蒲春艷 劉 濱 李中楠 李 寧

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.青海能源魚卡有限責(zé)任公司，青海 海西 816200）

我國中東部礦區(qū)淺部煤炭資源正在逐漸枯竭，并且每年以20～25 m的速度向深部延深，逐步進(jìn)入深部開采階段，最大開采深度超過1 000 m。根據(jù)統(tǒng)計，需要整治的深部巷道占掘進(jìn)巷道總長度的70%以上，深部巷道大變形失穩(wěn)引起的安全事故占礦井建設(shè)和生產(chǎn)事故總數(shù)的40%，對我國深部煤炭資源的開采和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響。巷道的開挖擾動破壞了圍巖應(yīng)力的原始平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)（大小和方向）發(fā)生改變，造成應(yīng)力的二次分布，超過巖體可承受的強(qiáng)度，巷道產(chǎn)生大變形失穩(wěn)。應(yīng)力方向的改變（應(yīng)力旋轉(zhuǎn)）是裂隙擴(kuò)展的控制因素、會顯著影響圍巖初始裂縫的擴(kuò)展深度和方向，是深部巷道圍巖穩(wěn)定控制不可忽視的重要因素。

DEREK［1］研究得出脆性巖石的強(qiáng)度在應(yīng)力大小和方向的影響下降低。DIEDERICHS［2］描述了應(yīng)力旋轉(zhuǎn)造成的損傷會降低開挖附近的裂縫相互作用閾值。EBERHARD［3］利用三維有限元分析，研究探索了隧道工作面漸進(jìn)推進(jìn)過程中的近場應(yīng)力路徑，表明主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)是巖石斷裂擴(kuò)展方向的控制因素。KAISER等［4］以溫斯頓湖礦井為例，研究了應(yīng)力旋轉(zhuǎn)會擾亂剪切作用下先前存在的不連續(xù)面，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，節(jié)理張開或引起巖橋的破壞，從而導(dǎo)致巖體破壞。鄭穎人等［5］探討了“考慮應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)的廣義塑性力學(xué)”問題，認(rèn)為應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致塑性變形增量。張社榮等［6］對隧洞開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了掌子面推進(jìn)過程中圍巖的應(yīng)力變化特征。孫常新等［7］通過對隧道開挖過程利用三維數(shù)值模擬，研究表明應(yīng)力旋轉(zhuǎn)基本在隧道開挖前后10 m左右的距離內(nèi)完成，依據(jù)應(yīng)力旋轉(zhuǎn)對裂隙的影響對隧道的重點(diǎn)部位進(jìn)行超前加固。朱澤奇等［8］以引水隧洞為例研究表明，隨著掌子面推進(jìn)掌子面前方的圍巖主應(yīng)力軸方向調(diào)整具有一定共性，均表現(xiàn)為最大、最小主應(yīng)力以一定交角指向臨空面，中間主應(yīng)力近似平行臨空面。江權(quán)［9］用主應(yīng)力轉(zhuǎn)動消散功來表示主應(yīng)力大小和方向同時改變的程度。崔溦等［10］研究了主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)對圍巖破壞的影響，結(jié)果表明由于應(yīng)力旋轉(zhuǎn)會對圍巖初始裂縫擴(kuò)展深度和方向引起顯著的變化。李建賀等［11］定義了應(yīng)力擾動指標(biāo)SDI（stress disturbance index）表明分階段開挖圍巖應(yīng)力場的擾動程度（包含應(yīng)力大小和方向的擾動）。王家臣等［12］研究了由于主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，頂煤采動裂隙向采空區(qū)傾斜。WANG Z H等［13］模擬了應(yīng)力煤中波速的演化過程，預(yù)測應(yīng)力分布、應(yīng)力旋轉(zhuǎn)等結(jié)果，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致。WANG J C等［14］采用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，識別了主應(yīng)力的集中和旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，重點(diǎn)分析了采空區(qū)附近頂煤主應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)特征。YUE Jiang等［15］采用三維數(shù)值模擬方法，對TBM施工過程進(jìn)行了實(shí)際模擬，研究表明在隧道開挖過程中，當(dāng)掌子面通過巖石監(jiān)測斷面時，巖體應(yīng)力隨著主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)發(fā)生劇烈變化。上述研究僅對全斷面一次成型隧（巷）道開展研究，未對臺階法等分步開挖方法開展相關(guān)分析和研究。

