎪⎪⎪⎪⎭-∂∂∂（2-1） 上式的边界条件为：()()()()000cos 222sin 22r r b r r b r r r br bp p bR p b R b R σθτθστ====⎫=+⎪⎪⎪=-⎬⎪⎪==⎪⎭（2-2）设满足该方程的应力函数φ是：()222ln cos 2A r Br Cr Dr F φθ-=++++（2-3）带入上式并考虑边界条件，可求得应力函数为：22220022200ln 1cos 22222pR R r r r R R r φθ⎡⎤=-----⎢⎥⎢⎥⎣⎦（2-4） 代入可得各应力分量：24200024224002442004234(1)(1)cos 223(1)(1)cos 2232(1)sin 22rr R R R r r r R R r r R R rprp p θθσθσθτθ⎫⎡⎤=-++-⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎡⎤⎪=+-+⎢⎥⎬⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎪=--+⎪⎭（2-5） 式中，x σ,θσ,r θτ分别为M 点的径向应力、环向应力和剪应力，以压应力为正，拉应力为负;θ为M 点的极角，自水平轴(x 轴)起始，反时针方向为正；r 为径向半径。
松动圈围岩支护理论与工程实践研究
ｍ
凝
图 ｌ 各测点波速－ － Ｎ试钻孔深度关系曲线
３ ． ３ 根 据 松 动 圈 范 围确 定 围岩 支护 参 数 按 照 围岩 松 动 圈 支 护 理 论 ， 松 动 圈厚 度 Ｌ 。 值在 １ ． ３ ～１ ． ５ ｍ之 间属 于 Ｉ Ｉ Ｉ 类 一 般 围岩 ，应 按 照悬 吊理 论 设 计 锚 杆 参 数 。 Ｉ ）锚 杆长 度 计算
了围岩松 动 圈范 围测试与巷道 支护 方案设 计 ，结果表明该矿属 于中 号 围岩 松 动 圈 ，采 用 悬 吊理 论 设 计 支护 形 式后 测 得 顶 底 板 与 两 帮移 近 量较 ，说明根据 围岩松动 圈理论设 计巷道 支护方式及参数是合理 可靠的。 【 关键 词 】 松 动 圈；巷道 围岩 ；巷道 支护
深 ３ ｍ，向下倾斜 ４ 。。 ３ ． ２ 测 试 结 果 分 析
■ｒ
｛ １ Ｏ ｛ ０ 牡冀 １
ｌ
ｎ
童毒
莸ｔ 埔ｉ 鞴 抽 臻 蘩髓蠛 点 涟逑
瓣
船 篱
瓣
掰 辩
氍 辩
盼
》 尉
髓罐 谯鞋 ｛
ｌ ｌ ¨ ＃ ２聃
２ ４ 辩 Fra bibliotek瓣 巍ｉ ｛
前 言
…
Ｊ
ｆ ＇ － － 一
．
煤矿 巷道围岩为非连续各 向异性体 ，其物质 组成成分与组合状 况存在一定 变化 ，表现为非均质性 。因此试 图用 一种 理论来解 决所 用 的巷道支护 问题 显然是不切实际的 。目前巷道支护理 论包括 围岩 松动圈理论 、压 力拱理论、最大水平应力理论等 ，其 中围岩松动圈 理论在深井煤矿 中得到广泛应用，其理论简 明直观 、可操 作性强， 基本 内容为 ：矿 井巷 道掘 进后 ，原岩应力平衡状态遭 到破 坏并重新 分布 ，巷道顶底板及 两帮形成 应力集中现象 ，岩石 强度显 著下降。 若集中应力 小于破坏后 的岩石 强度，此时围岩处于弹塑性状态 ，可 以基本维持巷道 的稳定。若集中应力发展至甚至超过破坏 后的岩石 强度 ，围岩破坏会 继续向深部扩展，直至形成新 的应力平 衡状 态， 我们将 围岩破坏扩展形成 的破 裂带称之为围岩松动 圈，研 究围岩松 愀 篝 姗 动圈对于解决巷道支护工程 问题具有重要作用 。 １ 工 程地 质 概 况 某矿位于 吕梁 一太 行断块五台山块隆古交 向斜 的南 部，俗称 太 原西 山向斜 。其 西部为 吕粱山复式背斜，东部为 山西断陷盆地 系中 部 的 太 原 一晋 中盆 地 。 １ ２ ５ ０ １ 运 输 巷 道 位 于 南 五 盘 区＋ ７ ５ ０ ｍ水 平 的 ２ 煤层 。 该 煤层 均 厚 为 ４ ． ２ ５ ｍ， 属较稳 定的厚煤层， 煤层结构简单 ， 裂隙较发育 ，平均倾角 ２ ． ５ 。，最大为 ６。 ，为近水平煤层 。煤层 顶板 以薄层状的粉砂岩和 泥岩 为主，并夹杂砂质泥岩互层 。岩性松 软，机械强度低 ，节理裂 隙发 育，属不稳定顶板 ；底板 以碳质泥岩 及砂 质泥岩为主 ，局部为 ３ 煤层，富含植物 根须 化石，较松软 ，遇 水 易 膨 胀 ， 易发 生 底 鼓 现 象 ， 为 不 稳 定 底 板 岩 层 。 ２ 围 岩 松 动 圈巷 道 支 护理 论 围岩 松 动 圈 支 护 理 论 提 出把 围 岩 破 裂 过 程 中 的 岩 石 碎 胀 变 形 （ 碎 胀 力 ）作 为 支 护 对 象 ，并 把 在 围岩 中 发 展 的 这 个 破 裂 区定 义 为 围 岩 松 动 圈 。该 理 论 主 要 由三 个 主 要 部 分 组 成 ：（ １ ） 围岩 松 动 圈支 护 。 巷 道 开 挖 后 ， 围岩 松 动 圈 客观 存 在 ， 围 岩 的 碎 胀 变 形 远 远 大 于 围岩的弹塑性变形 。（ ２ ）围岩松动 圈分类方法。围岩松动 圈的值主 要是围岩强度和 围岩应力 的函数 ，它是一个 含义丰富的综合指标 。 其 值 越 大 碎 胀 变 形 量 越 大 ，而 围 岩 变 形 量 越 大 ， 支 护 越 困 难 。松 动 圈 分 类 法 将 围 岩 分 为 Ⅵ 类 。（ ３ ）围岩 松 动 圈支 护 技 术 。① 小 松 动 圈 。 当 Ｌ ｐ ＜ ４ ０ ｃ ｍ时 ，称为小松动圈 ，锚杆将起不到作用 ，只 需进行喷混 凝 土支护 或裸体 巷道。② 中松动 圈。当 Ｌ ｐ ＝ ４ Ｏ ～１ ５ ０ ｃ ｍ时，松动 圈在 这 范 围 内 ， 支 护 较 容 易 ，采 用 悬 吊 理论 ，其 悬 吊 点 在 松 动 圈 以外 。 ③ 大松动 圈。Ｌ ｐ ＞ １ ． ５ ｍ时，用锚杆给予松动 圈内破裂 围岩 以约束力 ， 使 其恢复到接近原岩 的强度并具有可缩 性，形成锚固体进入支护 ， 即所 谓 的 组 合 拱／ 粱 理论。 ３ 围岩松动 圈测试及支护参数设计 ３ ． １ 测 试 方 案 根据 围 岩 松 动 圈 支 护 理 论 ， 在 １ ２ ５ ０ １运 输 巷道 内 应 用 Ｐ Ｈ Ｄ 一 ２型 松动 圈测 试仪进行围岩松动圈范 围测试 。在 距离回采工作面停采线 １ ２ ０ ｍ处开始布置测 试钻孑 Ｌ ，向停采线方 向共布置 ４个 ，测试钻孔间 隔 １ ０ ｍ ，布 置 在 巷 道 顶 板 中 线 位 置 。钻 孔 参 数 ：钻 头 直 径 ４ ３ ｍ ｍ ，孔
