轴变论与围岩变形破坏的基本规律(于学馥)
研究生创新基金项目申请书
山东科技大学
研究生创新基金项目
申请书
项目名称软岩巷道变形机制与支护计谋研究
项目负责人刘辉
所属学院(盖章) 资源与环境工程学院
联系
填表日期2020-07-05
山东科技大学研究生教育学院
二〇一〇年六月编制
填写要求
一、以word文档格式如实填写各项，填写内容必需实事求是，表述明确严谨，空缺项填“无”；
二、表格中字体小四号仿宋体，倍行距；签字部份兰黑色签名；
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三、表中空格不够时，可另附页，但页码要清楚；
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地下工程围岩变形和破坏的力学机理研究
(3)当P;<0时，PO < a.，巷道围岩处于弹性状
态，可以自稳，无需支护，这时巷道的埋深小于软化
临界深度。
一2c份
3. 3塑性流动圈半径的理论解
(Rf)‘一1
r
(K;一1)a;+:‘·而
(9)
p.，根据松动区的岩体Mohr-Coulomb准则，结合
平衡方程，可以求出松动区岩体的应力分布:
1Kp - 1「
而〕
KpKp - 1
(Rf)‘一，
r
(K;一1)o;+::·衍
其中，只—使围岩不出现塑性软化的最小支护
力。
根据岩石的软化临界荷载的含义可知，
}2BoR,二/，，、，r }Re、二
1u=宁二答号L(1一h)(--一(-) ") I
}一1+h‘、‘’叼、 2尺、r““
J_2Bo ,l一h二‘、二
ift一1 +VhLy 2=一(--r )1+^)J (lo)
!2Bo 1一h.，尺、，二*、，
中处于三轴压力的平衡状态，一旦开挖，这个平衡系
统就会被破坏，围岩应力会重新调整。
以圆形巷道为例，调整的结果，围岩出现了四个
区，自采空区向外依次是:塑性流动区、塑性软化区、
塑性硬化区、弹性区，对于上述各区的划分，国内外
学者(陈进[Ill，蒋宇静[[2]等)在有关的论文中都有过
论述。
一弹性区
图1软岩巷道围岩分区
2圆形巷道围岩的软化模型
巷道(以圆形巷道为例)开挖以后，采空区附近
围岩应力状态由平面应力状态变为单轴应力状态，
极软岩层巷道围岩控制技术研究(开题报告)
陈宗基院士[2,3]于60年代提出，该理论认为：同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。例如坚硬的花岗岩，在高温高压工程条件下，会产生不同应力应变。
(2)轴变论理论
于学馥教授[4]提出，认为：巷道坍塌可以自行稳定，开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。
(14)薛亚东、康天合[27]根据对煤层巷道围岩岩性和层次结构特征分析，认为巷道受力破坏规律和形式受围岩结构，特别是煤层与顶底板强度对比关系的影响。一般规律是煤层相对顶底板越软，则两帮多发生楔形或倒楔形破坏，顶板易形成大块状垮落体；煤层相对顶底板越硬，则两帮多发生片状或鼓形破坏，顶板易形成单抛物拱垮落体。
采矿工程
研究方向
围岩支护
导
师
姓名
王卫军
技术职务
教授
学术专长
围岩支护
主要研究内容
1、极软岩层围岩应力分布规律；
2、围岩塑性区范围大小对巷道围岩变形量与底臌量影响规律；
3、建立不同支护条件下极软岩巷道的力学模型，进行极软岩层围岩控制原理的研究，为极软岩层巷道锚杆支护参数设计提供理论依据；
II．立论依据
II-1研究的理论意义与现实意义
(7)应力控制理论
应力控制理论[12]也称围岩弱化法、卸压法。通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移。
(8)软岩工程力学支护理论
何满潮提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论[13~21]。涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护载荷的确定和软岩非线性大变形力学设计方法等。
2008年10月13-11月3日全国主要城市矿石价格汇总
和矿岩物理 力学 特性 。
