圍巖壓力的影響因素

馬云峰

摘 要：圍巖在硐室開挖的過程中起到了一定的承載作用，它的受力形式復(fù)雜多樣，相應(yīng)的確定方法也各有不同。其破壞形式和破壞特點(diǎn)主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)特征。

關(guān)鍵詞：巖體；硐室；圍巖；支護(hù)

中圖分類號(hào)：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）17-0004-01

圍巖的破壞形式主要有兩種，分別是脆性破壞和塑性破壞。脆性圍巖變形和破壞的形式主要取決于圍巖的結(jié)構(gòu)，一般有彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移、碎裂松動(dòng)和巖爆等類型；塑性圍巖在應(yīng)力重分布和水的作用下，變形和破壞的主要類型包括塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出、重力坍塌等。圍巖的結(jié)構(gòu)形式不同，其分析方法也不同。

1 圍巖壓力類型

硐室開挖破壞了圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖變形甚至遭到破壞。為了保障硐室的穩(wěn)定、安全，必須采取支護(hù)措施來阻止圍巖的變形和破壞。這樣，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間就會(huì)產(chǎn)生相互作用，圍巖作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力就是圍巖壓力。圍巖壓力可以分為垂直壓力、水平壓力和底部壓力。在采礦工程中，圍巖應(yīng)力和圍巖壓力都被稱為礦山壓力。廣義的圍巖壓力包括變形壓力、松動(dòng)壓力、膨脹壓力、沖擊和撞擊壓力。

1.1 變形壓力

變形壓力被稱為“變形圍巖壓力”，是由于圍巖的變形受到支護(hù)的抑制而產(chǎn)生的圍巖壓力。變形壓力的大小與原巖應(yīng)力的大小、巖體的力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)的結(jié)構(gòu)剛度和支護(hù)時(shí)間等因素有關(guān)。一般使用彈塑性、黏彈塑性原理對(duì)變形壓力進(jìn)行分析，包括解析法和數(shù)值分析方法。

1.2 松動(dòng)壓力

松動(dòng)壓力包括塌落圍巖壓力和塊體滑落圍巖壓力，是由于硐室開挖而導(dǎo)致圍巖松動(dòng)或塌落，并以重力形式直接作用在支護(hù)上形成的圍巖壓力。因此，較大塊體的穩(wěn)定性問題可以采用塊體理論進(jìn)行分析，塌落巖體形成的圍巖壓力可以采用普氏理論、泰沙基理論、有關(guān)規(guī)范的圍巖壓力計(jì)算公式等進(jìn)行分析。

1.3 膨脹壓力

巖體具有吸水、膨脹、崩解的特性，由此引起的圍巖壓力被稱為“膨脹壓力”。巖體的膨脹性主要取決于其中蒙脫石、伊利石和高嶺土的含量，以及外界水的滲入和地下水的活動(dòng)特征。膨脹壓力與巖體的狀態(tài)、隧道的結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)，膨脹荷載的大小通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或測(cè)量結(jié)果來估計(jì)。

1.4 撞擊和沖擊圍巖壓力

撞擊圍巖壓力是回采工作面上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)巷道支護(hù)所產(chǎn)生的壓力；沖擊圍巖壓力是指圍巖積累了大量彈性變形能之后，突然釋放所產(chǎn)生的壓力，又被稱為“巖爆”。

2 圍巖壓力的影響因素和確定方法

2.1 圍巖壓力的影響因素

圍巖壓力主要取決于以下幾個(gè)因素：①初始應(yīng)力狀態(tài)和硐室的形狀、大小。圓形、橢圓形和拱形硐室的圍巖應(yīng)力集中程度較小，圍巖壓力也就相對(duì)較小。圍巖壓力隨跨度的增加而增加，但不一定成正比。例如，我國(guó)單線和雙線鐵路隧道的跨度相差80%，但圍巖壓力相差僅為50%左右。在穩(wěn)定性較差的巖體內(nèi)開挖硐室，實(shí)際的圍巖壓力往往比按照常用方法計(jì)算得到的壓力大得多。②地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造。地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件不同，巖體結(jié)構(gòu)特征和質(zhì)量就不同，相應(yīng)的，巖體的變形和破壞特征及圍巖壓力也就不同。③地下水的影響。軟化巖體會(huì)直接形成壓力。④支護(hù)的形式、時(shí)機(jī)和剛度。當(dāng)圍巖出現(xiàn)松動(dòng)圈或塌落拱時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要用來承受松動(dòng)巖體或塌落巖體的重量，從而起到承載作用，可以將這類支護(hù)稱為“外部支護(hù)”；當(dāng)圍巖處于有限變形中，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要用來限制圍巖的變形，從而起到約束作用，這類支護(hù)被叫作“內(nèi)承支護(hù)”或“自承支護(hù)”。通過化學(xué)灌漿、水泥灌漿、錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、噴混凝土等方式加固圍巖，可以提高圍巖的自承能力。支護(hù)時(shí)機(jī)的早晚、支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的剛度與圍巖變形限制程度有關(guān)。⑤時(shí)間。流變效應(yīng)或變形的時(shí)間滯后效應(yīng)與圍巖變形的發(fā)展有關(guān)，從而影響了圍巖壓力的大小。⑥施工方法。掘進(jìn)的方法不同，對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度也就不同。⑦埋深。包括上覆巖層安全厚度和初始地應(yīng)力。

2.2 圍巖壓力的確定方法

大體上，圍巖壓力的確定方法主要有以下幾種：①現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法；②連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，包括解析法、數(shù)值分析（有限元、有限差分法、邊界元法和流形元等）；③非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，例如離散元法；④圍巖分類法，包括公路、鐵路圍巖分類法；⑤散體圍巖壓力理論，包括普氏理論和太沙基理論等；⑥塊體理論和赤平投影分析法；⑦工程地質(zhì)類比法；⑧物理模擬法。

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〔編輯：王霞〕

The Influence Factors of Surrounding Rock Pressure

Ma Yunfeng

Abstract： In the process of surrounding rock cavern excavation played a role in a certain load， the force in the form of its complex and diverse， the appropriate method for determining also different. Its failure modes and failure depends mainly on the structural features characteristic of the rock mass.

Key words： rock； chamber； surrounding rock； support