围岩松动圈的测定
围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。
为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。
选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。
根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下).二、需求设备SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines连续工作时间：8h存储容量：20GB外形尺寸： 195mmX115mmX75mm配套设备：1.钻孔窥视仪主机1台2.窥视镜（探头）１只3.视频传输及输送缆：10米4.耳麦1付5.充电机1台B连接线1根7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。
将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。
由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。
对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。
它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。
四、使用分析1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。
2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。
巷道围岩松动圈测试及影响因素分析
1引言巷道受掘进及工作面采动影响后，原始地应力平衡状态被破坏，围岩从三维受力变为二维受力甚至只受一个方向的平衡力。
应力重新分布造成局部巷道围岩应力降低，局部围岩应力应力升高[1]。
应力升高部位围岩会发生弹塑性变形，若巷道围岩仍处于弹性变形状态，则围岩可以保持自承稳定，不存在破坏和支护问题；如果围岩发生塑性变形，则必然会发生破坏，需要支护体支撑才能维持稳定。
应力的重新平衡过程会在巷道围岩内形成一定范围的松弛破碎带，即松动圈。
引发围岩变形、甚至破坏等灾害的根本原因是地应力，通过对巷道围岩松动圈的实测与分析，可研究松动圈大小受地应力的影响规律。
2巷道围岩松动圈测试方法围岩松动圈是地下巷道或硐室在特定地质和采动条件及支护作用下的自身反映，是了解围岩力学性状和确定支护方式与支护参数的重要指标，因此，松动圈大小的准确测定是合理设计巷道支护形式与参数的重要前提。
本研究将使用地质雷达法测试某矿区典型巷道围岩的松动圈范围。
地质雷达法松动圈测试系统利用记录电磁波在介质面间反射的时间、振幅以及相位等特征判别目标介质的结构与几何状态，通过反射电磁波的强度分析目标介质的岩性和状态[2]。
从几何形状分析，地下结构或构造可分为2种形态，一是巷道、洞穴、管道等形态；二是裂隙、空隙、缝隙、层面等。
不同结构在雷达探测系统上以不同形态特征存在，面状态结构呈线性反射波状态，点状态结构呈现象反射波状态。
通常，结构位置可以通过反射波的行走时间判断，而结构岩性可通过反射波被吸收能量的多少判断。
h=v2t2+x2/4√,v=c/ξ式中：h为地质体埋深；t为反射波到达时间；x为天线距离；v为岩体中电磁波的传播速度；c=0.3m/ns 为电磁波在空气中的传播速度；ξ为介电常数，可查有关参数或测定获得。
使用地质雷达法松动圈测试系统可通过合理选择发射波的频路，对不同深度和精度要求现场进行测量。
现场分析测试结果，并能进行多次测量。
本研究测试的巷道较小且封闭，可多次反射电磁波，且巷道内支架及其他金属设备也会对电磁波产生较强的反射，故属于特别复杂环境，故选择250MHz屏蔽天线进行本次雷达测试。
巷道围岩松动圈弹塑性分布探讨
巷道围岩松动圈弹塑性分布探讨罗方亮;安里千;毛灵涛;徐建成;李磊【摘要】Due to excavation,the surrounding rock of roadway is loosened and a loosen zone is produced.In this paper,elastic-plastic stress distribution of the loosen zone is analyzed in theory,and loosen zone elastic-plastic stress distribution radius are deduced and discussed.%巷道掘进工作破坏了周围原岩应力分布产生了松动圈,对松动圈弹塑性应力分布和范围进行理论分析,得到松动圈弹塑性应力分布半径并进行了讨论。
【期刊名称】《河北能源职业技术学院学报》【年(卷),期】2011(011)004【总页数】3页(P51-52,54)【关键词】松动圈;弹塑性应力;理论分析【作者】罗方亮;安里千;毛灵涛;徐建成;李磊【作者单位】中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;河北能源职业技术学院,河北唐山063004;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD353巷道掘进中会破坏围岩原始的应力平衡态，当这种平衡态被打破使围岩应力超过围岩的强度时，围岩会产生变形松动现象。
这种由于巷道掘进破坏围岩应力平衡态所产生的松动范围叫做松动圈。
围岩松动圈的大小由多种因素决定，同时它又决定着支护难易程度。
松动圈的大小不同，所采用的支护方法不同，对安全生产起到非常重要的作用。
2-吴从师--隧道围岩爆破松动圈测试分析
隧道围岩爆破松动圈测试分析3周扬水,吴从师,张庆彬(长沙理工大学桥梁与结构学院, 湖南长沙 410076)摘 要:岩体开挖成洞后,洞室周围的岩体将出现应力降低区,应力升高区和原岩应力区。
对隧道进行松动圈检测,可以了解隧道爆破开挖对围岩的影响,从而对系统锚杆的设计长度进行修正,使得锚杆的长度更加合理和经济。
简要介绍了超声波测试的测试技术及测试成果,供同行借鉴。