深部軟弱破碎巖體情況下，為減小工程擾動，常采用臺階法等開挖方法，改善圍巖受力狀態(tài)，降低應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)對圍巖的劣化影響，從而控制圍巖破裂損傷區(qū)的演化。為定量研究和分析應(yīng)力主軸變化對圍巖穩(wěn)定的影響，本項(xiàng)目以某礦區(qū)工作面巷道作為研究實(shí)例，利用數(shù)值模擬技術(shù)，對全斷面開挖、臺階法開挖，巷道掌子面推進(jìn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)位主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，為開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場工業(yè)實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

1 工程概況

項(xiàng)目礦區(qū)工作面主要回采13-1煤，煤層平均厚度4.0 m，埋藏深度745 m，工作面長度達(dá)1 000 m。巷道圍巖的巖性以砂質(zhì)泥巖為主。對該采區(qū)巷道圍巖進(jìn)行原巖應(yīng)力測試，得到的工作面初始地應(yīng)力分布特征結(jié)果表明，最大主應(yīng)力σ1量值平均為25.98 MPa，最小主應(yīng)力σ3與主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系，量值平均為17.84 MPa，最大最小主應(yīng)力近水平方向。

根據(jù)地層剖面圖和巷道布置情況，采用FLAC3D（5.01）建立三維模型如圖1所示。取垂直于巷道軸線的水平方向?yàn)閄軸，Y軸為巷道軸線方向，Z軸為豎直方向，模型在X、Y、Z軸方向上的尺寸是40 m、30 m、40 m，其中最大主應(yīng)力σ1沿巷道軸線方向，最小主應(yīng)力σ3沿垂直巷道軸線的水平方向。整個煤巖體力學(xué)模型采用莫爾—庫倫模型，材料力學(xué)參數(shù)參照室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件和計算經(jīng)驗(yàn)，主要參數(shù)見表1。巷道沿煤層頂板底板掘進(jìn)，巷道尺寸寬4.5 m，高4.0 m。

為研究隨掌子面推進(jìn)，參考面上圍巖的應(yīng)力大小變化和應(yīng)力旋轉(zhuǎn)規(guī)律，本次計算選Y=15 m處剖面巷道掌子面O、底板A、拱頂B、拱肩C、邊墻D和底腳E為監(jiān)測點(diǎn)，巷道橫剖面及監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示，將開挖進(jìn)尺設(shè)置為1 m。

2 2種開挖方式的施工方法

（1）全斷面法。該方法是巷道斷面一次開挖成形。能夠減少開挖對圍巖的反復(fù)擾動，圍巖的天然承載力得到很好的保護(hù)，有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，提高施工速度，而且工序少，方便施工組織和管理。缺點(diǎn)是對地質(zhì)條件有嚴(yán)格的要求，并要求圍巖具有良好的自穩(wěn)性。同時因?yàn)殚_挖面較大，圍巖穩(wěn)定性降低，而且每個循環(huán)工作量較大，開挖模型如圖3所示。

（2）臺階法是最基本、應(yīng)用最廣泛的施工方法，包括正臺階法和反臺階法。適用于穩(wěn)定巖體、土層及不穩(wěn)定巖體。該方法工作空間大，施工速度快，臺階有利于開挖面穩(wěn)定，但上下臺階施工會產(chǎn)生干擾。本研究中分為上下2個臺階，上臺階超前開挖10 m，開挖模型如圖4所示。