将 向开挖 临空面发 生 回弹 变 形 ， 总体 上 表现 为 向洞 内收敛 ． 在无 支护措施 的情况 下 ， 挖完后 围岩 的最 开 大 位移可达 一 ．ｍ ９ ６ ｍ。最 大位移 为发生 在拱顶 位 置 的沉降 。
监控 量测来 获得实 际施 工 中的 围岩力学动 态和支护
［ ］ 于学馥等． 下工程围岩稳定性分析 ［ ． ４ 地 Ｍ］ 北京煤炭 工业出版
社 ．９ ３ １８ ．
体 系的工 作 状态 信 息 （ 据 ） 数 。通 过 实 际 监 控数 据
［ 沈明荣． ５］ 岩体 力学［ ． Ｍ】 上海 ： 同济大学出版社 ，００ ２０．
室在施 工过程 中 围岩 和支护结 构 的应 力应变 和主要
算结果影响较大 ， 应依据实际情况 ， 合理选择材料模
型 ， 善实验效 果 。 以改
参 考 文 献：
［ ］ 于学馥， １ 郑颖人 ， 怀恒等． 下工程 围岩稳 定分析 ［ ． 刘 地 Ｍ］ 北
京 ： 炭 工 业 出版 社 ，９０ 煤 １８ ．
６ ｍ处 ， 区域 即为 围岩二次应 力场 的分布 区域 。 该
洞室 开挖 过程 中 ， 室 周边 浅 部 围岩 中 出现 了 洞
厚度 不等 的塑 性破坏 区 ， 比较 而言 ， 以拱顶部 位和底 板 和墙角处 塑性破坏 较为严重 。这些 部位 常常也 是 最大、 最小 主应力集 中区。在开挖 不支护条 件下 ， 围 岩 都有不 同程度 的塑性破坏 区域 出现 。在 拱顶 和底
［ ］ 李世辉． ２ 隧道 支护设 计新论 一 典型 类比分 析法应 用和 理论
【 ． Ｍ］ 北京： 学技术 出版社 ，９９ 科 １９ ．
隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施
隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施摘要：介绍软岩含义，简要分析隧道围岩变形机制，介绍国内外部分关于隧道变形的支护理论，列举了常见的支护措施及变形控制技术。
关键词：隧道软岩；力学机制；防治措施1软岩含义及力学特性关于软岩的含义至今仍然有多种解释。
1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩[1]，属于定性的规定。
国际岩石力学学会（ISRM）对软岩给出了定量的规定～定义软质岩为单轴抗压强度在0.5～25MPa的岩石。
近年来，在我国的水工、道路及矿山建设中，越来越多地涉及到软岩工程问题，大量工程实践提供了众多成功经验和失败教训，成为软岩技术发展的推动力。
孙钧教授总结软岩的基本特征是强度低，孔隙率高，容重小，渗水、吸水性好，易风化，易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效特性，认为高地应力地区的岩石蠕变将呈非线性性态发展。
2隧道围岩变形机理隧道围岩变形机理的研究进展和岩体力学的发展存在着紧密的关系。
在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。
关于大变形的形成机制，一般分为以下两类[2]：（1）坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放：从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场，我们称为一次应力状态。
坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。
如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不加任何支护，坑道即可自稳。
如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。
因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。
应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。
这是软弱围岩隧道设计施工的主要原则。
就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。