关键词:围岩松动圈;超声波检测;爆破影响范围鹤上隧道位于福州国际机场高速公路的A3标,起讫桩号为K6+250———K6+700,全长450m ,最大埋深为69m 。
隧道洞身位于半径为1710.00m 的平曲线内。
是国内罕见的3车道、大断面、小净距隧道,其中最大开挖跨度为16.692m ,岩(土)核净宽为5.66m 。
鹤上隧道属于剥蚀低山丘陵地貌,进口段天然坡脚为16°,出口段天然坡脚为20°。
地形起伏较大,植被发育。
地层自上而下为第四系残积坡土,底部基岩为侏罗系上统南园组凝灰熔岩,风化凝灰熔岩及其风化层。
本隧道的地层分别有:坡积亚粘土层、坡积碎石、坡积砂质粘性土(可塑)、坡积砂质粘性土层(硬塑)、砂土状强风化凝灰熔岩、碎块状强风化凝灰熔岩、弱风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩。
隧道沿线地下水类型主要为孔隙裂隙水和基岩裂隙水。
前者主要赋存于残积坡土层、砂土状强风化层中,地下水随季节变化;后者主要赋存于基岩裂隙和构造裂隙中,含水量极不均匀,沿裂隙构造带补给及排泄,具有承压性。
1 非金属超声波松动圈检测声波检测技术的基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波。
这种波以各种波形在材料和结构内部传播,并由接收仪器接收,通过分析和研究接收和记录下来的波动信号,来确定岩土介质和结构的力学特征,了解其内部缺陷。
超声波检测是利用纵波的波速来检测围岩的性质,其表达式为:V p =E (1-μ)ρ(1+μ)(1-2μ)由波速的表达式可知,弹性介质的性质及种类不同,弹性常数及密度不同,弹性波在介质中的传播速度也不同。
巷道围岩松动圈理论
围岩松动圈的理论一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。
当在其左侧开挖一空间后，水图1 隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。
这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。
如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。
这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。
如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。
单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。
这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。
这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。
围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。
对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。
从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。
图2 隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。
而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决支护问题的关键所在。
巷道围岩松动圈测试研究
能 源 与 环 保
第 ４１卷
坏，此时，巷道围岩应力开始重新分布，围岩在一定 范围内产生应力集中。当集中应力超过煤体应力 时，巷道会发生变形破坏，应力得到释放，围岩产生 裂隙，从而形成松动圈。松动圈的大小影响因素：掘 进方式、巷道断面形状、巷道断面尺寸、原岩应力、围 岩 强 度、支 护 参 数、支 护 方 式。 巷 道 围 岩 稳 定 性 分 类［５８］见表 １。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓｔｈｅＰＨＤ２ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎｄｅ ｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇａｎａｌｙｚｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａａｎｄｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｐｏｔ，ｔｈｅｔｅｓｔｐｏｉｎｔｓｏｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｃｉｒｃｌｅａｒｅａｒｒａｎｇｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｏａｌｗａｌｌａｔ５０，６５，８０，９５ ａｎｄ１１０ｍａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆ１１０５ｒｅｔｕｒｎａｉｒｗａｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｉｚｅｏｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｃｏａｌｗａｌｌｉｓｂａ ｓｉｃａｌｌｙ１．７～４．０ｍ，ｔｈｅｃｌｏｓｅｒｔｈｅｔｅｓｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｔｏｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｗｉｄｅｒｔｈｅｌｏｏｓｅｎｉｎｇｒａｎｇｅｏｆｃｏａｌｗａｌｌ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｌｏｏｓｅｎｉｎｇｃｉｒ ｃｌｅｏｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗａｌｌｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅａｎｄｍｏｒｅ，ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｚｏｎｅｏｆｓｅｖｅｒａｌｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ４ｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅ；ＰＨＤ２ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇａｎａｌｙｚｅｒ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙ
