余偉健，李 可，蘆慶和，郭涵瀟，杜少華

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

自然界中的天然地質(zhì)巖體都具有不同程度裂隙發(fā)育，發(fā)育程度的好壞決定了整個(gè)巖體的力學(xué)特性，尤其是密度大、組數(shù)多和產(chǎn)狀復(fù)雜的裂隙大幅度降低了圍巖體強(qiáng)度，直接破壞了圍巖體的整體性。在實(shí)際工程中，存在大量原生裂隙巖體，這種巖體在開挖中又會(huì)受到工程力的作用，進(jìn)一步破壞了巖體的完整性，形成了較大松動(dòng)區(qū)，開挖后的硐室或巷道呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，極有可能出現(xiàn)垮冒事故，給安全生產(chǎn)帶來了極大的威脅，維護(hù)成本倍增。

裂隙在巖體中的賦存有較大的隨機(jī)性，同一處巖體中不同部位裂隙的力學(xué)性質(zhì)差異性也較大，傳統(tǒng)的力學(xué)試驗(yàn)與分析很難滿足工程需求。近10 a來，很多學(xué)者研究利用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)、合成巖體(SRM)等方式對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的巖體裂隙進(jìn)行重構(gòu)還原以協(xié)助工程設(shè)計(jì)。SCHOLTS L等[1-2]驗(yàn)證了DFN重構(gòu)裂隙巖體的可行性，認(rèn)為在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，DFN可以有效重現(xiàn)裂隙巖體的漸進(jìn)破壞，能較為準(zhǔn)確地反映出裂隙巖體的破壞特征。高富強(qiáng)等[3-5]認(rèn)為裂隙密度對(duì)巖體的殘余強(qiáng)度沒有顯著影響，對(duì)峰值強(qiáng)度影響較大；隨著圍壓升高，巖體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均升高。王曉卿等[6-7]利用合成巖體(SRM)方法重構(gòu)了煤體節(jié)理，認(rèn)為裂隙方位并不顯著影響煤體力學(xué)性能,僅影響煤體裂隙形態(tài)。在裂隙重構(gòu)還原方面，F(xiàn)ARAHMAND K等[2,8-11]將現(xiàn)場(chǎng)拍攝或掃描的裂隙巖體圖片利用Matlab等工具處理后，在模擬軟件中進(jìn)行了重構(gòu)，為公路邊坡處理、露天礦山采礦、隧道施工等巖石工程提出了很多指導(dǎo)性方案。MIYOSHI T等[12]將公路邊坡裂隙調(diào)查進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分組后采用DFN重構(gòu)，認(rèn)為DFN模型能更好地解釋邊坡巖石工程設(shè)計(jì)中的不確定性。趙偉等[13]在FLAC3D軟件中構(gòu)建了一處礦山邊坡多裂隙模型，并提出了一種基于統(tǒng)計(jì)分布的DFN參數(shù)選取方案。煤礦井下不同于露天工程和隧道工程，受現(xiàn)場(chǎng)空間窄小等條件限制，通過掃描等方式獲取滿足需求的圖片對(duì)現(xiàn)場(chǎng)揭露的裂隙進(jìn)行還原的難度較大。

多年來，巷道裂隙圍巖體變形規(guī)律、維護(hù)和控制問題一直是學(xué)術(shù)研究的難題和工程施工關(guān)注的焦點(diǎn)，學(xué)者們相繼提出了較多的裂隙圍巖體工程控制方案，例如：康紅普等[14-16]提出支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制理念，提出高壓劈裂注漿改性技術(shù)，主張通過注漿改性方法提高圍巖自承能力，研發(fā)了超高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿。何滿潮等[17-18]認(rèn)為，層狀碎裂結(jié)構(gòu)是深井巷道圍巖強(qiáng)度降低、產(chǎn)生不均勻變形與破壞的主要原因，提出了關(guān)鍵部位耦合支護(hù)策略，研發(fā)了恒阻大變形錨桿(索)。文獻(xiàn)[19-21]針對(duì)深部裂隙巖體變形巷道圍巖的穩(wěn)定性及控制問題，研討了巷道圍巖變形的主要影響因素，提出了針對(duì)裂隙發(fā)育巖體巷道的“分次強(qiáng)化支護(hù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外承載”為核心的“錨桿、錨索和兩步注漿殼體”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，等等。上述成果在理論研究和工程現(xiàn)場(chǎng)都發(fā)揮了重要作用，但針對(duì)裂隙圍巖體的控制技術(shù)尚未形成比較完整的系統(tǒng)，目前主要還是采用被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)相結(jié)合，如采用架棚支護(hù)與錨桿、錨索和注漿等技術(shù)聯(lián)合使用[22-24]。由于巖體各向異性和非均質(zhì)性等特點(diǎn)，加上裂隙分布的隨機(jī)性和力學(xué)參數(shù)難以量化，導(dǎo)致裂隙巖體力學(xué)響應(yīng)機(jī)制和開挖卸荷力學(xué)機(jī)理研究困難，較多學(xué)者將現(xiàn)場(chǎng)條件簡化后進(jìn)行研究，無論是巖體穩(wěn)定性，還是圍巖控制都應(yīng)該因地制宜，對(duì)癥下藥。