（2）岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。
隧道塌落拱的计算
隧道塌落拱的计算支护结构物在控制围岩的变形、松散或防止岩块坍塌的过程中，自身将受到由于围岩的变形或岩块坍塌所产生的力的作用。
我们把这种来自围岩的，作用在支护结构物上的力称做“山体压力”。
当山体压力作用于支护结构物时，支护结构物对图岩也产生了反作用力。
因此，这个概念反映了围岩与支护结构物之间的相互关系。
在地下工程的长期实践中人们发现，在一般随况下，围岩的这种坍塌是有一定限度的。
当坍塌致使洞室形状改变到一定程度时，将不再发展，即使不加支护，围岩自身亦可建立起新的平衡。
这也就是说，如果不加支护，洞空开挖前后围岩力学形态将经历“相对平衡——变形、破坏、坍塌——相对平衡”的过程，这种过程的最终产物就是“坍落拱”。
对此，有不少技术工作者总结了这种规律，并建立了一些简单的数学公式来描述不加支护情况下围岩最终坍塌的范围即坍落拱的形状。
主要有以下五种方法：1. 三角形公式如图a 示：（注：以下所有图示均以单线铁路隧道Ⅴ级围岩为例） 侧壁稳定时其高度为：ϕtg b h = 侧壁不稳定时其高度为：ϕϕtg b tg h +-︒⨯=)2/45(H h －坍落洪高；b －洞室跨度之半；H －隧道开挖高度；φ－岩体内摩擦角。
图a(单位：mm)2. 轴变论公式20世纪50年代末。
我国学者于学馥教授提出了轴变论，他提出了在二维应力场中，使围岩保持稳定的最佳洞形是具有一定轴比的椭圆。
1978年瑞合兹（） 和贝觉克门（）又从理论计算方面解决了这一问题。
从围岩稳定的观点选择最佳洞形，就是要找具有最小应力集中的洞形，这种洞形称为“谐洞”。
形成“谐洞”的条件为：如图b 所示。
λ1=qq －椭圆轴比；λ－围岩侧压力系数，据有关资料，当埋深小于500m 时，λ=～，松散软弱地层中，λ=～。
图b(单位：mm)塌落拱高度即为椭圆长轴，即：λab =a －椭圆短轴长，等于隧道开挖半径；b －椭圆长轴长。
3. 梯形公式包里索夫等人从层状岩体坍落后出现的块体平衡出发，认为在层状围岩中坍落拱的形状为一梯形，如图c 所示，其高度为：()a a L h h cos sin 1⨯+=式中：h －塌落拱高度，m ；L －洞室跨度,m ；a －层面倾角；图c （单位：mm ）δδζtg a nr h a L h i i n 2cos 04.0cos 1-=其中：ζ－压缩蠕变系数，可取ζ=～；h i －层厚，即层面间距,m ；n －承载能力安全系数，可取n =4；δn －抗压强度,N/cm 2；γi －岩体容重,t/m 3；δ－冒落边界与层面间的交角，根据试验资料，对坚硬裂隙性岩石当沉积深度不大和中等时，这个倾角δ等于60°～80°。
第三章岩石流变力学
式。目前的经验公式一般用于描述初期蠕变和等速蠕变；对于加速
蠕变，至今尚未找到简单适用的经验公式。蠕变的经验公式主要有：
1.幂函数型：
(t) At n
ε(t)
n>0
n<0
A、n—试验常数，与应
力水平、材料特性等有
关
0
t
2.对数型
t 0 B logt Dt
0 — 瞬时弹性应变
B、D — 试验常数
f .t
表示流动（应变速率）与应力、时间的关系。 5、硬化理论
f .
随着变形增加，变形速率减少，仿佛“硬化”。 6、速率过程理论：从物理化学的角度来描述岩土体的分子热运动
§3.3 岩石蠕变的本构模型
经验公式 本构模型组合模型
积分形式的模型
一.经验公式
经验公式是根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达
与时间有关
弹性后效 (流变)流动塑粘性性流流动动
弹性后效：是一种延期发生的弹性变形和弹性恢复，即外力卸载后 弹性变形没有立即完全恢复，而是随着时间才逐渐恢复到零；
流动：变形随时间延续而发生的塑性变形； 粘性流动：在微小外力作用下发生的流动； 塑性流动：在外力达到某个极限后，材料才发生的流动；
第三章岩石流变学
§3.1 岩石工程中的流变问题 流变(theology): 物质在外部条件不变的情况下，应力和应变随时
间变化的现象．流变性又称粘性（viscosity).