董方庭关于围岩松动圈理论的自述
董方庭关于围岩松动圈理论的自述客观的事物客观地存在着，发现它却往往是偶然的。
在1979年，最初我只是对锚杆的作用机理感兴趣，我的第一个意识就是围岩的状态决定锚杆的作用机理。
当时超声波测试刚刚在煤炭系统中应用。
在这一观点的驱使下我在淮北矿务局朱仙庄矿进行了大量的超声波测试。
这些资料清楚地告诉我，围岩存在着一个声波速度降低区，其规律性很强。
从声测的机理分析这是一个围岩破碎区，这就是大量巷道开凿后的围岩状态。
这一测试结果将我从原来的兴趣上引开，我提出了几个问题：（1）这一状态产生的原因；（2）这一状态与当时流行的支护理论有什么不同。
初步推论，这一状态的产生是围岩应力作用的结果，巷道开凿后，围岩原岩应力会发生变化，围岩应力以集中应力的方式在围岩中重新分配，围岩从三向应力的强度降低到二向应力的强度。
这两种变化使围岩发生了超过围岩极限强度的破裂变化，即后来我称之为的围岩松动圈。
开巷后围岩状态被确定，产生这一状态的原因被初步确定，我们的目标改为研究支护荷载问题，即支护理论问题。
支护荷裁决定于围岩状态：松散介质理论认为冒落拱内岩石重量是支护的外荷载；弹塑性理论认为控制弹塑性变形为支护的荷载，或者破碎区的岩石重量为支护的荷载；而松动圈理论认为围岩松动圈产生过程中岩石的碎胀力(碎胀变形)为支护的荷载。
为了回到原先的研究目标，对锚杆的作用机理我们初步认为：无松动圈时锚杆无支护作用；中等松动圈时锚杆起悬吊作用；大松动圈时锚杆为组合拱作用。
当时就在朱仙庄矿井进行了试验，并写出了两篇论文，其中一篇还在煤矿基建系统在杭州召开的学术会议上宣读，1980年获淮北市科技进步奖。
1982～1983年我们有机会与徐州地区的王庄矿合作，经过对该矿松动圈的测试，确定其中一部分巷道不用锚杆，确定一部分运输大巷的松动圈值为0.7m，使用长度为1.1m的锚杆。
这在当时是我所知道的最短的锚杆(原支护用锚杆为1.8m)。
1982年由江苏省煤炭系统组织召开了鉴定会。
巷道围岩松动圈测试技术与探讨(1)
文章编号:1004—5716(2004)10—0148—03中图分类号:TD325.4 文献标识码:B 巷道围岩松动圈测试技术与探讨贾颖绚,宋宏伟(中国矿业大学建筑工程学院,江苏徐州221008)摘 要:在进行巷道硐室围岩分类和支护设计时,特别是在对软岩巷道进行返修时,围岩中由于开巷等原因而产生的松动圈问题已经引起了相当重视。
对目前国内外采用的围岩松动圈测试技术进行了介绍和讨论,并对今后围岩松动圈测试技术的发展进行探讨。
关键词:松动圈;测试;声波;多点位移计;地质雷达;地震波;电阻率;渗透;巷道围岩1 概述开挖破坏了原岩的应力平衡状态,使围岩应力发生了显著变化,一是巷道周边径向应力下降为零,围岩强度明显下降;二是围岩中出现应力集中现象。
如果集中应力小于岩体强度,围岩处于稳定状态;如果集中应力超过围岩强度,巷道围岩将发生破坏,这一破坏发展到一定深度后会取得新应力平衡,产生一定的破坏松动范围。
1985年由董方庭等人提出了围岩松动圈支护理论[1,2],其中把这个松动破碎范围定义为巷道围岩松动圈。
松动圈支护理论的围岩稳定性分类表和支护设计方法在煤矿得到了大量应用[3,4],取得了良好的技术经济效果。
另外,人们也经常采用围岩松动圈来指导开巷布置、分析巷道稳定性等。
因此,测试围岩松动圈,已经成为现场一个经常性和必须性的工作。
但是,由于围岩松动圈存在于围岩内部,不能直接进行观测,需要依靠一定的技术手段,因此如何可靠地测试出松动圈范围成为工程技术人员非常关心的一个问题,对国内外松动圈测试手段进行分析和探讨十分必要。
巷道围岩松动圈的测试技术很多,并随着土木工程和科学技术的不断进步而发展,其中主要包括声波法,多点位移计法,地质雷达法,地震波法,电阻率法和渗透法等,本文将分别加以探讨,并对其今后的发展进行展望。
2 围岩松动圈的主要测试技术2.1 声波法测试围岩松动圈声波法是围岩松动圈测试技术中最常用的一种方法,且测试仪器简便。
应用物探方法探测硐室围岩爆破松动圈工程实例
摘
要 ：爆破松动 固是对岩石爆破后在岩石 内形成的渐 变岩 石 变形 区。综合 （ 两种 以上）物探作 为一种 间
接 的、十分有效的面积性勘察手段 ，可快速查明爆破松 动 圈的深度 和范 围。本文 以四渡河特 大桥 宜昌岸隧
道 锚 硐 围岩 爆破 松 动 圈探 测 为 例 ，介 绍采 用物 探 方 法 探 测 锚 硐 围岩 爆 破 松 动 圈 的应 用 成 果 ，探 地 雷达 查 明
Ｒｅ ｏ ｒ ｅ ｓ ｕ ｃ ｓＥｎｖｒ ｎ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ＆ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｇｎ ｅ ｉｇ
Ｖｏ ． ２． ｅ １ ２ Ｓ ｐ． Ｄｅ ．， ０ ｃ ２ ０８
应 用 物 探 方 法 探 测 硐 室 围岩 爆 破 松 动 圈 工 程 实 例
王建 军
（ 湖北省地球物理勘察技术研 究院 ， 湖北 武汉 ４０ ５ ） ３０ ６
０ 引 言
爆 破松动圈是对 岩石爆 破后 ， 在岩 石 内形成 的 以爆
破点为 中心 ， 由近及 远 的岩石 变形 区 ， 爆破 点愈 近 岩 距
式 中： — —介 质 体 埋 深 ； ｚ ——发 射 、 收 天 线 距 离 ； 接
— —
电磁波在介质 中传播速度。
电 磁波在介质中 播速 ｃ ￣ 传 度：＝ ／／ ｓ
围采用物探方法可 以探测 。综合 （ 两种 以上 ） 物探 作 为
一
种问接 的、 十分有效 的面积 『勘察手段 ， 生 具有方便 、 快捷