筆者針對(duì)裂隙發(fā)育的巷道圍巖體，開展典型礦山工程圍巖揭露與巷道圍巖穩(wěn)定性的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用DFN對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的裂隙進(jìn)行重構(gòu)還原，系統(tǒng)地采用相關(guān)理論和手段分析此類圍巖在應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合具體礦山巷道工程，提出相關(guān)控制原理及關(guān)鍵技術(shù)。

1 裂隙圍巖工程特征

1.1 工程概況

貴州省木孔煤礦位于揚(yáng)子陸塊內(nèi)部的黔北臺(tái)隆遵義斷拱南部，大頂坡背斜(安底背斜)東段北翼，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造不發(fā)育，煤系地層為二疊系龍?zhí)督M(P2l)，為緩傾斜～近水平巖層，研究對(duì)象為布置在該礦井3號(hào)煤層和5號(hào)煤層之間巖層中的+600 m西運(yùn)輸大巷，該巷道最大埋深450 m，擔(dān)負(fù)礦井西翼運(yùn)輸任務(wù)，是西翼各采區(qū)的“咽喉”，設(shè)計(jì)總長為1 650 m。巷道位置如圖1所示。

圖1 +600 m西運(yùn)輸大巷相對(duì)位置

1.2 巷道變形情況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)+600 m西運(yùn)輸大巷已掘出部分圍巖為典型裂隙巖體，裂隙發(fā)育程度高。在已掘巷道的圍巖變形與破壞情況來看，首先表現(xiàn)為兩幫內(nèi)擠嚴(yán)重，移近量大導(dǎo)致側(cè)墻張裂嚴(yán)重，引起鋼筋網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重扭曲、噴錨掛網(wǎng)扭曲或被拉斷，噴層開裂破碎，巷道圍巖被擠出。上覆巖層壓力增大和水平擠壓力的作用下，拱頂向上產(chǎn)生較大位移；同時(shí)，由于水平應(yīng)力從底板方向釋放，導(dǎo)致底板發(fā)生翹起、道床抬高等現(xiàn)象，部分地段軌道變形至不能滿足正常運(yùn)輸和通風(fēng)需求。從現(xiàn)掘巷道圍巖變形調(diào)查來看，雖然采用螺紋樹脂錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土支護(hù)，但變形仍然較為嚴(yán)重。

1.3 圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙發(fā)育窺視

在+600 m西運(yùn)輸大巷頂板和幫部處采用鉆機(jī)施工直徑φ90 mm、孔深8 m的鉆孔各一處，使用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀探測(cè)巖體內(nèi)裂隙發(fā)育情況。結(jié)果顯示，距孔口0.25 m處頂板內(nèi)部巖體呈現(xiàn)局部破碎、細(xì)小裂紋，距孔口1.1 m處孔壁出現(xiàn)裂隙，2.4 m附近出現(xiàn)破碎帶和次生裂隙，距孔口4 m處孔壁部分出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)的裂隙。幫部距孔口0.15 m處內(nèi)部巖體呈現(xiàn)破碎帶、裂隙，距孔口2.1 m附近出現(xiàn)局部破碎、裂隙，2.4 m附近出現(xiàn)局部破碎。

1.4 揭露巖體裂隙分布調(diào)查

根據(jù)詳細(xì)線觀測(cè)法對(duì)木孔煤礦+600 m西運(yùn)輸大巷圍巖開挖面的裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)按三測(cè)線不連續(xù)面量測(cè)方法共調(diào)查了5 m范圍內(nèi)的123條裂隙的產(chǎn)狀分布情況。由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)可知，該巷道裂隙發(fā)育程度較高，是典型的裂隙巖體，由許多分離體形成，裂隙最大間距為30 cm，最小的不足1 cm，總平均在8 cm左右，根據(jù)裂隙的傾角和走向數(shù)據(jù)，裂隙組的數(shù)目為4組。該巷道圍巖裂隙間距較小、圍巖完整性較差，巖體各項(xiàng)異性明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)，巷道圍巖裂隙較為分散，傾向?yàn)槟衔鞣较虻牧严毒佣?，因此，該區(qū)域的工程地質(zhì)條件較差，巖體裂隙發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)破碎。調(diào)查裂隙統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 巷道圍巖裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)

