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。在现场，可用声波仪或多点位移计等仪器测试。

二、隧道围岩的应力分布

图3巷道围岩应力分布

1、破裂稳定区（R0＜r＜R w）

该区内，岩石破裂碎胀后，其强度将下降到残余强度。采用摩尔——库仑(Mohr—Coulomb)强度条件，并注意到：实验证明岩石破裂后，主要是岩石内聚力降低，内摩擦角变化并不大。破裂稳定区内应力主要与破裂稳定区内的岩石性质和支护的性质有关，而与原岩应力无关。

2、破裂剧烈区（R w＜r＜R b）

该区内岩石开始破裂，强度随应变的增大由岩石极限强度降低至岩石的残余强度。破裂剧烈区的应力，也与原岩应力无关，只与破裂稳定区半径、破裂稳定区岩石性质、破裂剧烈区岩石性质和隧道尺寸有关。

3、弹性区（Rb＜r＜＋∞）

弹性区内的应力与破裂剧烈区和破裂稳定区的性质有关系。由于破裂剧烈区和破裂稳定两个区的存在，弹性最大主应力减小，弹性最小主应力提高，使摩尔圆直径减小，有利于弹性区围岩的稳定状态的保持。

三、围岩松动圈的性质

1、围岩松动圈的客观性及普遍性

围岩松动圈是隧道开挖后，隧道周边客观存在着的物理状态，其对应于岩石全应力——应变曲线峰后阶段的岩石状态。只有当围岩强度大于围岩的应力时，巷道周边不产生松动圈，此时称松动圈值为零，巷道实际不存在支护问题，

图4所示是在普济隧道（砂、泥岩互层）用形变一电阻率法和声

图4隧道周边围岩自承体系

波测量测得的。自承体系由内向外包括：内层支护、松弛带、压密区，有时在松弛带外还有一过渡带。松弛带中岩体沿隧道切向和径向因发生张性变形，因而比原岩状态松弛；它常分为两部分，接近压密区的

部分变形较松动。压密区中岩体沿隧道切向发生压性变形，沿隧道径向有时也受压、岩体整体呈被压缩状态。过渡带中岩体或基本不变形，或在整个变形过程中或成为松弛带的一部分，或成为压密区的一部分。

2、围岩应力、岩石强度与松动圈值的关系

同一围岩的隧道中，岩石应力愈大，松动圈也愈大。同一应力条件下，岩石强度愈低，松动圈也愈大。

3、围岩松动圈的形状待性

围岩松动圈具有一定的形状。根据实验室试验，当围岩各向同性时，如果垂直应力与水平应力相等，则为圆形松动圈，否则为椭圆形，且椭圆的长轴与主应力P方向垂直（图5），如果围岩非同性，在岩石强度低的层位将产生较大的松动圈〔图6〕。

1—垂直应力与水平应力相等；2—垂直应力大于水平应力

图5 围岩松动圈形状

1—软岩松动圈；2—硬岩松动圈

图6 非均质围岩松动圈

4、围岩松动圈形成的时间性

出于围岩应力调整及其重新分布，以及岩石具有长时强度的特性，围岩松动圈的发展形成有一时间过程，但对于时间的定量待研究。现场实测，松动圈的形成时间，小松动圈需要3～7天，大松动圈需要1～3个月。巷道收敛量测表明，松动圈发展的时间与巷道收敛变形

在时间上是一致的。前者是因，后者是果。

5、围岩松动圈与支护的关系

围岩松动圈对支护的影响大，而支护对松动圈的尺寸影响不大。现场观测表明。当松动圈L p＝0时，如果围岩比较完整，可以裸体不支护；当L P＝0～40cm时，只喷混凝土就能有效地维护；如果L p＝130～150cm，一般常用的料石碹(刚性)支护就不适应了；当L p≥150cm时，则刚性支护已难以维护了。

上述现象说明，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，另一方面，在同一隧道中不同的支护形式下，松动圈的量测值没有明显区别，即支护对松动圈尺寸影响不大。

6、一点说明

围岩松动圈与弹塑性理论所指的围岩破碎带，统指隧道开挖后围岩应力重新分布后应力超过围岩极限强度的区域。围岩松动圈支护理论由于看重它在形成过程中的碎胀力，它在围岩分类中的应用，它与锚杆作用机理的关系和相应的支护技术，因此称之为围岩松动圈支护理论。它虽然在模型试验、现场测试和理论分析中给出了松动圈值的关系式，但是目前在工程中应用，由于岩石性质，地应力等多因素影响，不主张在多项假设的条件下，用计算的方法确定围岩松动圈的值。

四、隧道围岩松动圈与支护对象

1、普氏冒落拱理论

普氏冒落拱理论是俄国学者普罗托吉雅可诺夫于1907年提出的。普氏认为，在松散介质中开挖巷道后，其上方会形成一个抛物线形自然平衡拱，该平衡拱曲线上方的地层处于自平衡状态，其下方是潜在的破裂范围。该理论将平衡拱内的围岩作为支护对象，支护荷载只是冒落拱内的岩石重量，如图7所示。

图7普氏理论荷载计算

冒落拱高度b：