和成果直观 的特点 ， 可快速查 明爆破 松动 圈的深度 和范 围， 在解决爆破松动圈空 间分布及形态上具有优越性 。
时深转换关系： Ｃ ｔ２￣ Ｚ＝ ／（ ／ ）
分布及形态是有必要 的。爆破 松动 圈是渐变 的 ， 与完 整 岩石没有 明显 的分界线 ， 采用 钻孔手 段不易 鉴别 。但 爆 破松动 圈与完整岩石是有物性 差异 的 ， 在一定 的深度 范
地下洞室围岩弹塑性仿真反演分析方法
第２ 卷 第２期 ７
２０ ０ ７年 ６月 西安科源自技 大 学 学报
Ｈ Ｉ ） Ｙ ＮＯ Ｇ
Ｖ０． ７ Ｎｏ ２ １２ ．
Ｊ Ｒ Ｌ Ｏ ’ Ｎ ＵＮ ＶＥ ＳＴ Ｃ Ｅ Ｃ Ｄ ＯＵ ＮＡ Ｆ ＸＩ Ａ Ｉ Ｒ ＩＹ ＯＦ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ ＡＮ
摘
要 ： 下 洞 室围岩 弹 塑性 反 演分析 方 法是 长 期 以 来反 分析 理 论研 究的 一 个难题 。文 中详 细 地
分析 了实施弹塑性反分析所存在的 ３ 个难点 ， 并针对这 ３个问题 ， 假定围岩是理想弹塑性介质， 通 过参数对位移的灵敏度分析 ， 现场实测将弹塑性位移进行分 离， 从而探 索围岩弹塑性反分析 的新
Ｍ ｅｈ ｄ ｏ ｌｓｏ ｌ ｓｉ ａ ｋ ａ ａ ｙ ｉ ｙ ｅ ｕ ａ ｉ ｇ ｃ ｎ ｔ ｕ ｔｏ ｆｔ ｎ ｅ ｔ ｏ ｆｅａ ｔ ｐ ａ ｔｃ ｂ ｃ ｎ ｌ ｓｓｂ ｍ ｌ ｔｎ ｏ ｓｒ ｃｉ ｎ ｏ ｕ ｎ ｌ
ＣＨＥＮ ａ ｇ ｆ ｎ Ｉ Ｎｉ ｇ ， Ｆ ｎ ．ａ ｇ ，Ｌ ｎ ＺＨＡＮＧ ｈ ． ｉｎ Ｚ ｉｑ ａ ｇ （ ．ｃｏ ｌｆＡｃｉｃ ｒｌ ｎ ｉｌ ｎ ｃｅ ｎ Ｘ ’ Ｕｗｅ ￣ ｏ ｃ ｎｅ ｎ Ｊ １Ｓｈｏ ｏ ｒ ｔ ｔ ａ ｄ Ｃｖ ￣ｎ ｄ ｇ， ｉ∽ ｎ ｒ ｆＳｉ ｃ ｄ ｈｅｕ ａ ｉＥ ｓ ｅ ａ Ｉ 咖 ， ／ａ １０ ４ Ｃ ｉ ； Ｘ ’ｎ７ ０ ５ ，ｈｎ ａ
途径 ； 之后 阐述 了本 文采 用的仿 真反 分析 的概念 、 实施 思路 及 流程 ；最后说 明 了该方 法 的应 用与
检 验 思路 ， 结合 工程 实例 证 明该方 法的 可靠性 。
关键词 ： 弹塑性反 演分析 ； 强度参数 ； 弹塑性位移分离； 仿真反分析
一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法[发明专利]
![一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/fb8938fe55270722182ef773.png)
专利名称：一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法专利类型：发明专利
发明人：张建国,周跃进,吕有厂,马占国,郭建伟,徐晓鼎,焦向东,李萌,杨战标,马永东,裴刚,赵万里
申请号：CN201810278233.6
申请日：20180330
公开号：CN108802193A
公开日：
20181113
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法，探测设备包括主机、激振装置、声波接收装置和支撑杆，激振装置为在巷道钻孔孔口处形成振动声波的外激振装置，或在巷道钻孔孔内形成振动声波的内激振装置；声波接收装置包括固定件和至少两个声波传感器，声波传感器设在支撑杆上的固定件的同一侧，在声波传感器和固定件之间设有弹性件；激振装置和声波接收装置与主机电信号连接。
通过测量声波在巷道岩体内不同位置的传播速度实现对松动圈位置和范围的判断。
本发明实现了单孔干孔无耦合剂探测、探测精度及效率高、灵活性好、适应性好，成本低、工作量小。
申请人：中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,中国矿业大学,平顶山天安煤业股份有限公司地址：467000 河南省平顶山市矿工中路21号院
国籍：CN
代理机构：徐州市淮海专利事务所
代理人：尹清静
更多信息请下载全文后查看。
岩土工程中的弹塑性理论与分析技术
岩土工程中的弹塑性理论与分析技术岩土工程中的弹塑性理论与分析技术是研究岩土材料在受力作用下的弹性和塑性变形特性的理论和方法。
这些理论和技术在岩土工程设计、施工和监测中具有重要的应用价值。
本文将从弹塑性理论的基本概念、应用范围以及分析技术的具体方法等方面进行阐述。
弹塑性理论是研究岩土材料在受力作用下的弹性和塑性变形特性的理论。
弹性是指岩土材料在受力作用下能够恢复原状的能力，而塑性是指岩土材料在受力作用下会发生不可逆的变形。
弹塑性理论的基本假设是岩土材料在受力作用下是具有弹塑性的，并且可以通过一定的数学模型来描述其力学行为。
岩土工程中的弹塑性理论主要包括弹性理论、弹塑性理论和塑性理论。
弹性理论是最基本的弹塑性理论，它假设岩土材料在受力作用下只发生弹性变形，而不发生塑性变形。
弹塑性理论则是在弹性理论的基础上引入了塑性变形的概念，它假设岩土材料在受力作用下既可以发生弹性变形，也可以发生塑性变形。
塑性理论则是假设岩土材料在受力作用下只发生塑性变形，而不发生弹性变形。
在岩土工程中，弹塑性理论的应用范围非常广泛。
首先，弹塑性理论可以用于岩土工程设计中的荷载和变形计算。
通过建立合适的弹塑性模型，可以对岩土体在受力作用下的变形和破坏进行合理预测，从而指导工程设计和施工。
其次，弹塑性理论可以用于岩土体力学性质的试验研究。
通过对岩土体在不同应力状态下的弹塑性行为进行试验研究，可以获取岩土材料的力学参数，为岩土工程的设计和施工提供可靠的依据。
此外，弹塑性理论还可以用于岩土体的动力响应分析、岩土体的稳定性分析等方面。
在岩土工程中，弹塑性分析技术是基于弹塑性理论的具体计算方法。
弹塑性分析技术主要包括弹塑性有限元分析、弹塑性强度折减法、弹塑性反分析等方法。
弹塑性有限元分析是一种基于有限元法的弹塑性分析方法，通过建立合适的有限元模型和弹塑性本构关系，可以对岩土体在受力作用下的变形和破坏进行数值模拟。
弹塑性强度折减法是一种基于强度折减原理的弹塑性分析方法，通过将岩土体的强度参数按照一定的折减系数进行计算，可以对岩土体在受力作用下的变形和破坏进行估计。
围岩应力和位移的弹塑性分析.共59页PPT
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
围岩应力和位移的弹塑性分 析.