1.5 裂隙數(shù)據(jù)處理方法

(1)

(2)

2 裂隙圍巖巷道變形規(guī)律與破壞特征

2.1 裂隙圍巖巷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形規(guī)律

在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下，巖體裂隙的發(fā)育程度直接關(guān)系到巷道圍巖控制的難易程度。一方面開挖巖體本身的卸荷作用，巖體局部由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰?，裂隙局部由壓剪狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔魻顟B(tài)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)逐步復(fù)雜化；另一方面在高地應(yīng)力作用下，力學(xué)強(qiáng)度低的圍巖發(fā)生大變形。

圖2為巷道圍巖的變形曲線，可知由于破碎狀裂隙圍巖體力學(xué)強(qiáng)度較低，巷道兩幫和頂、底板變形明顯，呈全斷面收縮變形，破碎狀裂隙圍巖巷道開挖后具有變形量大和持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)。該巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)表明，經(jīng)過210 d的監(jiān)測(cè)后，兩幫收斂達(dá)到591 mm，頂、底板收斂達(dá)到534 mm，其變形量相對(duì)較大。從變形規(guī)律來看，此巷道圍巖一般在30 d左右，變形速度較快，可達(dá)到8～9 mm/d；在90 d左右又有一個(gè)增長期，說明該巷道圍巖受到了工程擾動(dòng)的影響，變形速度有加快現(xiàn)象，而后較為穩(wěn)定。但是，到監(jiān)測(cè)后期，其變形速率有的還大于1 mm/d。

圖2 裂隙圍巖巷道變形曲線Fig.2 Deformation curves of roadway in FRM

2.2 裂隙圍巖巷道變形與破壞特征

針對(duì)我國南方一些礦區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)[27]，工字鋼、U型鋼等被動(dòng)支護(hù)與錨桿、錨索、噴漿、注漿、金屬網(wǎng)等主動(dòng)支護(hù)均被廣泛應(yīng)用于裂隙圍巖巷道的變形控制，但由于變形機(jī)理不清、支護(hù)時(shí)機(jī)不恰當(dāng)、支護(hù)與圍巖變形不協(xié)調(diào)等原因，多種支護(hù)形式下，裂隙圍巖巷道仍然存在變形、破壞嚴(yán)重問題，典型的幾類支護(hù)巷道的破壞特征為：

(1)“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”支護(hù)巷道。在應(yīng)力作用下原裂隙巖體在開挖之后迅速產(chǎn)生擴(kuò)容形成碎脹變形，使巷道壁面呈現(xiàn)出許多的裂隙。由于裂隙范圍大，松動(dòng)破碎的巖石全部或大部分脫離了母體，支護(hù)結(jié)構(gòu)要承受這些離層破碎巖體的全部質(zhì)量。若時(shí)間稍長，支護(hù)結(jié)構(gòu)可能受力不均發(fā)生失效，錨桿或錨索被整體移出或撥出，墊板大變形至失效，金屬網(wǎng)出現(xiàn)“網(wǎng)兜”和空幫等現(xiàn)象。尤其是當(dāng)錨索失效或長度不夠時(shí)，頂板冒落危險(xiǎn)性增大(圖3(a))。此外，如巖體含泥質(zhì)成分較多且鄰近巖層中富水性好時(shí)，由于圍巖沒有及時(shí)封閉，泥質(zhì)巖層吸收水分后，產(chǎn)生體積膨脹、泥化等現(xiàn)象，圍巖整體性強(qiáng)度降低，影響圍巖受力環(huán)境。因此，對(duì)于地應(yīng)力影響較大的裂隙巖體中的巷道，采用錨-網(wǎng)-索的聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿和金屬網(wǎng)起到了一次支護(hù)作用，而錨索起到2次支護(hù)作用，在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)比較穩(wěn)定。錨索與錨桿形成“深、淺”承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了深部穩(wěn)定巖體的作用。但是，如果裂隙巖體的范圍較大，或者支護(hù)后圍巖松動(dòng)繼續(xù)擴(kuò)張，在較長時(shí)間作用下，如不及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，巷道圍巖的碎脹變形迅速增長，致使巷道圍巖變形失控，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性失效，最終錨索或錨桿被拉斷或切斷時(shí)有發(fā)生。

