松动圈理论应用概述

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摘要： 巷道围岩松动圈支护理论在地下工程中的应用日益受到重视。本文对松动圈厚度的测试方法、计算方法进行了阐述与分析。另外还阐述了根据松动圈厚度确定围岩类型和支护方法，提出了今后的研究方向。

Abstract： The application of roadway surrounding rock loose circle support theory in underground engineering is drawing more and more attention. The test method and calculation method of loose circle thickness are analyzed in this article. The method to determine the surrounding rock and supporting method according to loose circle thickness is also discussed， putting forward the future research direction.

关键词： 松动圈；测试方法；影响因素；计算方法

Key words： loose circle；test method；influencing factors；calculation method

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）02-0272-03

0 引言

随着地下采矿深度的增加，大型水电站、隧道、地铁、地下储库等的地下工程数量日益增长，所遇到的地下空间支护问题也越来越多。原有的经验理论公式已不能满足节约采掘成本的要求。自1964年太沙基研究了松动圈并提出了冒落拱理论以来，很多国家的专家、学者都对松动圈理论进行了探索，如：日本的池田和彦、印度的AIK.Dube等人，使得松动圈理论得到初步发展。20世纪70年代至80年代中期，中国矿业大学董方庭、宋宏伟等专家，在前人的理论基础上，从研究掘进巷道后围岩的客观物理状态入手，通过对松动圈力学等性质的研究，比较系统的提出了围岩松动圈支护理论。目前，松动圈支护理论在多个矿区各类围岩中进行了工程试验。实践证明，围岩松动圈理论抓住了支护的主要因素，所确定的支护形式与支护参数更符合现场要求，节约了支护成本，经济效益显著[1]。

1 巷道围岩松动圈支护理论

巷道围岩松动圈是指在巷道开挖后，巷道周围围岩应力平衡被打破，应力需要重新分布，巷道周边应力由原有的三向应力状态变成二向应力状态，径向力转变为0，并产生应力集中，若集中应力小于岩体强度时，围岩处于弹塑性稳定状态。当集中应力超过围岩强度时，巷道周边岩石首先发生破坏，然后向岩体深部扩展，直至一定深度后取得三向应力平衡为止，此时围岩已经过度到破碎状态，这种松弛的破碎带被称为松动圈，所以围岩松动圈是地下工程中客观存在的实际物理学状态，松动圈用其厚度进行度量，一般表示为Lp[2-5]。

2 松动圈厚度的主要测试方法与理论计算公式

围岩松动圈的厚度的测试技术很多，并且在不断发展。目前常用的测试方法主要有超声波法、多点位移计法、地质雷达法、电阻率法和渗透法等。测试原理与主要测试方法等简单介绍见表1，详见文献[6]。

2.1 松动圈主要测试方法

2.2 松动圈厚度现有数值模型与计算方法

2.2.1 松动圈数学模型 通过董方庭[1]的巷道围岩支护研究可知，围岩松动圈厚度Lp与围岩压力P0和单轴抗压强度Rc存在一定的关系，其数学模型为

Lp=f（P0，Rc）=b1P0/Rc+b2

式中：b1，b2均为系数。

结合肖明和刘志明[7]三维初始地应力场反演而得的围岩初始应力值，采用开挖较理想的溪洛渡右岸松动圈声波测试结果，统计围岩声波测试松动圈与各物理参数如围岩应力P0，单轴抗压强度Rc，，及几何参数的对应关系，并进行参数相关性分析，发现Lp与e（P0/Rc）相关值达到0.90以上，对数学模型进行修正得

Lp=a1■e■+a2Rc（■）+a3（■）2

式中L为洞室的跨度（m），h为洞室的高度（m）。

2.2.2 围岩松动圈的理论计算 文献[8]中提出深井围岩分别处于弹塑性状态、应变软化状态和残余强度状态特点，对于静水应力状态下的无限长圆形巷道，假设其围岩近似满足弹塑性理论的基本假设，并且忽略围岩的自重，松动圈的半径可以用下式计算

L■=r■■-■■

式中r0为巷道掘进半径（m）；P0为静水应力场中的原位应力（MPa）；Pi为单位面积上的支护阻力（通常取为0MPa）；δ■■为岩体的极限单向抗压强度（MPa）；δ■■为岩体的残余单向抗压强度（MPa）；ξ为与岩石有关碎胀性有关的参数，根据塑性增量理论ξ=■，其中？准'=（0.7～0.9）？准，？准为岩石的内摩擦角；K1=Kp-1；K2=Kp+1；K3=Kp+ξ，Kp=■；n为岩石的应变软化系数，n=■，其中E是岩石的弹性模量，M0=tan？坠是应变阻尼模量。