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于
基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析
岩土工程反分析计算量庞大，每进行一次弹塑
(2)
F ( E k， k，c k， k，) 1/ f k
性有限元计算所需的时间较长，而优化算法又需经 过多次计算才能实现。若反演过程按单机串行计算， 耗费机时较多，计算效率低下。而本文中所采用的 PSO 算法的主要耗时发生在各粒子的适应度计算阶 段，各粒子的适应度计算又是相互独立的，具有一 定的可并行性，因此本文提出引进基于 MPI 的主从 式并行[4]PSO 算法，可极大地加快反演计算速度， 提高计算效率。 在粒子适应度计算过程中，由主处理器将各粒 子适应度的计算任务分配到集群网络中各个处理器 上进行，计算完毕后由主处理器收集计算结果，并 由其根据每个粒子通过自身飞行过程所经历过的最 好位置和整个群体所经历过的最好位置更新每个粒 子，产生新一代粒子群体，然后再分配任务给各处 理器进入下一次计算。 集群(computer cluster)技术是近几年兴起的一 项高性能计算技术，它将一组相互独立的计算机通 过高速的通信网络组成一个单一计算机系统，并按 照单一系统模式进行管理。这些价格便宜的集群计 算系统完全可以实现价格昂贵的传统大型并行计算 机才能实现的高速并行计算，经济可行，具有较高 的运用价值，尤其适用于计算量巨大的岩土工程反 分析中。基于 MPI 的主从式并行 PSO 算法的具体 实现见图 1。
岩体力学参数及厂区初始地应力场，包括应力反分 析法、位移反分析法和混合反分析法。由于位移量 测比应力量测更经济方便，且获取监测数据更容易， 因此，目前岩土工程中位移反分析应用最普遍。 因求解途径不同，位移反分析法又分为位移正 反分析法和位移逆反分析法。前者是正分析的优化 逼近过程，它可同时适用于求解线性问题和非线性 问题， 计算量大， 但可沿用原有的正分析计算程序， 适用性较强；后者为正分析的逆过程，需要有严格 的求解表达式，求解简单，一般只适用于求解线弹
围岩变形弹塑性分析
围岩变形弹塑性分析(总7页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除§2.1 隧道围岩重分布应力的计算隧道开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力的作用而处于相对平衡状态；隧洞开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的平衡状态，从而产生向洞内空间的膨胀变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的重新调整，达到新的平衡关系，形成新的应力状态。
2.1.1弹性围岩重分布应力对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一般时，隧道开挖后的围岩将呈弹性变形状态。
这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩应力重分布可用弹性力学的基本理论来分析，隧洞半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，围岩重分布应力可用柯西（Kirsh ）课题求解。
图2-1是柯西课题的简化模型。
设无限大弹性薄板，在边界上受沿X 方向的外力P 作用，薄板中有一半径为R 0的圆形小孔。
取如图极坐标，薄板中任一点（，）的应力及方向如图所示，按平面问题考虑，不计体力，则点的各应力分量，即径向应力、环向应力和剪应力与应力函数间的关系，根据弹性理论可表示为：22222221111r r r r r r r r r θθθθφφσθφσφφτ∂∂=+∂∂∂=∂∂∂⎫⎪⎪⎪⎪=⎬⎪⎪⎪⎪⎭-∂∂∂（2-1） 上式的边界条件为：()()()()000cos 222sin 22r r b r r b r r r br bp p bR p b R b R σθτθστ====⎫=+⎪⎪⎪=-⎬⎪⎪==⎪⎭（2-2）设满足该方程的应力函数φ是：()222ln cos 2A r Br Cr Dr F φθ-=++++（2-3）带入上式并考虑边界条件，可求得应力函数为：22220022200ln 1cos 22222pR R r r r R R r φθ⎡⎤=-----⎢⎥⎢⎥⎣⎦（2-4） 代入可得各应力分量：24200024224002442004234(1)(1)cos 223(1)(1)cos 2232(1)sin 22r r R R R r r r R R r r R R rprp p θθσθσθτθ⎫⎡⎤=-++-⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎡⎤⎪=+-+⎢⎥⎬⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎪=--+⎪⎭（2-5） 式中，x σ,θσ,r θτ分别为M 点的径向应力、环向应力和剪应力，以压应力为正，拉应力为负;θ为M 点的极角，自水平轴(x 轴)起始，反时针方向为正；r 为径向半径。
所谓岩土工程位移反分析资料
所谓岩土工程位移反分析，即以现场测量到的位移为基础，通过数学物理反分析模型，得到岩土介质的本构模型及等效力学参数（如初始地应力、变形参数、强度参数等）的方法。
最终目的是建立一个输出位移更接近现场实测位移的理论模型，以便较正确地反映或预测岩土结构的某些力学行为。
20 世纪70 年代初人们开始岩土工程位移反分析的研究，随着岩土工程的发展，国内外众多学者对位移反分析的理论与应用进行了大量广泛而深入的研究。