(2)“錨桿(或錨索)+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)巷道。這種支護(hù)形式對(duì)圍巖進(jìn)行了及時(shí)的封閉，前期支護(hù)的效果較好。但由于巖體裂隙發(fā)育整體破碎，應(yīng)力環(huán)境的改變致使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，裂隙范圍越來越大，反向引起應(yīng)力環(huán)境改變范圍擴(kuò)大，惡性循環(huán)中巷道圍巖變形速率增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷隨之逐步增大，最終導(dǎo)致巷道的大變形和支護(hù)失效，以至失穩(wěn)。這種支護(hù)形式下的巷道圍巖變形初期以巷道片幫為主，隨著片幫程度的加大，噴射混凝土脫離巖壁從而掉塊失去支護(hù)作用。裂隙巖石由于支護(hù)失效而發(fā)生垮冒，在部分部位形成空洞。在應(yīng)力較大的環(huán)境下，巷道裂隙圍巖變形與破壞程度進(jìn)一步加大，容易發(fā)生兩幫擠進(jìn)、頂板下沉或底臌等變形與破壞現(xiàn)象。

圖3 不同支護(hù)形式的巷道圍巖變形與破壞Fig.3 Deformation and failure of surrounding rock in various support forms

(3)“錨桿(錨索)+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”+“鋼拱支架”支護(hù)巷道。這種支護(hù)方式是主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)的結(jié)合，也是柔性支護(hù)與剛性支護(hù)的結(jié)合，是先柔后剛、讓壓支護(hù)理論的典型實(shí)踐。一開始圍巖與鋼拱架相互作用程度較低，其變形速率較大；當(dāng)變形到一定值后，圍巖對(duì)鋼拱支架的壓力越來越大，鋼拱支架被動(dòng)對(duì)圍巖的變形抵制作用也越來越明顯，支架屈服變形之前，表現(xiàn)出較好的圍巖控制效果，尤其在淺埋巷道支護(hù)時(shí)，圍巖變形施加荷載長期小于鋼拱支架屈服臨界荷載，鋼拱支架作用明顯，可作為永久性支護(hù)。然而對(duì)于應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜的深埋巷道，隨著變形時(shí)間的延長，圍巖變形的增長，作用在鋼拱支架上的圍巖壓力也越來越大，超過屈服臨界荷載時(shí)，由于巷道與鋼拱支架的非規(guī)則性產(chǎn)生局部變形，發(fā)展為支架整體變形，對(duì)圍巖的抑制作用減弱，引起圍巖整體性失穩(wěn)。這種支護(hù)巷道的破壞主要表現(xiàn)在鋼拱支架被壓壞，拱頂被垮落巖石壓壞，兩幫有時(shí)會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)擠，造成鋼拱支架形成尖桃形。

(4)注漿加固巷道。注漿對(duì)裂隙巖體具有充填和黏結(jié)作用，提高了整個(gè)圍巖的整體性和力學(xué)強(qiáng)度。特別是錨注具有網(wǎng)絡(luò)和函拱效果，提高圍巖的自我承載能力，穩(wěn)定性好。但是，在高應(yīng)力環(huán)境下，這種圍巖的變形具有極強(qiáng)的時(shí)間流變及碎脹性，隨著變形的不斷增加，巷道也會(huì)產(chǎn)生大變形，直至失穩(wěn)。這種巷道的變形是全斷面的，尤其是在有構(gòu)造應(yīng)力作用下，可使兩幫、頂板和底板產(chǎn)生較大的變形，尤其是兩幫移近和底臌現(xiàn)象特別突出。

3 裂隙重構(gòu)數(shù)值方法

3.1 DFN裂隙重構(gòu)過程

采用FLAC3D軟件的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)模塊進(jìn)行裂隙重構(gòu)還原，還原對(duì)象為表1中列出的4組裂隙。DFN模塊基于統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)將巖體的裂隙視作數(shù)個(gè)離散的裂隙組，指定裂隙發(fā)育密度、跡長、裂隙傾角、走向等約束條件后隨機(jī)生成數(shù)個(gè)裂隙組，將與裂隙組相交的單元格進(jìn)行參數(shù)賦值，以此來模擬巖體內(nèi)的裂隙。

基礎(chǔ)模型尺寸x×y×z=100 m×40 m×100 m，擬在+600 m西運(yùn)輸大巷所在的砂巖巖層中重構(gòu)還原調(diào)查得到的4組裂隙，巷道走向y方向的+20～+40 m不添加裂隙，作為裂隙范圍的分析對(duì)照，所建數(shù)值模型和重構(gòu)裂隙范圍如圖4所示。調(diào)查所得的4組裂隙采取分組還原的方式按A→B→C→D的順序依次進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)參數(shù)均取自表1。重構(gòu)過程如圖5所示，跡線和正交跡線如圖6所示。

圖4 FLAC3D數(shù)值模型Fig.4 Numerical model in FLAC3D

3.2 裂隙模型驗(yàn)證與應(yīng)用

+600 m西運(yùn)輸大巷巷道原支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿規(guī)格為長2 m，直徑20 mm的高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間、排距800 mm×800 mm，長度2.4 m，每根錨桿安裝K2335樹脂藥卷2卷；鋼筋網(wǎng)φ6.5-100 mm×100 mm；噴射C20混凝土厚120 mm。巷道斷面參數(shù)和原支護(hù)方案如圖7所示。