3 不同開挖方法的模擬計算

對于上述的2種不同開挖方法，分別利用FLAC3D對巷道進(jìn)行分步開挖模擬計算，盡量對巷道分步開挖過程進(jìn)行了真實(shí)的模擬。為便于說明，規(guī)定掌子面未超過參考面的一側(cè)為參考面的后方，超過參考面的一側(cè)為參考面的前方。為了簡化以下描述，在開始分析之前，定義以下幾個參數(shù)：α為最大主應(yīng)力軸與X軸之間的夾角，β為最大主應(yīng)力軸與Y軸之間的夾角，γ為最大主應(yīng)力軸與Z軸之間的夾角，φ為最小主應(yīng)力軸與X軸之間的夾角，ω為最小主應(yīng)力軸與Y軸之間的夾角，ζ為最小主應(yīng)力軸與Z軸之間的夾角；其中角度符號中的下角標(biāo)1、2分別代表全斷面法開挖和臺階法開挖；此外，監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力變化曲線圖中主應(yīng)力以壓為正值，臺階法監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力變化圖和方向旋轉(zhuǎn)特征圖中以下臺階開挖進(jìn)尺為橫坐標(biāo)。

3.1 關(guān)鍵點(diǎn)位圍巖應(yīng)力演化特征

3.1.1 參考面軸心監(jiān)測點(diǎn)

從主應(yīng)力大小的變化來看，對于巷道參考面監(jiān)測點(diǎn)O，從圖5（a）可知當(dāng)巷道掌子未到達(dá)參考面，距約4 m過程中，巷道軸心監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力σ1逐漸減小，σ3大小緩慢增加；在掌子面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，σ1和σ3大小不斷降低分別降至6.8 MPa和0.7 MPa。圖5（b）中當(dāng)下臺階推進(jìn)距參考面7 m過程中，σ1不斷降低至4.2 MPa，σ3開始保持不變隨后不斷減小至0.1 MPa；在巷道下臺階推進(jìn)距參考面3 m及以上，σ1和σ3大小基本保持不變。

從最大主應(yīng)力方向的變化來看，對于軸心監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力σ1，由圖6（a）可知掌子面從距參考面7 m推進(jìn)距參考面2 m過程中，α1基本保持不變，β1、γ1持續(xù)增加，σ1的方向主要在沿平行于巷道軸線的豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)（距參考面小于2 m），α1急劇增大，γ1急劇減小，σ1方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成166°、89°、104°夾角。與初始狀態(tài)相比，α1、β1、γ1旋轉(zhuǎn)變化幅度分別達(dá)到76°、89°、14°。對比分析全斷面法開挖下軸心監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力變化和方向旋轉(zhuǎn)圖發(fā)現(xiàn)應(yīng)力方向的變化滯后于應(yīng)力大小，即在應(yīng)力方向發(fā)生劇烈變化之前，巖石內(nèi)部發(fā)生了一定程度的損傷。臺階法開挖，由圖6（b）可知下臺階掘進(jìn)距參考面后方5 m過程中，隨著下臺階向前推進(jìn)，α2先保持穩(wěn)定后不斷增加；β2不斷增加，下臺階距參考面后方10 m時突然降低后繼續(xù)增加，γ2不斷增加隨后降低，下臺階推進(jìn)參考面后方5 m后，α2、β2、γ2基本保持不變，下臺階的開挖不影響方向最大主應(yīng)力變化，σ1方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成178°、88°、91°夾角；與初始狀態(tài)相比，α2、β2旋轉(zhuǎn)變化幅度分別達(dá)到88°。對于監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力σ3，從圖7（a）可知，全斷面開挖當(dāng)掌子面推進(jìn)距參考面7 m后，σ3方向也開始出現(xiàn)明顯變化，φ1、ω1不斷增加，ζ1緩慢增加，σ3主要在沿巷道軸線的水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，σ3方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成 87°、175°、94°夾角。對圖7（b）臺階法開挖，下臺階由遠(yuǎn)推進(jìn)至參考面后方2 m過程中，φ2增量較小，ζ2不斷升高，ω2先升高后降低，σ3方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成 91°、99°、171°夾角；與初始狀態(tài)相比φ2、ω2旋轉(zhuǎn)變化幅度分別達(dá)到 91°、9°。與初始狀態(tài)相比，2種開挖方法下σ1由最初的平行巷道軸線的近水平方向旋轉(zhuǎn)成垂直巷道軸線的水平方向；對于σ3，全斷面法開挖下σ3由最初的垂直巷道軸線方向旋轉(zhuǎn)成平行于巷道軸線方向，而臺階法開挖下σ3則旋轉(zhuǎn)成豎直方向。