岩土工程位移反分析涉及的研究内容非常广泛，下面就从位移解析解、位移反分析的唯一性、位移测量点的优化布置、本构模型、数值计算方法、优化方法这六个方面对其进行综合地考察。
1.3.1 位移解析解1898 年，Kirsch[92]最早发表了弹性平板中圆孔周围的二维应力分布解，Jaeger和Cook （1969）[93]对Kirsch 方程进行了详细的推导。
此后，Poulos 和Davi（s1974）[94]、Pender （1980）[95]、Carter（1982）[96]和Verruijt（1999）[97]分别在不同的边界条件下给出了圆形巷道的位移解析解。
Exadaktylos（2002）给出了半圆形巷道的位移解析解[98]。
Muskhelishvili（1953）[99]和蔡晓鸿（2008）[100]分别在不同的边界条件下给出了椭圆形巷道的位移解析解。
吕爱钟（1998）[10]、张路青（2001）[101]求解了不同地应力条件下任意形状巷道的位移解析解。
1.3.2 位移反分析的唯一性反分析的唯一性是位移反分析中最重要却研究得最不充分的理论问题之一。
迄今为止，国外尚未有相关论文发表，国内的论文也是凤毛麟角。
吕爱钟（1988）[103]推导了参数可辨识条件，论证了地下洞室弹性位移反分析的多种唯一性问题，并指出某些问题无论安装多少个位移测点其反分析的结果都不是唯一的。
张路青（2001）[101]进一步研究了考虑剪应力时位移反分析的唯一性问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.1 松动圈的基本模型 洞室开挖后，在洞室四周会形成有一定厚度的
松动圈。松动圈范围内岩体破碎，变形模量明显降 低，位移量明显增大。如仍将围岩视为各向同性的 均一介质，则由位移反分析计算所得的结果将包含 较大的误差。
在反分析时，松动圈可以简化为由若干具有不 同力学性质的薄层，层的厚度可以相同，也可以不 同。且以洞壁为外界面的薄层松动得很严重，越往 深部各薄层的松动程度越轻，并逐渐向未受松动影 响的岩体过渡。这样就可以认为松动圈是具有不同 变形模量的多层结构模型，故问题就可以归纳为多 层分区变形模量的反演问题[3]。本文基于简化原则， 将围岩仅分为 2 层。 3.2 松动圈的反演方法与步骤
摘要：在按弹塑性理论进行地下工程设计与分析时，真实工作状态下岩体力学参数的确定十分重要和必要。为
确定这些岩体力学参数，从洞室监测过程中的实际情况出发，根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况，
将监测位移进行弹塑性分离，从而提出一种行之有效、易于工程实际操作的考虑围岩松动圈的弹塑性位移反分
析方法。该反分析方法所得结果与设定值吻合良好，并通过工程实例得到验证，为工程实践提供一个切实可行
2 弹塑性反演思路
本文的弹塑性反演是在这样的实测过程中发现 的：理论上被认为是内变量(不可测)的塑性变形在 洞室监测实践中本文却发现可以方便地测得。即在 监测中，将掌子面穿过分析断面之前，由其上部现 场预埋的多点位移计测得的位移U E 认为是弹性变 形，此时没有产生松动区，可以进行弹性反演围岩 的弹性参数；当掌子面穿过分析断面时，由爆破前 后测得的瞬时位移 U e (U e = U2 −U1 )可认为是松动 区的弹性变形，这时可将围岩视为两种介质，这样 就可对松动区和非松动区进行弹性反演；当掌子面 穿过分析断面后，掌子面停滞时仍可测到的位移 U p (U p = U3 − U2 )可认为是由于围岩应力调整产 生的塑性位移，利用该位移即可进行松动区的强度 参数反演。这种思路同时又是基于这样一个公理： 对于没有流变的围岩，弹性变形大都是瞬时的，塑 性变形大都需要一定的时间进行应力调整。
1引言
在地下工程设计与施工中，一个重要的障碍就 是真实工作状态下的岩体力学参数难以确定。通过 现场施工监控量测位移，反分析地层的材料力学性 态参数，是工程设计的一种可靠的方法。国内外已 有不少专家学者研究了不同洞型的反演[1～3]、考虑
支护作用的反演[4～6]以及考虑施工过程的仿真反分 析[7]等，针对弹塑性围岩的反分析也有人进行过探 索[8～14]。对于非线性、多介质问题大多采用传统优 化方法或随机规划技术与数值方法的有机结合来实 现，其研究大都集中在优化算法及与其他学科相结 合的非确定方法研究上，这些方法存在盲目性大， 解的存在性、唯一性和稳定性差等问题。而真正直 接对弹塑性参数进行反演分析的最大障碍——非线
(3) 原岩变形参数 E，ν 及地应力系数 λ ，松动 圈变形参数 E′ ，ν ′ 可分别根据位移U E 和U e 反演
·1306·
岩石力学与工程学报
2006 年
得到；松动圈强度参数 c，ϕ 可根据位移U p 反演得
到。具体反演分析方法与步骤如下：
① 首先由多点位移计实测得到未扰动洞顶竖
向位移 uv ，由可估计的垂直地应力σ v = γ H 与 uv 反
第 25 卷 第 7 期
李 宁等. 围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索
• 1305 •
监测断面沉降量 UE Ue Up
性问题逆解的唯一性问题至今仍未解决。 洞室开挖后，围岩应力将经历重分布过程，某
些部位可能进入塑性状态，随着塑性变形的发展而 导致围岩产生松动圈。此外，开挖爆破也可引起岩 体强度降低，在洞周应力集中的条件下更易形成松 动圈。松动圈常以声波法或用多点位移计测定。因 开挖中松动圈是客观存在的，松动圈的存在必然导 致位移测值的增大，这对反分析结果必然有较大的 影响。因此，提出一种针对松动圈围岩的弹塑性反 分析方法具有重要的实用价值。本文试图绕过理论 上唯一性的困难，从实践中寻求一种有效、易于操 作的考虑松动圈塑性变形的弹塑性位移反分析方法。
竖向塑性位移
u
p vm
与侧壁中点水平塑性位移
uhpm