圖5 裂隙重構(gòu)還原過程Fig.5 Reconstruction and revivification process of fractures

圖6 裂隙正交跡線Fig.6 Orthogonal traces of fractures

圖7 原有支護(hù)數(shù)值模型Fig.7 Diagram of originalsupport

使用原支護(hù)方案，分別施加載荷于重構(gòu)裂隙區(qū)和無裂隙區(qū)以對(duì)比分析重構(gòu)模型的可行性。數(shù)值模型采用Ubiquitous-Joint彈塑性本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型與相應(yīng)的流動(dòng)準(zhǔn)則，包含巖體和裂隙(節(jié)理)2部分[28]。設(shè)置與模擬裂隙的DFN相交的單元格黏聚力為10 kPa；原巷道采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)和混凝土噴層采用Liner模擬，其計(jì)算參數(shù)引自文獻(xiàn)[28-29]，見表2；錨桿和下文中的錨索采用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬，綜合文獻(xiàn)[28,30-31]，其計(jì)算參數(shù)取值見表3；錨桿外端頭采用Node-Node方式與鋼筋網(wǎng)噴層連接以確保與其協(xié)同變形，錨固端采用Node-Zone方式與單元體連接；原有巷道支護(hù)方式數(shù)值模型如圖7所示。巷道最大埋深450 m，在模型頂部z向加載12.15 MPa面力，模型另外5個(gè)面采用Fix命令進(jìn)行固定。

表2 鋼筋網(wǎng)和噴層數(shù)值計(jì)算參數(shù)

表3 錨桿與錨索數(shù)值計(jì)算參數(shù)

在裂隙重構(gòu)段y=10 m處和對(duì)照段y=30 m處各設(shè)置一處監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)巷道4個(gè)方向6 m深范圍內(nèi)圍巖變形量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。裂隙段巷道4個(gè)方向的表面位移量均是對(duì)照段的2倍左右，隨著監(jiān)測(cè)深度增大，2個(gè)斷面變形量差距逐漸減小。模型收斂后，兩幫收斂量是實(shí)測(cè)值的0.73倍，頂?shù)装迨諗苛渴菍?shí)測(cè)值的1.04倍，變形量不能完整契合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。裂隙段監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板變形量最大，是底板和兩幫的2倍左右，兩幫變形量略大于底臌量，巷道產(chǎn)生全斷面非均勻收縮變形，此變形趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相符。因此認(rèn)為，重構(gòu)的模型能作為后期支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不同支護(hù)方式效果對(duì)比的定性參考。

圖8 裂隙段和對(duì)照段圍巖變形對(duì)比Fig.8 Contrast diagram of deformation of surrounding rock between joint section and contrast section

4 控制原理及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 控制要點(diǎn)

由于裂隙巖體開挖后，在復(fù)合應(yīng)力作用下，破碎程度進(jìn)一步加劇。因此，此類圍巖的變形控制主要思路是要盡快提高內(nèi)結(jié)構(gòu)圍巖強(qiáng)度，阻止圍巖中集中應(yīng)力的相對(duì)無限外移，減小或消除巷道表面拉應(yīng)力區(qū)。根據(jù)巷道圍巖變形與破壞特征，提出如下控制要點(diǎn)：

(1)提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度。一般來說，裂隙巖體由于結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，產(chǎn)生不連續(xù)變形。在地下圍巖開挖之后，這種不連續(xù)變形先于連續(xù)變形。因此，為了控制硐室圍巖的變形，需要大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效地控制圍巖不連續(xù)變形，盡量保持圍巖的完整性。同時(shí)，要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，允許硐室圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應(yīng)力得以釋放，并最大限度地保持圍巖完整性，盡量減少圍巖強(qiáng)度的降低。

(2)充分利用深層穩(wěn)固巖體的承載功能。目前，深部地下工程的控制主體仍然是錨桿和錨索，而錨桿、錨索支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形。因此，在進(jìn)行錨桿和錨索支護(hù)時(shí)，必須要找到深部穩(wěn)定巖體作為承載支承點(diǎn)，這樣才能形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，同時(shí)改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)，大大提高支護(hù)效果。