3.1.2 參考面底板監(jiān)測點(diǎn)

從主應(yīng)力大小的變化來看，由圖8可知：對于底板監(jiān)測點(diǎn)A，全斷面開挖，隨著巷道掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)，對于圖8（a）主應(yīng)力σ1逐漸減小至22.5 MPa，然后逐漸增大至峰值28.5 MPa后不斷降低，σ3大小緩慢增加至18.5 MPa，并在掌子面推進(jìn)至距參考面5 m后不斷降低；對于臺階法開挖，圖8（b），上臺階推進(jìn)過程中，主應(yīng)力σ1先減小至23.6 MPa然后逐漸增大，上臺階到達(dá)參考面時，參考面底板最大主應(yīng)力到達(dá)峰值28.8 MPa，上臺階通過參考面后σ1、σ3不斷降低。對于2種開挖方法，開挖后各主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定且相同。

從主應(yīng)力方向的變化來看，全斷面開挖，由圖9（a）可知，當(dāng)掌子面推進(jìn)至距參考面9 m時，σ1方向開始出現(xiàn)明顯變化；掌子面從距參考面9 m推進(jìn)距參考面2 m過程中，α1基本保持不變，β1、γ1持續(xù)增加，σ1的方向主要在沿平行于巷道軸線的豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；繼續(xù)向前推進(jìn)至參考面處，α1幾乎沒有發(fā)生變化，β1、γ1不斷降低；掌子面跨越參考面推進(jìn)至參考面前方2 m過程中，主應(yīng)力方向發(fā)生劇烈變化，α1變化幅度達(dá)到90°左右，β1顯著增大，γ1顯著減??；掌子面推進(jìn)至參考面前方2 m后，σ1方向趨于穩(wěn)定，應(yīng)力σ1主軸旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成177°、87°、90°夾角。對圖9（b），臺階法開挖下σ1方向旋轉(zhuǎn)較為復(fù)雜；上臺階開挖面從距參考面5 m至參考面過程中，α2先保持不變后突然降低，β2不斷緩慢增加，γ2緩慢升高；上臺階開挖面通過參考面至參考面前方2 m過程中，α2急劇增大，最大變化幅度達(dá)90°，β2突然減小后迅速增大，最大變化幅度達(dá)70°，γ2不斷降低；上下臺階繼續(xù)推進(jìn)，至下臺階還未到達(dá)參考面過程中，α2、β2、γ2基本保持不變；當(dāng)下臺階開挖面到達(dá)并至參考面前5 m過程中，α2、β2突然降低隨后不斷升高；γ2在參考面處升高后緩慢降低；繼續(xù)開挖推進(jìn)，至參考面前方10 m后，α2、β2、γ2趨于穩(wěn)定，σ1應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成174°、85°、90°夾角。

從圖10（a）可知，全斷面開挖，對于最小主應(yīng)力σ3，掌子面從距參考面9 m推進(jìn)至距參考面2 m過程中，φ1、ω1不斷增加，ζ1先增加后減??；掌子面向前推進(jìn)至參考面前方3 m過程中，φ1增量較小，ω1突然減小，ζ1則不斷增加，σ3主要沿垂直巷道軸線的豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面繼續(xù)推進(jìn)，σ3方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成90°、87°、177°夾角。對臺階法開挖，由圖10（b）可知，上臺階開挖通過參考面，至參考面前方5 m過程中，φ2急劇增加隨后保持不變，ω2不斷升高后降低，ζ2整體保持不斷升高趨勢；下臺階開挖通過參考面，至參考面前方5 m過程中，φ2幾乎保持不變，ω2緩慢升高隨后不斷降低，ζ2緩慢降低后不斷增加；下臺階繼續(xù)開挖，φ2、ω2、ζ2趨于穩(wěn)定，σ3方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成90°、88°、178°夾角。與初始狀態(tài)相比，2種開挖方法下σ1由最初的平行巷道軸線方向旋轉(zhuǎn)成垂直巷道軸線的水平方向；σ3由最初的垂直巷道軸線旋轉(zhuǎn)成豎直方向。