按卸载后变形是否恢复
弹性变形 (可恢复变形 ) 塑性变形(不可恢复变形
)
物体变形
与时间无关
(瞬时变形)塑 弹性 性
按与时间之间的关系
我们知道，在塑性力学中，塑性本构关系包含三个方面：屈服 条件，加卸载条件和本构方程．
第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型
R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树林残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
第三节 地下洞室特殊地质问题
T＝T0 (H h)G
0.05 k
道的现象。地下洞室中，地下水影响可归纳为以下几个方面：
1．以静水压力的形式作用于同室衬砌。 2．使岩石和结构面软化，使其强度降低。 3．促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，造成岩体易于
滑动。
4．石膏、岩盐及某些以蒙脱石为主的粘土岩类，在地下水的作 用下将易发生剧烈的溶解或膨胀。随着膨胀的产生，将会出
v
v H
H H
v
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
三. 松散围岩的变形与破坏： 1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重 力作用下自由坍落。
塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形 成碎屑流涌出。
第三节 地下洞室特殊地质问题
一. 突水突泥： 突水突泥是指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
隧道掌子面
隧道掌子面开挖
隧道掌子面开挖
隧道盾构施工
隧道盾构施工
隧道锚喷支护
隧道衬砌施工
建好的地下厂房（二滩电站）
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
一. 围岩应力引起的变形与破坏
1. 围 岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。 2. 二次应力：工程开挖后，岩体中一定范围内原始应力
常温、常压下各种易爆炸气体与空气合成的混合物的爆炸界限值
气体名称 爆炸限度含量 气体名称 爆炸限度含量
甲烷（沼气）
10围岩蚀变类型
A.M·金兹堡认为伟晶作用的地球化学演化，主要表现 为一些硷金为另一些硷金属的交替上。他把整个伟晶岩 作用，以不同的硷金属作用为代表，划分为下列的地球 化学阶段：
1）原始结晶作用阶段(部分再结晶作用)：
晚期钾化阶段实际是前一阶段的继续，Na化转变为K化， Rb和Cs的成分增加了。
本阶段的特征为广泛发育钾云母—含锂的绿云母。有时 可出现锂云母和晚期钾长石。本阶段常是伟晶岩的最后 阶段。
只有当溶液富集锂时才有晚期锂阶段的出现。其特征是 广泛发育锂云母以及透锂长石和其他一些含锂矿物等。
在伟晶岩矿床中，交代作用与稀有金属矿化关系最为密 切。一般交代作用不发育的伟晶岩，仅见部分锂、铍及 铌的矿化。而结晶岩脉内交代作用愈发育，稀有元素矿 化的可能性就愈大。
①Ca—Na；②K；③Li。
2）交代阶段：
①Na；②K—(Rb)；③Li—K—Rb—Cs。
Ca—Na阶段为伟晶岩作用的开始阶段，特征矿物为更 长石，典型的伴生矿物为黑云母。常构成伟晶岩的边缘 带。
K 化阶段的特征是形成大量钾长石(正长石和微斜长石)。 本阶段末期可产生白云母化作用。
• 2）有利于找矿
• 由于蚀变围岩分布的范围比矿体要大，在找矿时易被发现，所以 长期以来即作为一种重要的找矿标志。
• 根据蚀变岩石的组成矿物、分布范围和强度，可以预测矿产的种 类、赋存的位置以及富集的程度。例如云英岩常伴生有钨、锡和 钼矿化，青盘岩常伴随有金、银、铜、铅和锌等。
• 围岩蚀变强烈而广泛发育者，一般可预示有大矿或富矿的存在。 有时蚀变岩石本身就是矿产，如明矾石、叶蜡石和菱镁矿等。
隧道工程设计：开题报告(含文献综述)