(3)擴(kuò)大支護(hù)系統(tǒng)的承載面積。目前，支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體仍然為錨桿或錨索，對(duì)于單根錨桿(錨索)預(yù)應(yīng)力必須要通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿(錨索)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中，因此，首先要使錨桿或錨索預(yù)應(yīng)力能有效地?cái)U(kuò)散，由點(diǎn)的作用擴(kuò)散到面的作用。對(duì)于完善性較差的圍巖而言，可采用通過金屬網(wǎng)、墊層或棚架進(jìn)行力的擴(kuò)散，這樣，即使施加很小的支護(hù)力，也會(huì)明顯抑制圍巖的變形與破壞，保持頂板的完整。

(4)準(zhǔn)確把握支護(hù)系統(tǒng)，尤其是被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)的臨界支護(hù)剛度。在實(shí)際工程當(dāng)中，采用錨桿、錨索和U型鋼架等進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)最為廣泛。對(duì)于這樣的支護(hù)系統(tǒng)，常常存在支護(hù)剛度不耦合等問題造成局部支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞而失去支護(hù)效果，這就存在一個(gè)臨界支護(hù)剛度。如果支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度，圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài)；相反地，支護(hù)系統(tǒng)的剛度達(dá)到或超過臨界支護(hù)剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道圍巖處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，在實(shí)際工程中，決定這個(gè)臨界支護(hù)剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿(錨索)預(yù)應(yīng)力，因此，只要錨桿(錨索)達(dá)到臨界預(yù)應(yīng)力值后，就能有效控制圍巖變形與離層，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化不大。

(5)有效提高裂隙巖體的完整性及承載強(qiáng)度。由于破碎程度較大的裂隙圍巖松動(dòng)范圍大，巖石塊體之間縫隙大，摩擦與鑲嵌作用及抗拉、抗剪強(qiáng)度已基本喪失，單靠錨固手段難以使巖塊裂隙閉合或縮小，因此，提高圍巖整體強(qiáng)度非常重要。一般地，可采用圍巖注漿使裂隙得到充填膠結(jié)，提高圍巖穩(wěn)定性，使松動(dòng)圈就轉(zhuǎn)變成巖石承載圈，形成承載能力高、整體性好的“內(nèi)、外”拱式承載結(jié)構(gòu)，大幅度提高圍巖的自身承載能力。

4.2 “長、短”錨桿(錨索)承載體系

由于圍巖的自穩(wěn)平衡能力，當(dāng)巷道周邊裂隙巖體破碎到一定程度時(shí)，形成圍巖的自穩(wěn)平衡圈。該平衡圈內(nèi)的巖體較為穩(wěn)定，考慮在該圈內(nèi)穩(wěn)定巖體中作為錨固支撐點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)行長錨索支護(hù)時(shí)，長錨索的錨固點(diǎn)就作用在該區(qū)域內(nèi)，因此，使長錨索除了對(duì)原來的拱合組具有強(qiáng)化作用外，還起到了懸吊和拉伸作用，并形成新的范圍較大的壓縮應(yīng)力拱。對(duì)于大跨度軟弱巖體的硐室，長錨索是“圍巖-支護(hù)”結(jié)構(gòu)的核心，其將松動(dòng)圈內(nèi)的錨桿(短錨索)組合拱承載體直接懸吊和拉伸在自穩(wěn)平衡圈內(nèi)的深部穩(wěn)定圍巖中。

當(dāng)長錨索的間排距適當(dāng)時(shí)(如密集型錨索支護(hù))，還會(huì)形成自己的組合壓縮拱，極大地提高圍巖與錨固體的自身承載力，并將作用在承載上的部分應(yīng)力傳遞到圍巖深部，從而與深部穩(wěn)固巖體連為一體并互相協(xié)調(diào)地作用，提高工程圍巖的穩(wěn)定性。為了區(qū)別錨桿(短錨索)與錨索的作用機(jī)理，現(xiàn)把錨桿(短錨索)形成的組合壓縮結(jié)構(gòu)稱為次壓縮拱，長錨索形成的組合壓縮結(jié)構(gòu)為主壓縮拱。這2種壓縮拱的作用機(jī)理再加上錨索的懸吊作用使承載結(jié)構(gòu)形成了一種疊加拱的力傳遞系統(tǒng)，可將其稱之為疊加壓縮拱承載結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與上覆巖體融為一體，充分體現(xiàn)了“圍巖-支護(hù)”共同體特點(diǎn)，這種力學(xué)作用的承載結(jié)構(gòu)可表示為如圖9所示。

圖9 “長、短”密集錨索(錨桿)支護(hù)Fig.9 “Long-short” dense anchor cable (anchor) support

在該承載體系當(dāng)中，另一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件是采用了高強(qiáng)度、高剛度的U型鋼拱架。U型鋼支架具有可縮、剛度大等優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，U型支架在讓壓過程中給圍巖的阻力較小，引起圍巖塑性區(qū)邊界不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致應(yīng)力無限內(nèi)移，因而破碎區(qū)域也不斷擴(kuò)大，支架剛度也難以發(fā)揮作用，最終導(dǎo)致支架難以承受圍巖變形壓力而失效。另一個(gè)方面，由于錨索(錨桿)的支護(hù)阻力大，可縮量小，在高應(yīng)力作用下易破斷。因此，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一種“U型鋼+錨索(錨桿)”協(xié)調(diào)支護(hù)承載體系。

