深部巷道围岩的分区破裂机制及_深部_界定探讨

岩石力学与工程学报 Vol.25 No.9

2006年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

王明洋，宋 华，郑大亮，陈士林

(理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007)

摘要：通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度关系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度；深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。 关键词：岩石力学；应力状态；深部巷道围岩；区域破裂现象

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1771–06

ON MECHANISM OF ZONAL DISINTEGRATION WITHIN ROCK MASS

AROUND DEEP TUNNEL AND DEFINITION OF“DEEP ROCK

ENGINEERING”

WANG Mingyang，SONG Hua，ZHENG Daliang，CHEN Shilin

(Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China)

Abstract：By analysing the stress state，deformation and failure of rock mass around tunnels at a variety of stages and at multi-level of stresses，the volumetric deformation state and its consequences are exhibited for the maximum supporting pressure zone. The relationships are derived between the condition for the occurrence of zonal disintegration phenomenon in deep rocks and the initial rock stresses，the total deformation process of rocks，and in special，the residual strengths of rocks at post-peak stresses. According to the condition for the occurrence of zonal disintegration phenomenon，a criterion is proposed for defining the shallow and the deep rock engineering：the shallow rock engineering corresponds to the depth to which the rock mass within the maximum supporting pressure zone does not fail；and the reverse is true for the deep rock engineering.

Key words：rock mechanics；state of stress；rock mass around deep tunnel；zonal disintegration phenomenon

周边的破坏区、非线性变形区和岩体“未扰动”区(原状区)，在这些区域内，岩石处于不同应力–变形状态，区域状态由岩体的自然应力场和变形–强度特征值来决定。但对于深部工程活动来说，由于地应力性质大于岩体单轴极限强度时，就会出现一些不同于浅层现象的性质反映，即可观察到深部坑道围岩地质力学能的“量子化”效应，这说明稳

在岩石力学领域，长期以来对地下坑道周围岩

1 引 言

石的应力–应变状态变化的研究，主要是利用弹塑性力学知识在连续介质力学框架内进行[1

收稿日期：2005–07–04；修回日期：2005–11–28

～3]

。据此，

地下巷道周围划分出了相互依次配置的区域：巷道

基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490275)；教育部新世纪优秀人才支持计划

作者简介：王明洋(1966–)，男，博士，1994年于理工大学工程兵工程学院获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事防护工程方面的教学与研究工作。E-mail：wmyrf@163.com

• 1772 • 岩石力学与工程学报 2006年

定或准稳定状态的直径是分开排列，在很多相关研究[4

～6]

向以及主变形ε1，ε2，ε3和其相应的方向来描述。任意体积(三维的)应力状态(σ1≥σ2≥σ3，压应力为负)可以由下列3种应力状态叠加得到： 0⎤⎡σ10⎡100⎤⎡100⎤

⎢0σ⎢⎥⎢⎥0⎥2⎢⎥=T ⎢000⎥+σm⎢010⎥+ ⎢⎢⎢⎣00σ3⎥⎦⎣00−1⎥⎦⎣001⎥⎦

⎡00

T ⎢⎢0µσ⎢⎣00

0⎤

0⎥⎥ (2) 0⎥⎦

中称之为“区域破裂现象”。

岩石的区域破裂现象，对具有结构性质的岩体相互作用机制的现有认识，发生了性态的变化。当岩体具有区域破碎时，现有的许多支护形式、坑道的掘进方法、支护范围、预防动力现象的工具和方法等都需要重新考虑。另外基于分区破裂现象出现的深度来界定深部岩体工程性态，毫无疑问对深部工程活动问题的具体研究是有益的。