3.1.3 參考面拱頂監(jiān)測點(diǎn)

從主應(yīng)力大小的變化來看，由圖11（a）與圖11（b）可知曲線形態(tài)基本一致，對于拱頂監(jiān)測點(diǎn)B，從圖11（a）可知：全斷面開挖，掌子面距參考面15 m推進(jìn)至距參考面5 m過程中，σ1和σ3增量較小；掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)至距參考面2 m過程中，σ1不斷增大至峰值30.1 MPa，σ3則不斷降低；掌子面從距參考面2 m推進(jìn)至參考面前方1 m過程中，σ1急劇減小，σ1和σ3分別降至1.3 MPa和0.2 MPa；繼續(xù)向前推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，σ1緩慢增加至2.9 MPa，σ3增量較小；掌子面推進(jìn)至參考面前方5 m后，各主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定。臺階法開挖：上臺階推進(jìn)并通過參考面過程中，σ1不斷升高至峰值32.4 MPa隨后迅速降低，σ3不斷降低至0.1 MPa；上臺階推進(jìn)距參考面前方3 m后，σ1和σ3幾乎保持不變。2種開挖方法對拱頂?shù)膽?yīng)力大小影響規(guī)律基本相同。

從主應(yīng)力方向的變化來看，對于最小主應(yīng)力σ1，由圖12（a）與圖12（b）可知曲線形態(tài)基本一致。對于全斷面開挖，由圖（a）可知，掌子面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，α1幾乎不變，β1、γ1持續(xù)增加，σ1的方向主要在沿平行于巷道軸線的豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面繼續(xù)推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，α1持續(xù)增加，β1則先降低隨后繼續(xù)增加，γ1開始減??；繼續(xù)向前推進(jìn)，α1、β1、γ1保持不變，σ1方向與X、Y、Z軸分別成162°、78°、103°夾角。對于臺階法開挖，由圖（b）可知，σ1方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成166°、83°、102°夾角，下臺階的開挖對拱頂測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向幾乎沒有影響。

對于最小主應(yīng)力σ3，從圖13（a）與圖13（b）可知曲線形態(tài)基本一致。對于全斷面開挖，從圖（a）可知，掌子面從距參考面11 m推進(jìn)至距參考面1 m過程中，φ1、ω1不斷增加，ζ1先升高后降低；繼續(xù)向前推進(jìn)至參考面前5 m過程中，φ1先升高后降低，ω1不斷降低，ζ1不斷升高；繼續(xù)向前推近，σ3方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成102°、85°、167°夾角。對于臺階法開挖，由圖（b）可知，σ3方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成102°、83°、167°夾角，下臺階的開挖對拱頂測點(diǎn)最小主應(yīng)力方向幾乎沒有影響。2種開挖方式都表明σ1由最初的平行巷道軸線方向旋轉(zhuǎn)成近似垂直巷道軸線方向；σ3由最初的垂直巷道軸線方向旋轉(zhuǎn)成近似豎直方向。上臺階開挖對拱頂主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角度的影響占主導(dǎo)，下臺階開挖對拱頂測點(diǎn)的應(yīng)力旋轉(zhuǎn)不產(chǎn)生影響；開挖方法對拱頂應(yīng)力角度變化不產(chǎn)生影響。

3.1.4 參考面拱肩監(jiān)測點(diǎn)