·······毕业设计(论文)开题报告学生姓名：··学号：···专业：城市地下空间工程设计(论文)题目：徐州九里山隧道设计指导教师: ·······年· 月·日1.结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文献综述1 前言随着社会的快速发展，城市化的区域越来越广，隧道在其中扮演着不可或缺的角色。
隧道是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通行的工程构筑物[1]。
它不仅是城市之间交流的联系通道，也是人们生活发展的基础之一。
然而应社会发展的需求，隧道建设安全性和耐久性的增强加大了隧道设计的难度。
隧道设计需要在隧道选线、纵断面设计、横断面设计、辅助坑道设计、洞门设计、开挖方法和衬砌类型的选择等设计中设计出最优方案，以此来达到提高作用效率、保护生态环境、充分利用地下空间、提高隐蔽性和防护性能、降低能耗等有利于社会可持续发展的目的。
由于特殊地形、地质条件的影响，隧道在通车后会出现结构开裂、渗漏、排水不畅等问题，甚至在施工中就回你发生坍塌事故。
而隧道中环向空间小、通道复杂，四周受围岩压力大，遇到事故时，无法及时处理会造成人身安全和经济问题。
因此需要充分的了解隧道设计中所存在的具体问题，在实践中完善并发展，以此保证隧道工程建设的质量安全。
2 研究现状2. 1 设计理论我国自改革开放后修建的隧道占总数的百分之九十六[2]，其主要原因是我国在二十世纪七十年代引入新奥法，并得到迅速推广，由此加快了隧道的建设路程。
隧道的结构设计理论起源于由1672年Kasper Weinde首先在匈牙利使用爆破法对矿山岩石巷道进行爆破[3]，至今经历了如下几个阶段：古典压力理论、弹塑性力学理论、新奥法理论、能量支护理论等。
第六章 岩石变形习性
弛松 与 变 蠕
高温高 应力
蠕 变
典型蠕变
低温低 应力
松 弛
冰川砾石的脆-韧性变形
冰川砾石的韧性变形
外界因素度
弹 性
塑 性
脆 性
韧性
（一）晶体缺陷和位错
滑移区与未滑移区之间的界线是位错。
（二）位错滑动
晶内滑移是沿晶体一定的滑移系发生的， 即沿某一滑移面的一定方向滑移。滑移 系是由晶体结构决定的，滑移面通常是 原子或离子的高密度面；滑移方向则是 滑移面上原子或离子排列最密的方向。
平移滑动和双晶滑移
平移滑动：是沿一个不动的结晶面—滑 移面发生晶体格架层的平行位移。位移 是离子间的整数倍。双晶滑移：位移后 双晶化与未双晶化的部分呈镜象对称。
（三）位错蠕变 这是高温下的一种变形机制，当温度 T0.3Tm(Tm为熔融温度）时，恢复作用 显得重要起来，位错可以比较自由地扩 展且从一个滑移面攀移到另一个滑移面。 从而符号相反的两个位错可以通过攀移 而互相湮灭。
（四）动态重结晶 动态重结晶：在初始变形晶粒边界或局 部的高位错密度处，储存了较高的应变 能，在温度足够的条件下，形成新的重 结晶颗粒，使初始变形的大颗粒分解为 许多无位错的细小新晶粒。如果大晶粒 还没有分解完，就形成核幔构造。
对 花 岗 岩 应 力 应 变 曲 线 的 影 响
-
温 度
对 石 英 应 力 应 变 曲 线 的
影 响
-
湿
小结：增高温度对变形的影响
• 在一定的差异应力下，应变量增大； • 破裂前的应变量增大。 • 韧性增大，强度降低，易于变形。
（3）流体对岩石变形行为的影响及其机制
溶解—迁移作用
煤矿软岩巷道工程支护的研究现状与展望
煤矿软岩巷道工程支护的研究现状与展望孟庆彬;孔令辉;魏烈昌;申海龙;杨以明【摘要】煤矿软岩巷道工程支护,尤其是深部高应力软岩巷道支护,一直是矿业工程难点问题之一.随着矿井开采规模的增大和开采深度的不断加大,软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出,软岩问题愈趋严重,直接影响煤矿安全高效生产.软岩巷道支护问题的研究得到了国内外有关学者的高度关注,经过国内外专家大量的理论研究、现场试验与测试、实验室实验等手段,在软岩巷道工程支护理论和支护技术方面取得了大量的研究成果.在分析和总结煤矿软岩巷道支护常用支护技术的基础上,提出高强度锚杆、锚注支护及联合支护将成为软岩巷道支护新的发展形式.