C■=■■■

P'=■[2P0sin？准+（1-sin？准）δc]，其中μ为泊松比。

因此，松动圈（破裂区）的厚度Lp=Rp-r0

2.2.3 的松动圈数学模型是以溪洛渡右岸地下厂房声波信息为基准的，实际上综合了一些施工影响，并不是理想开挖，并且认定支护对围岩松动圈作用不大，在大型地下硐室开挖方面有一定理论根据但缺乏验证，2.22是根据文献[8]提出的围岩松动圈理论计算。虽然目前很多学者提出了计算方法，但计算方法的运用存在局限性，得到松动圈厚度值最好的方式就是通过仪器测试，但是现场实测松动圈是无法预知未开挖巷道松动圈厚度值，而且实测法费用昂贵，尤其是在裂隙发育，围岩比较松软时更不好测得松动圈厚度值。许国安，靖洪文提出智能预测方法，开发出集松动圈预测系统创建和应用一体的智能预测软件[9]。江权、冯夏庭等根据松动圈位移增量信息提出反分析岩体力学参数[10]，为科学指导设计和施工都提供了良好依据。

3 松动圈厚度的影响因素及规律分析

3.1 地应力的影响 理论分析表明：巷道在未收采掘影响的情况下，埋深是影响巷道围岩稳定的主要因素。从图1可知：随矿井深度H的增加，松动圈的厚度Lp开始表现为非线性增大，且增速较快，往后逐渐变缓，呈近似线性增大；埋深对围岩松动圈厚度Lp的影响程度与岩体强度关系密切，强度越大，影响就越小，反之则影响大。

3.2 岩石强度的影响 影响松动圈厚度Lp的另外一个主要因素是岩体的强度。岩体强度对围岩的稳定影响比较大，这里所涉及的岩体的强度主要包括极限强度与残余强度。残余强度对围岩稳定的影响见图2。当岩体的残余强度不到其极限强度的5%-10%时，随着围岩残余强度的降低，将导致围岩松动圈厚度Lp的急剧增大。但当岩体的残余强度达到它极限强度的20%以上时，围岩松动圈厚度Lp减小不显著。

3.3 应变软化程度的影响 岩石的应变软化系数n是表示岩石碎裂后强度随应变增大减小幅度大小的参数，当其他条件一样时，软化系数越大，说明岩体的软化程度越大，对围岩稳定性影响也比较大，则表明松动圈的厚度Lp也越大，见图3。

3.4 支护强度、刚度的影响 由图4可知，随着支护强度、刚度增大，松动圈的厚度减小，特别是这种影响在支护阻力较小，并且岩体残余强度也较小时尤为明显。

虽然文献[10]中指出巷道的埋深，岩体强度，软化程度以及支护阻力对松动圈厚度有一定的影响，但在实际工程中巷道断面的几何结构对松动圈厚度也有很大影响。研究表明松动圈随开挖断面面积的增大而增大，随开挖高度的增加而增大。文献[11]中提出影响巷道围岩变形的主要原因是岩体破裂后产生的体积变形，因而巷道周围岩石的碎胀系数也影响松动圈的厚度，并且文献[12]中通过采用声波测试法对某水电站进行松动圈测试，发现松动圈具有时间效应，随时间推移松动的范围增大。可见，松动圈的厚度可作为对围岩强度、支护方式的一个客观指标，但具体工程中影响松动圈厚度的因素却有很多，要具体问题具体分析。

4 结语

松动圈巷道支护理论的应用使支护设计符合现场支护需求，技术经济效益显著，但在应用上需要更多的经验知识。随着松动圈理论的不断发展，松动圈的预测方法层出不穷，预测结果的准确度还需提高，相信松动圈巷道支护理论会有更广阔的应用前景。

参考文献：

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[2]董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

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[4]靖洪文，傅国彬，郭志宏.深井巷道围岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究[J].岩石力学与工程学报，1999，18（1）：70-74.

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[8]靖洪文，李元海，许国安.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[J].岩土力学，2005（7）：877-880.

[9]许国安，靖洪文.煤矿巷道围岩松动圈智能预测研究[J].中国矿业大学学报，2005，3，34（2）：152-155.

[10]江权，冯夏庭，苏国韶，陈国庆.基于松动圈—位移增量监测信息的高地应力下洞室群岩体力学参数的反分析[J].岩石力学与工程学报，2007，7，26（1）.

[11]靖洪文，宋志伟，郭志宏.软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究[J].中国矿业大学学报，1999，6（28）：1-8.

[12]赵海斌，付建军，周江平.高地应力区大型地下洞室边墙松动圈动态分析研究[J].长江科学院院报，2011，9（28）：35-38.

[13]FU Guo-bin， JING Hong-wen. Stability analysis of surrounding rock of a deep roadway and its supporting practice [A].Proceeding of the International Congress on Rock Mechanics[C].Tokyo：[s.n.].1995：559-661.