從主應(yīng)力的大小變化來看，由圖14（a）與圖14（b）可知曲線形態(tài)基本一致，對于拱肩監(jiān)測點(diǎn)C，從圖14（a）可知：全斷面開挖，隨著巷道掌子面向前推進(jìn)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)開始改變，掌子面從距參考面5 m推進(jìn)至距參考面1 m過程中，σ1不斷增加至峰值28.3 MPa，σ3不斷降低；掌子面通過參考面（從距參考面1 m推進(jìn)至參考面前方1 m）過程中，σ1和σ3大小不斷減小；繼續(xù)向前開挖，主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定；對于臺階法開挖，從圖（b）可知：上臺階開挖面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，σ1先緩慢減小隨后增加至峰值26.9 MPa，σ3不斷降低；上臺階開挖面通過參考面（從距參考面1 m推進(jìn)至參考面前方3 m）過程中，σ1和σ3急劇減小后緩慢降低；繼續(xù)向前開挖，主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定；2種開挖方法對拱肩點(diǎn)的應(yīng)力大小影響規(guī)律相同。

從主應(yīng)力方向的變化來看，對于主應(yīng)力σ1，由圖15（a）與圖15（b）可知曲線形態(tài)基本一致，對于全斷面開挖，由圖15（a）可知，掌子面推進(jìn)至參考面過程中，α1變化幅度較小，β1、γ1持續(xù)增加后突然降低，σ1可近似看作沿平行巷道軸線的豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面推進(jìn)通過參考面（推進(jìn)至參考面前方1 m）過程中，α1迅速增加，旋轉(zhuǎn)幅度達(dá)到40°左右，β1、γ1不斷增大，β1旋轉(zhuǎn)幅度達(dá)到51°左右；掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)，α1、β1、γ1變化幅度較小，σ1方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，最終σ1方向與X、Y、Z軸分別成133°、85°、137°夾角。對于臺階法，由圖15（b）可知，σ1方向與X、Y、Z軸分別成133°、86°、136°夾角，下臺階的開挖對拱肩測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向幾乎沒有影響。對于最小主應(yīng)力σ3，從圖16（a）與圖16（b）可知曲線形態(tài)基本一致。對于全斷面開挖，從圖16（a）可知，掌子面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，φ1、ω1、ζ1不斷增加；掌子面通過參考面推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，φ1、ω1不斷降低，ζ1先增大隨后緩慢減小；繼續(xù)向前推進(jìn)，σ3方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成43°、87°、133°夾角。對臺階法開挖，由圖16（b）可知，σ3方向最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成43°、88°、133°夾角，下臺階的開挖對拱肩測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向幾乎沒有影響。與初始狀態(tài)相比，2種開挖方式下σ1和σ3以一定的角度指向臨空面。上臺階開挖對拱肩主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角度的影響占主導(dǎo)，下臺階開挖的對拱肩測點(diǎn)的應(yīng)力旋轉(zhuǎn)不產(chǎn)生影響；開挖方法對拱肩應(yīng)力角度變化不產(chǎn)生影響。

3.1.5 參考面邊墻監(jiān)測點(diǎn)

對于邊墻監(jiān)測點(diǎn)D，從主應(yīng)力的大小變化來看，由圖17（a）可知：全斷面開挖，掌子面推進(jìn)至參考面過程中，σ1先降低后增加接著產(chǎn)生回降，σ3緩慢增加后不斷減小，在參考面處迅速降低到2.9 MPa；掌子面通過參考面推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，σ1趨于穩(wěn)定，σ3緩慢減??；繼續(xù)推進(jìn)，主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定。對圖17（b），臺階法開挖，上臺階開挖面推進(jìn)至距參考面前方1 m過程中，σ1先減小后增大接著也出現(xiàn)回降，σ3則持續(xù)降低至0.2 MPa；繼續(xù)推進(jìn)，σ1和σ3增量較??；下臺階開挖面推進(jìn)至參考面前方5 m后，主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定。

從主應(yīng)力方向的變化來看，對于全斷面開挖σ1，由圖18（a）可知，掌子面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，α1、β1不斷增加，γ1增量較小，σ1可近似看作主要沿巷道軸線的水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面通過參考面過程中，α1、β1不斷減小，γ1不斷增加；掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，α1緩慢降低，β1、γ1不斷增加；繼續(xù)推進(jìn)，σ1方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，最終σ1方向與X、Y、Z軸分別成96°、85°、172°夾角。對于臺階法開挖，由圖18（b）可知，上臺階開挖面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，α2、β2不斷增大，γ2變化幅度較??；上臺階開挖面通過參考面推進(jìn)至參考面前5 m過程中，α2不斷減小，β2和γ2迅速增大，β2變化幅度達(dá)64°，γ2變化幅度達(dá)79°；上臺階開挖面繼續(xù)推進(jìn)，下臺階開挖面通過參考面至參考面前方5 m過程中，α2增量較小，β2和γ2不斷減??；繼續(xù)向前推進(jìn)，α2基本保持不變，β2和γ2不斷增大，σ1方向與X、Y、Z軸分別成97°、79°、167°夾角。