【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2011(020)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】软岩巷道;支护;研究现状;展望【作者】孟庆彬;孔令辉;魏烈昌;申海龙;杨以明【作者单位】山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510;山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510;山东科技大学,土木建筑学院,山东,青岛,266510;兖矿集团,济宁三号煤矿,山东,济宁,272169;兖矿集团,济宁三号煤矿,山东,济宁,272169【正文语种】中文【中图分类】TD353煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成部分。
软岩工程[1]是指与塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，如软岩边坡工程、软岩隧道工程及软岩巷道工程等。
由于软岩巷道工程所处的复杂工程地质条件，其支护问题一直是困扰煤炭生产的一个主要问题。
随着开采深度的增加，软岩矿井的数量也在不断增多，由于软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不仅造成巨大浪费, 而且使整个矿井陷于困境, 甚至关闭。
因此，软岩工程问题引起岩石力学工程界、矿业开采界的重视和关注。
经过国内外专家大量的理论研究、现场试验与测试、实验室实验等手段，在软岩巷道工程支护理论和支护技术方面取得了大量的研究成果[2,3]。
第八章软岩工程力学
（4）岩体结构的唯一性问题
我国岩体力学的研究在国际上独树一帜，处于国际先进水平。我国学者 建立的岩体力学理论核心是岩体结构控制论。然而研究表明，岩体结构 的确定存在着唯一性问题。 一般而言，岩体力学理论将岩体结构分为整体结构、块状结构、层状结 构、碎裂结构和散体结构。划分的依据是建立在对结构面、结构体形成 过程和所具备特性研究的基础上，根据结构面发育程度和特性、结构体 组合排列和接触状态，深入探讨它们的工程地质特性和在工程作用下不 同岩体的不同反应。但是，在实际工程应用中，由于工程规模或尺寸的 变化，岩体的结构也是相对的，应以工程尺寸作为划分岩体结构类型的 参考系，否则就会造成应用上的困难。
（2）研究方法
以软岩工程岩体力学为基础，以软岩的工程地质特征及软岩巷道变形 力学机制为切入点，从软岩巷道支护理论研究，软岩工程设计研究和 软岩巷道支护技术研究3个方面，全面系统地探求和建立软岩巷道支护 理论体系。
图9软岩 工程 力学 理论 研究 总体 思路
理论研究方面： 把工程地质学研究 和工程力学研究相结合，通过软岩微观SEM和X射 线分析技术，细观偏光显微技术和宏观现场调查分析的手段，探索软 岩的微观、细观和宏观的变形力学机制，支护破坏机理及巷道支护-围 岩相互作用的规律，总结出软岩巷道支护理论。
设计研究方面： 把传统的设计理论（刚体力学、线性小变形力学）和现代设计理论 （非线性、非光滑、大变形）加以比较，寻求适合于软岩巷道的设计 方法。
技术研究方面： 在十分注重现场支护破坏（相当于原位实验结果）调查分析的基础上， 用实验室非线性大变形力学数值模拟试验来再现破坏过程，预测和模 拟新支护方案的过程和效果，优选出最佳方案，在现场软岩巷道支护 工程中实施和验证，完成实践-认识-再实践-再认识的过程，从而探索 出各种类型的软岩巷道支护技术。
软岩巷道围岩变形破坏规律研究
软岩巷道围岩变形破坏规律研究
牛学良;高延法;张庆松
【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2001(010)002
【摘要】我国煤矿软岩巷道支护问题是煤矿开采等地下工程维护中的一大技术难题,而巷道底鼓又是巷道围岩变形破坏的一种主要形式,大量的实测资料表明,在巷道顶底板移近量中约有2/3～3/4是由底鼓造成的,强烈的巷道底鼓不仅带来了大量的维修工作,增加了巷道的维护费用,同时,底板的稳定性显著影响着巷道两帮及顶板的变形与破坏,危及矿井安全生产.因此,它越来越引起采矿工程和岩石力学界的高度重视.采用现场实测和数值计算相结合的方法,探讨了软岩巷道的变形规律及破坏特点,得出了一些规律性的认识,对现场巷道支护具有一定的指导意义.