這種支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了錨索(錨桿)與U型鋼的耦合，尤其是能在巷道開挖初期利用高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨索主動(dòng)支護(hù)限制巷道初期變形，在支護(hù)后期能及早有效發(fā)揮U型鋼支架的高剛度、可縮的特點(diǎn)，使得巷道圍巖保持穩(wěn)定。錨索或錨桿的承載力也能通過高剛度U型鋼支架實(shí)現(xiàn)了力從點(diǎn)到面的傳遞，增加了支護(hù)系統(tǒng)的承載面積。

4.3 可控注漿加固“內(nèi)、外”結(jié)構(gòu)承載

為了進(jìn)一步提高裂隙圍巖的穩(wěn)定性，根據(jù)控制要點(diǎn)，應(yīng)盡量提高圍巖的承載能力和完整性，研發(fā)了專門用于裂隙圍巖巷道的可控注漿加固技術(shù)，如圖10所示。通過自動(dòng)伸長式堵孔裝置能夠預(yù)設(shè)壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)能夠沿錨桿軸線自動(dòng)伸長。錨桿能根據(jù)圍巖裂隙情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整控制注漿范圍，對(duì)裂隙圍巖支護(hù)效果好、注漿量少，能大大減少注漿成本，保證裂隙圍巖巷道長期穩(wěn)定。

在裂隙巖體較深部通過漿體提高了其完善性和承載能力，尤其是配合“長、短”錨桿(錨索)承載結(jié)構(gòu)，不但充分發(fā)揮了錨桿(錨索)的穩(wěn)固根基作用，而且還通過U型鋼和金屬網(wǎng)提高了受力面積，增強(qiáng)支護(hù)體系的剛度，“內(nèi)(錨索或錨桿錨固端與注漿拱)、外(墊板、U型鋼和金屬網(wǎng)等形成的強(qiáng)力作用構(gòu)件)”組合承載提高支護(hù)系統(tǒng)整體強(qiáng)度，增加使用壽命。

圖10 裂隙圍巖巷道的可控注漿加固裝置Fig.10 Controllable grouting device for roadway in FRM

5 工程實(shí)踐與應(yīng)用

5.1 強(qiáng)化支護(hù)方案

在前面分析和原支護(hù)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)支護(hù)錨桿長度為2.4 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm，預(yù)緊力為60 kN，底角錨桿與水平面夾角為45°，且對(duì)整個(gè)巷道斷面進(jìn)行全斷面錨索加強(qiáng)支護(hù)并同步注漿，如圖11所示。具體參數(shù)如下：

圖11 強(qiáng)化支護(hù)方案數(shù)值模型Fig.11 Redesigned reinforced support scheme

(1)可控注漿加固。本次注漿分淺孔注漿和深孔注漿。其中，淺孔注漿孔長度為2 m，頂拱和兩幫的間排距均為2 000 mm×2 400 mm；深孔注漿孔長度為5 m，頂拱和兩幫的注漿孔的間排距均為3 200 mm×2 400 mm。

(2)錨桿支護(hù)。采用φ20 mm×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼，間、排距1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿采用2節(jié)Z2335型樹脂藥卷加長錨固(1支快凝，1支中等凝固速度)。

(3)錨索支護(hù)。采用φ17.8 mm×7 000 mm鋼絞線，間、排距1 200 mm×1 600 mm，每根錨索采用3節(jié)Z2335型樹脂藥卷加長錨固(1支快凝，2支中等凝固速度)。

(4)U型鋼架及金屬網(wǎng)。采用U29半圓拱形鋼支架，間距為1 200 mm；噴射混凝土層厚度120 mm；全斷面掛鋼絲網(wǎng)和鋼筋梯子梁，金屬網(wǎng)為φ6.5 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，規(guī)格為1 200 mm×800 mm。

采用Beam結(jié)構(gòu)單元模擬U29型U型鋼，其計(jì)算參數(shù)引自文獻(xiàn)[28,30]，見表4。其他模型參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)與前文相同。

表4 U型鋼數(shù)值計(jì)算參數(shù)