對于最小主應(yīng)力σ3，由圖19（a）可知，全斷面開挖，掌子面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，φ1、ω1不斷升高，ζ1增量較小，σ3可近似看作主要沿巷道軸線的水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面繼續(xù)推進(jìn)通過參考面至參考面前方5 m過程中，φ1、ω1開始減小，ζ1不斷增加后緩慢降低；繼續(xù)推進(jìn)，σ3方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成6°、89°、96°夾角。對于臺階法開挖（圖19（b）），上臺階開挖面推進(jìn)通過參考面至參考面前5 m過程中，φ2、ω2、ζ2先不斷增加后緩慢降低；上臺階繼續(xù)開挖，下臺階開挖面從距參考面5 m推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，φ2、ω2、ζ2變化幅度較??；繼續(xù)推進(jìn)，φ2、ω2、ζ2保持不變，σ3最終旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成7°、89°、97°夾角，與初始狀態(tài)相比φ1、φ2、ω1、ω2、ζ1、ζ2變化幅度較小。2種開挖方式都表明σ1方向由最初的平行于巷道軸線方向旋轉(zhuǎn)成近似豎直方向；σ3方向幾乎沒有改變，維持垂直巷道軸線方向。

3.1.6 參考面底腳監(jiān)測點(diǎn)

對于底腳監(jiān)測點(diǎn)E，從主應(yīng)力的大小變化來看，由圖20（a）可知：對于全斷面開挖，掌子面推進(jìn)距參考面5 m過程中，σ1不斷降低至24.8 MPa，σ3緩慢升高；在掌子面推進(jìn)通過參考面至參考面前方5 m過程中，σ1開始增長到峰值29 MPa后急劇減小，σ3不斷降低；掌子面繼續(xù)推進(jìn)，主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定。對于臺階法開挖（圖20（b）），上臺階開挖面推進(jìn)至參考面前5 m過程中，σ1緩慢升高至峰值27 MPa隨后不斷降低，σ3不斷減??；上臺階繼續(xù)開挖，下臺階開挖面推進(jìn)通過參考面（前方1 m）過程中，σ1急劇減小，σ3緩慢降低；繼續(xù)開挖，主應(yīng)力大小趨于穩(wěn)定。

從主應(yīng)力方向的變化來看，對于全斷面開挖主應(yīng)力σ1，由圖21（a）可知，掌子面推進(jìn)至參考面過程中，α1變化幅度較小，β1、γ1不斷增加，σ1可近似看作沿垂直巷道軸線的豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；掌子面通過參考面（前方1 m）過程中，α1、β1、γ1變化幅度顯著，分別達(dá)34°、45°、15°左右；掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)，α1、β1、γ1變化幅度較小；掌子面推進(jìn)至參考面前方5 m后，σ1方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，α1、β1、γ1分別為123°、86°、147°。對于臺階法開挖，從圖21（b）可知，上臺階開挖面通過參考面，推進(jìn)至參考面前3 m過程中，α2增量較小，β2、γ2不斷增加后減?。簧吓_階開挖面繼續(xù)推進(jìn)至參考面前5 m過程中，α2、β2、γ2迅速增大，變化幅度分別達(dá)37°、80°、47°左右；上臺階繼續(xù)向前開挖，下臺階開挖面從距參考面5 m推進(jìn)至參考面過程中，α2和β2不斷降低，γ2變化幅度較小；下臺階開挖面繼續(xù)推進(jìn)至參考面前方5 m過程中，α2和γ2增量較小，β2迅速增大；此后，主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，α2、β2、γ2分別為123°、85°、147°。