【总页数】3页(P16-17,28)
【作者】牛学良;高延法;张庆松
【作者单位】山东科技大学,山东,泰安,271019;山东科技大学,山东,泰安,271019;山东科技大学,山东,泰安,271019
【正文语种】中文
【中图分类】TD31
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软岩隧道围岩变形力学特征及其控制技术研究
围岩的变形力学特征 ， 并提 出其相应的控制技术， 为以后类４ ￣ ＿ ｖ － － 程的设计施工， 提供参考。 关 键词 ： 高地应 力 ； 围岩 变形 力学特征 ； 现 场 实验 ； 控 制技 术
第一作者简介 ： 张帅军 （ １ ９ ７ ７ 一 ） ， 男（ 汉族 ） ， 河南 临颖人 ， 高级工程师 ， 现从事 隧道及地下工程科研工作。
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西部 探矿 工程
２ ０ １ ４ 年第 ２ 期
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３ ７ ． ４８ ０
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３ ６． １ ７ ３
图６ Ｙ ＤＫ１ ７ ５ ＋ １ ９ ０ 初支断 面钢 拱架 外侧 应力分 布图 （ 单位： ＭＰ ａ ）
压力 重新 分布 和调据监测数据 ， 压力最大处基本上位于上半 断面
和 仰拱 处 ， 下 半 断 面 和两 侧 边 墙 围 岩压 力 较 小 。 上半
◆ － Ｔｌ （１ ２ ８ ）
—
ａ— Ｔ ２ （１ ４８ ） Ｔ ３ （１ ２２ ＃ ）
弘 如 ∞ ∞ ∞ ∞
要： 随 着铁路 、 公 路 隧道 的 不断 发展 ， 穿越 高地 应 力 的隧道 也 不 断 出现 ， 研 究探 讨 高地 应 力条 件
下软岩隧道的变形力学特征及其控制技术有重要 的现实意义。以乌鞘岭隧道深层地段 围岩产生大 变形的特点 ， 结合乌鞘岭 隧道岭脊地段千枚岩地层的设计施工 ， 在现场选择一试验段 ， 对初 支内力、
图７ ＹＤ Ｋ１ ７ ５ ＋ １ ９ ０ 初支断面钢拱架 内侧 应力分 布图 （ 单位： ＭＰ ａ ）
初 支 与 围岩 间接 触压 力变 化时 程如 图 ８ 所示 。 初 支 与 围岩 间接 触压 力在 断面 上分 布如 图 ９ 所示 。
6章3节洞室围岩变形及破坏的基本类型
第三节 地下洞室特殊地质问题
涌水量预测方法：
（1）相似比拟法： ① 由实测导坑涌水量推算：
Q
F F0
S S0
Q0
② 由于开挖地段涌水量推算：
Q
L L0
Q0
第三节 地下洞室特殊地质问题 （2）水均衡法：Q 1000 F A
T
（3）地下水动力学法： ① 潜水含水层中的完整型隧道：
Q B K H 2 h2 R
② 承压水含水层中的完整型隧道：
[M (2H M ) h2 ] Q BK
隧道变型破坏
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
二. 围岩构造控制的变形与破坏 指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度而产生的 沿结构面剪切滑移。
v
v H
H H
v
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
三. 松散围岩的变形与破坏： 1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重 力作用下自由坍落。
Ⅳ
<2.5 高岩爆活动，有很强的爆裂声
注：fr—岩石单轴抗压强度：σ1-地应力的最大主应力。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