5.2 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

由圖12可知，原支護(hù)巷道兩幫4 m的范圍內(nèi)，水平應(yīng)力在2 MPa以下，水平應(yīng)力在頂板和底板10 m處最大，應(yīng)力集中系數(shù)1.8；頂板和底板均有大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，容易引起裂隙圍巖拉剪破壞后的松動(dòng)變形；豎向應(yīng)力在兩幫3 m處最大，應(yīng)力集中系數(shù)1.2。強(qiáng)化支護(hù)后，水平應(yīng)力在頂板和底板的注漿層位置集中，應(yīng)力集中系數(shù)為2.2，豎向應(yīng)力在兩幫內(nèi)外注漿層位置集中，最大豎向應(yīng)力在淺孔注漿層位置，應(yīng)力值為23.5 MPa，集中系數(shù)1.9，深孔注漿層應(yīng)力集中系數(shù)1.4；強(qiáng)化支護(hù)后，水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力集中系數(shù)均升高，有效阻止了地應(yīng)力在巷道表面釋放，但板底板和兩幫均變化為壓應(yīng)力區(qū)，不再出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，有效阻止了裂隙圍巖體的拉剪破壞。

由圖13可知，原支護(hù)巷道兩幫和頂、底板變形均較大，屬于全斷面變形，且變形影響范圍較大，兩幫10 cm以上變形區(qū)深度8 m，面積212 m2，頂、底板12 cm以上變形區(qū)深度5 m,面積52 m2。強(qiáng)化支護(hù)后，兩幫和頂?shù)装鍐畏较蜃冃瘟烤?0 cm以內(nèi)，說明強(qiáng)化支護(hù)能有效阻止裂隙圍巖體大變形。

5.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

基于“長、短”錨桿(錨索)和可控注漿加固的關(guān)鍵技術(shù)，在該巷道進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)段巷道長為50 m，采用錨桿、錨索、U型鋼及金屬網(wǎng)形成第1次支護(hù)，通過壁后可控注漿進(jìn)行2次支護(hù)。根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，該試驗(yàn)段巷道進(jìn)行支護(hù)并加固后，圍巖整體變形趨于穩(wěn)定，在4個(gè)月的觀測(cè)期間內(nèi)，巷道兩幫移近量0.1 m，頂?shù)装逡平?.12 m，，最終變形速率不到0.2 mm/d，說明強(qiáng)化后的支護(hù)方案能較好地控制此類圍巖的大變形，能滿足較長時(shí)間的生產(chǎn)服務(wù)。

圖12 強(qiáng)化支護(hù)前后應(yīng)力分布云圖Fig.12 Contrast contour of stress distribution before and after strengthening support

圖13 強(qiáng)化支護(hù)前后位移云圖Fig.13 Contrast contour of displacement before and after strengthening support

6 結(jié) 論

(1)分析總結(jié)了裂隙圍巖巷道常用典型的支護(hù)方式的變形破壞特征，認(rèn)為變形機(jī)理不清、支護(hù)時(shí)機(jī)不恰當(dāng)、支護(hù)與圍巖變形不協(xié)調(diào)等問題是裂隙圍巖巷道典型的變形破壞特征的主要原因。

(2)基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與理論分析相結(jié)合的手段分析了裂隙發(fā)育巖體巷道的變形破壞特征，采用三測(cè)線不連續(xù)面量測(cè)方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的裂隙發(fā)育情況作了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，利用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)對(duì)礦山現(xiàn)場(chǎng)的裂隙進(jìn)行了重構(gòu)還原，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后認(rèn)為重構(gòu)模型能作為支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不同支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)效果對(duì)比的定性參考。

(3)基于提高圍巖強(qiáng)度、防止應(yīng)力集中的思想，提出了提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度、充分利用深層穩(wěn)固巖體的承載功能、擴(kuò)大支護(hù)系統(tǒng)的承載面積、準(zhǔn)確把握支護(hù)系統(tǒng)，尤其是被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)的臨界支護(hù)剛度、有效提高裂隙巖體的完整性及承載強(qiáng)度等5個(gè)裂隙巖體控制要點(diǎn)。

(4)在控制原理的基礎(chǔ)上針對(duì)性地提出了以“長、短”錨桿(錨索)承載體系，“可控注漿”加固為“外”承載的聯(lián)合控制技術(shù)，基于數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證認(rèn)為，該方案能消除或減小巷道圍巖拉應(yīng)力區(qū)，有效阻止裂隙圍巖體的拉剪破壞形成松動(dòng)變形。通過對(duì)木孔煤礦+600 m西運(yùn)輸大巷現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)，圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在4個(gè)月的觀測(cè)期內(nèi)，巷道兩幫移近量0.1 m，頂?shù)装逡平?.12 m，巷道圍巖最終變形速率低于0.2 mm/d ，提出的支護(hù)方案顯著抑制了該巖體巷道的大變形傾向，進(jìn)而保障其圍巖的長期穩(wěn)定性。