)，
按相同方法反演确定松动圈的强度参数 c，ϕ 。
(4) 这样经过多次迭代使计算值 uvci ， uhci 逐渐 逼近实测值 uvmi ， uvmi 时的各参数即是围岩较真实 的值。这样就完成了隧洞围岩在考虑松动圈时的弹
塑性位移反分析数值求解。
4 反演分析实例
这样考虑松动圈的弹塑性位移反分析就可以分 3 个阶段来实现：(1) 进行未扰动区的弹性位移反分 析，即根据掌子面通过分析断面之前的现场多点位 移计实测值U E 反演得到围岩的初始应力场(地应力 系数 λ )和弹性参数(弹性模量 E、泊松比ν )；(2) 根 据掌子面穿过分析断面的瞬时实测位移值U e 反演 得到围岩松动圈的变形模量 E′ 与泊松比ν ′ ；(3) 再 根据掌子面停止时的实测变形U p 反演得到围岩松 动圈的强度参数(黏聚力 c 和内摩擦角ϕ )。这样就 把一次反演未扰动原岩地应力系数 λ 、变形参数 E， ν ，松动圈的变形参数 E′ ，ν ′ 及强度参数 c，ϕ 共 7 个参数的复杂弹塑性反分析问题转化为 3 个较简 单问题——弹性变形反演、扰动区变形模量反演和 松动圈内强度参数反演。前 2 个反演分析问题已有 诸多论述[2，3，11]，本文重点论述第 3 个问题。
就可得到地应力系数 λ 。
③ 在求得原围岩的 E，λ 值之后，再根据掌子
面穿过分析断面时的实测洞顶
中点水平位移 uhem ，应用相同的反演方法反演得到
松动圈的变形参数 E′ ，ν ′ 。
④ 反演出围岩变形参数 E，ν ，λ ，E′ ，ν ′ 后，
根据掌子面停止时继续发生的实测位移U p (即洞顶
Abstract：The rock around tunnel is usually loosed by blasting excavation behaviors. The nonlinear plastic properties in the loose area influence greatly the measurements of tunnel deformation. A new back analysis method is proposed based on the simulation of construction sequence step by step. The measured displacement is divided into elastic and plastic parts according to the different tunneling states. A back analysis method for the elastoplastic displacements of broken rock zone around tunnel is proposed based on the measured plastic deformations. An example shows that the proposed back analysis method is reliable and useful for tunnel engineering. Key words：rock mechanics；deformation monitoring of surrounding rock；broken rock zone；back analysis of displacements
每次掌子面推进后所测位移随掌子面推进的曲 线也明显显示了这一特性，如图 1 所示，其中，D 为洞径(m)。
掌子面推进方向 4D
3D
2D
D
o 掌子面距监测断面距离
图 1 测量断面沉降位移随掌子面推进曲线 Fig.1 Measured displacement curve with tunnel excavation
拟取埋深 100 m，洞径 10 m 的圆形洞室进行研 究。假定松动圈为 2 m，以奥地利岩土工程分析软 件 FINAL 为分析平台，围岩采用三角形六节点等参 实体单元模拟，将围岩视为理想弹塑性介质，运用 Mohr-Coulomb 准则模拟其塑性屈服特征；数值模 型底面边界采用固定铰支，2 个侧面沿 Y 方向可自 由滑动，采用滚动支座。对 III，IV，V 类围岩各取
的实施方案以确定这些有用的参数，是岩土工程信息化设计、施工的重要手段。
关键词：岩石力学；围岩变形监测；松动圈；位移反分析
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2006)07–1304–05
A BACK ANALYSIS METHOD FOR ELASTOPLASTIC DISPLACEMENT OF BROKEN ROCK ZONE AROUND TUNNEL
一例。 本算例是为了检验本文提出的考虑松动圈时的
围岩弹塑性反分析方法的正确性，为避免种种因素 (如现场量测、施工方法等造成的误差)的干扰，本 文采用由正分析得到的“理想量测位移”方法来评 价反演方法本身的可行性，即首先由已知的初始应 力场及岩层力学特性参数正分析得到预设测点的位 移，再由此位移来进行反分析以检验本方法的可行 性。为了减少工作量，松动圈采用双介质模型，取 μ 和σ y = γ h 作为已知量。反分析结果列于表 1。
收稿日期：2005–01–20；修回日期：2005–03–10 作者简介：李 宁(1959–)，男，博士，1982 年毕业于陕西机械学院水利水电工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩体动力学、冻土力 学及隧洞、边坡稳定性分析等方面的教学与研究工作。E-mail：ningli@
基于本文反演参数分离的思路，在假定松动圈 已经确定和松动圈围岩符合 M-C 理想弹塑性模型 的条件下，本文给出隧洞围岩松动圈的弹塑性位移 反分析数值求解方法与步骤如下：