6. 塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过 其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的 现象。
7. 膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈 集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出 的现象。
（三）地温：
G＝1℃／33m≈ ℃∕m
（四）瓦斯：（以甲烷为主的有害气体的总称，主要发生
隧道塌落拱的计算
塌落拱的计算2007-4-1中铁十二局集团第四工程有限公司剧仲林隧道塌落拱的计算支护结构物在控制围岩的变形、松散或防止岩块坍塌的过程中，自身将受到由于围岩的变形或岩块坍塌所产生的力的作用。
我们把这种来自围岩的，作用在支护结构物上的力称做“山体压力”。
当山体压力作用于支护结构物时，支护结构物对图岩也产生了反作用力。
因此，这个概念反映了围岩与支护结构物之间的相互关系。
在地下工程的长期实践中人们发现，在一般随况下，围岩的这种坍塌是有一定限度的。
当坍塌致使洞室形状改变到一定程度时，将不再发展，即使不加支护，围岩自身亦可建立起新的平衡。
这也就是说，如果不加支护，洞空开挖前后围岩力学形态将经历“相对平衡一一变形、破坏、坍塌――相对平衡”的过程，这种过程的最终产物就是“坍落拱”。
对此，有不少技术工作者总结了这种规律，并建立了一些简单的数学公式来描述不加支护情况下围岩最终坍塌的范围即坍落拱的形状。
主要有以下五种方法：1.三角形公式如图a示：（注：以下所有图示均以单线铁路隧道V级围岩为例）侧壁稳定时其高度为:btg侧壁不稳定时其高度为:h H tg(45 ⑵ btgh—坍落洪高；b-洞室跨度之半;2. 轴变论公式20世纪50年代末。
我国学者于学馥教授提出了轴变论， 他提出了在二 维应力场中，使围岩保持稳定的最佳洞形是具有一定轴比的椭圆。
瑞合兹（） 和贝觉克门（）又从理论计算方面解决了这一问题。
从围岩稳定的观点选择最佳洞形，就是要找具有最小应力集中的洞形, 这种洞形称为“谐洞”。
形成“谐洞”的条件为：如图b 所示。
q —椭圆轴比;入—围岩侧压力系数，据有关资料，当埋深小于 500m 时，入二〜，松散软弱地层中，入=H-隧道开挖高度; © —岩体内摩擦角。
kJ"1U8脚霽kiT-_ OIT图a （单位：mm ）1978 年图b（单位：mm）塌落拱高度即为椭圆长轴，即：b旦a-椭圆短轴长，等于隧道开挖半径；b—椭圆长轴长。
隧道塌落拱的计算
塌落拱的计算
2007-4-1
中铁十二局集团第四工程有限公司
剧仲林
隧道塌落拱的计算
支护结构物在控制围岩的变形、松散或防止岩块坍塌的过程中，自身将受到由于围岩的变形或岩块坍塌所产生的力的作用。我们把这种来自围岩的，作用在支护结构物上的力称做“山体压力”。当山体压力作用于支护结构物时，支护结构物对图岩也产生了反作用力。因此，这个概念反映了围岩与支护结构物之间的相互关系。
1．任一截面上没有弯矩作用；
2．拱脚能保持稳定而不致滑动。
由第一个条件，在拱上任一点A处，取矩ΣMA＝0:
图d
由此得出：
式中：
T—拱顶推力；
p—垂直匀布压力；
x、y—质点拱上任一点A的坐标。
由上式可见，平衡拱的外缘曲线为二次抛物线。
令x=b,y=h代入上式可得：
式中：
b—平衡拱半跨度；
h—平衡拱高度；
在地下工程的长期实践中人们发现，在一般随况下，围岩的这种坍塌是有一定限度的。当坍塌致使洞室形状改变到一定程度时，将不再发展，即使不加支护，围岩自身亦可建立起新的平衡。这也就是说，如果不加支护，洞空开挖前后围岩力学形态将经历“相对平衡——变形、破坏、坍塌——相对平衡”的过程，这种过程的最终产物就是“坍落拱”。对此，有不少技术工作者总结了这种规律，并建立了一些简单的数学公式来描述不加支护情况下围岩最终坍塌的范围即坍落拱的形状。主要有以下五种方法：