高应力极软岩工程锚注支护机理及技术研究与应用

3.1　软岩巷道支护原理

软岩巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由它们的本构关系不同所决定的。硬岩巷道支护不允许硬岩进入塑性，因进入塑性状态的硬岩将丧失承载能力。而软岩巷道另一个独特之处是，其巨大的塑性能(如膨胀变形能等)必须以某种形式释放出来[13]。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等)的合力T(图2)，则软岩巷道支护原理可以表示为：

T=D+R+S　(9)

式中：T为挖掉巷道岩体后使围岩向临空区运动的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等；D 为以变形的形式转化的工程力，可以包括①弹塑性转化(与时间无关)；②粘弹塑性转化(与时间有关)；③膨胀力的转化(与时间有关)。对于软岩来讲，主要是塑性能以变形的方式释放；R 为围岩自撑力，即围岩本身具有一定强度，可承担部分或全部荷载；S 为工程支护力。

图2　PT合力示意图

Fig.2　Scheme of resultant force PT

式(9)和图2表示如下意义：

(1)巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力T并不是纯粹由工程支护力S全部承担，而是由三部分共同分担。T首先由软岩的弹塑性能以变形的方式释放一部分，亦即T的一部分转化为岩体形变。其次，T的另一部分由岩体本身自承力承担。如果岩体强度很高，R>T－D，则巷道可以自稳。对于软岩，R较小，一般R<T－D，故巷道要稳定，必须进行工程支护，即加上S。为求工程稳定，通常(S+R)值要大于(T-D)值。

(2)一个优化的巷道设计和支护设计应该同时满足三个条件：

①PD→max；

②PR→max；

③PS→min。

实际上，要使PD→max，PR就不能达到最大；要使PR→max，PD就不能达到最大。要同时满足PD→max，PR→max，关键是选取变形能释放的时间和支护时间。

3.2　最佳支护时间和最佳支护时段

岩石力学理论和工程实际表明，巷道开挖以后，巷道围岩的变形会逐渐加大。以变形速度区分，可划分三个阶段：即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。显然，加速变形阶段可以使D→max，但却大大降低了R，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定。

3.2.1　最佳支护时间和最佳支护时段的概念

最佳支护时间系指可以使(R+D)同时达到最大的支护时间，其意义如图3所示。图3表明，最佳支护时间就是(PR+PD)-t曲线峰值点所对应的时间TS。实践证明该点与PD-t曲线和PR-t曲线的交点所对应的时间基本相同。此时，支护使PD在优化意义上充分地达到最大，最佳支护时间点的确定，在工程实践中是难以办到的，所以提出了最佳支护时段概念，最佳支护时段的概念如图4所示。

图3　最佳支护时间Ts的含义

Fig.3　The meaning of optimum supporting time Ts

图4　最佳支护时段的含义

Fig.4　The meaning of optimum supporting period

3.2.2　最佳支护时间(TS)的物理意义

巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在硐壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道临空区变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下，切向应力在硐壁附近发生高度集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态。进入塑性状态的围岩称为塑性区。塑性区的出现，使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，又将出现新的塑性区，如此逐层推进，使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当支护措施，临空塑性区将随变形加大而出现松动破坏。塑性区和松动破坏区截然不同，松动破坏区没有承载能力，而塑性区具有承载能力。

塑性区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围，称为稳定塑性区；出现了松动破坏区之后的塑性区，称为非稳定塑性区。稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形；非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为非稳定变形。 塑性区的出现改变了围岩的应力状态，这种变化对支护来讲具有两个力学效应：(1)围岩中切向应力和径向应力降低，减小了作用于支护体上的荷载；(2)应力集中区向深层偏移，减小了应力集中的破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时，两帮岩石处于极不利的单轴受力状态条件，极易产生片帮破坏。

应力集中偏移深部后，一方面应力集中程度降低，另一方面深部岩石处于三轴受力状态，其破坏可能性大大减小。因此，对于高应力软岩巷道支护来讲，要允许出现稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间Ts。Ts之前出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。它可以通过计算机监控得到，也可以通过现场特征判断直接得到。

3.2.3　最佳支护时间的确定

研究表明，变形力学状态进入图4中A区时，支护体多产生鳞状剥落；变形力学状态进入B区时，伴随着片状剥落；进入C区后，将产生块状崩落和结构失稳。因此，判别最佳支护时间(段)就是鳞、片状剥落的高应力腐蚀现象出现的时间。

根据现场调查研究，张性、张扭性裂缝，宽度达到1～3 mm，即已进入A区和B区，即进入耦合支护的时间；巷道表面各点变形量达到设计余量的60%，即进入耦合支护的时间。