對于σ3，從圖22（a）可知開挖面推進(jìn)至距參考面1 m過程中，φ1、ω1、ζ1持續(xù)增加；當(dāng)掌子面通過參考面推進(jìn)至參考面前方5 m時，φ1、ω1、ζ1不斷降低；此后，σ3方向旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，σ3應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成33°、90°、123°夾角。從圖22（b）可知，臺階法開挖，上臺階開挖通過參考面至參考面前5 m過程中，φ2、ω2、ζ2先增大后減??；上臺階繼續(xù)開挖，下臺階開挖面從距參考面5 m推進(jìn)至參考面前5 m過程中，ω2先增大后降低，φ2、ζ2不斷減?。淮撕?，φ2、ω2、ζ2幾乎保持不變，主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，σ3應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)至與X、Y、Z軸分別成33°、92°、123°夾角。與初始狀態(tài)相比，2種開挖方式下σ1和σ3以一定的角度指向臨空面。

3.2 圍巖塑性區(qū)

應(yīng)力方向的變化（應(yīng)力主軸的旋轉(zhuǎn)）是由剪切應(yīng)力引起的，隨著巷道開挖的進(jìn)行，剪應(yīng)力逐漸出現(xiàn)。結(jié)合圖23不同開挖方法下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況可知：對于全斷面法，巷道底板、拱頂、邊墻圍巖形成以剪切、張拉破壞為主的破壞區(qū)；在拱肩和底腳形成以剪切破壞為主的剪應(yīng)力集中區(qū)域。對于臺階法，與全斷面法不同的是由于上部臺階首先開挖，拱頂位置處的塑性區(qū)體積變小，主要是形成剪切、張拉破壞的破壞區(qū)；下部臺階開挖滯后，巷道底板和邊墻位置處塑性區(qū)體積明顯偏小，對于底板主要是形成以剪切破壞為主的破壞區(qū)，對于邊墻主要是形成剪切、張拉破壞的破壞區(qū)；對于拱肩和底腳圍巖的破壞形式同全斷面法一致，形成以剪切破壞為主的剪應(yīng)力集中區(qū)域。

4 結(jié) 論

以某礦區(qū)巷道為研究實(shí)例，分析了不同開挖過程中圍巖應(yīng)力的變化，包括圍巖的應(yīng)力大小和方向，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析了圍巖開挖應(yīng)力路徑演化特征，更準(zhǔn)確地反映了圍巖應(yīng)力中最大、最小主應(yīng)力的演化過程。得出如下結(jié)論：

（1）巷道拱頂最大主應(yīng)力值變化較大，最小主應(yīng)力值變化最大的是巷道邊墻。巷道軸心、巷道底板、巷道拱肩、巷道底腳的應(yīng)力大小變化介于這些值之間。

（2）對于參考面軸心監(jiān)測點(diǎn)，全斷面法開挖時最小主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)成平行巷道軸線方向，受下臺階的影響，臺階法開挖最小主應(yīng)力最終旋轉(zhuǎn)成豎直方向；對于邊墻、拱肩、拱頂、底板、底腳等其他關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)，最終的應(yīng)力狀態(tài)相差不大，但應(yīng)力演化路徑相差顯著，破壞機(jī)理也不同，會影響最終破壞損傷區(qū)分布。

（3）隨著巷道開挖，主應(yīng)力大小和方向會不斷發(fā)生變化；應(yīng)力方向的變化滯后于應(yīng)力大小，即在應(yīng)力方向發(fā)生劇烈變化之前，巖石內(nèi)部發(fā)生了一定程度的損傷。

（4）對于全斷面開挖來說，巷道周邊關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)力方向受影響范圍約為開挖面距參考面前后1倍巷道寬度的距離；對于臺階法開挖，由于分步開挖監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力方向受上、下開挖面的影響，受影響的范圍更大，過程更長。

（5）與全斷面法開挖相比，下部臺階開挖滯后，巷道底板和邊墻位置處塑性區(qū)體積明顯偏小，下臺階對底板圍巖具有一定的保護(hù)作用。