许多学者均尝试解释区域破裂现象。I. Shemyakin

等[7]、M. V. Kurlenya和V. N. Oparin[8]认为在实体或模型中观察到的荷载静态特性和变形变化相当缓慢，区域性破裂现象是在外部条件不变或缓慢变化时所形成的，但给出的解释比较粗略，理论推导也存在明显的不妥之处，不妥之处除了公式推导错误外，还在于模型未考虑巷道围岩变形与破坏的全过程性状。M. A. Guzev和A. A. Paroshin[9]利用非欧几何模型寻找应力随离巷道表面距离的非单调性的变化规律，这种非单调性与沿着巷道的应力场衰减有关，或者与应力随时间的周期变化有关。就目前而言这种复杂的数学应用仅是一种尝试，尚不能得出令人满意的解释。V. N. Reva[10]利用能量准则分析了区域性破裂围岩的稳定性问题，但未能解释其发生的机制与条件。何满潮[11]结合工程评价指标提出了深部的概念体系，便于工程上的理解，但需要进一步在物理基础上加以斟酌。

本文通过围岩应力状态及体积变化的关系建立与之相应的静力模型来解释这一现象，最后根据分区破裂出现的条件提出了“深部”界定的基本准则。

第1种应力状态对应着出现最大剪应力T= 的纯剪状态，例如沿第1主方向受压和沿第

2

3主方向值受拉。第2种应力状态对应着静水压力

σ+σ3

σm=1的静水状态，即沿着3个方向上均作

2

用相等的力。第3种应力状态补充前2种应力状态到任意情况，并且回答σ2(中间主应力)对材料强度

2σ2−σ1−σ3

影响的问题，采用µσ=(µσ为Lode-

σ1−σ3

µ这3个参数Nagdi参数)来表征。因此，T，σm，σσ1−σ3

的任意一种组合都可以用来描述三轴应力状态，这样可以用图1中T = T(γ )曲线来研究有剪应力时介质的主要行为，其中γ为主剪应变，且γ=ε1−ε3(假

定应力和应变状态的主向是一致)，εv为体积应变，且εv=ε1+ε3。

2 地下巷道围岩的应力与变形状态

地下工程的力学特性均与质量守恒定律、平衡(或动量)守恒定律及能量守恒定律有关。岩体介质中某容积的机械能守恒表达式为

rrrr

uSFσd+ ∫n∫udV=2∫ WdV (1)

s

V

V

rr

式中：σn为所占介质容积V的表面S上的应力，F

r

为体积力，u为位移矢量，W为体积中的势能或全

图1 体积变形与剪切变形的关系 Fig.1 Relation of volume strain and shear strain

部储存能。

在一般情况下，W中部分能量要转换成势能，部分能量要耗散在不可回复的变形、裂缝和滑移线上，剩余能量则通过边界传到外部物体上。

如图1所示的剪应力的主应力场(T≤Tmax)中，

在达到极限剪应变(OA段)前，介质的变形不致于破坏协调关系，介质处于线性可恢复变形状态。岩体

W的性状用主应力σ1，σ2，σ3和相应的主方

第25卷 第9期 王明洋等. 深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨 • 1773 •

受剪切时强度的调动过程就是摩擦力增加和黏聚力减少的影响过程。随着剪切面上静水压力的增加，剪切强度极限值也增加，反映了摩擦力的出现，它或者是阻止岩体分解成各个部分，或者是体现一个附加强度。岩体的性状改变主要与弹性、黏性及摩擦性状有关。W决定着表面力和体积力作用下分离出的体积中的弹性储备能，能量的储存具有体积特征。

在剪应力峰值(T＞Tmax)之后(AB段)，材料进入峰值后不可逆的变形状态(软化阶段)，在软化变形过程中通过出现局部剪切变形的表面发展，将材料划分成具有一定尺度的块状或条带状，并通过沿单个表面滑移的强间断来达到满足施加的边界条件。残余强度的大小和走向与破坏块体的大小密切相关，并且直接影响其后的应变状态(εv∝γ)与应力状态。尽管滑移线导致了应力张量不对称，但在变形的局部化表面上有足够的相互作用力可近似满足变形的协调性，导致间断线上出现分布力矩。介质处在准连续的内摩擦状态。

在峰值后软化变形阶段，随着块体间的相互转动，产生块体间的相互滑动，不仅总的应变在增长，而且剪应变(也就是剪胀)也在增长，体积的改变则与膨胀及破坏所成块体的大小有关。这种体积变化(由于平均应力变化引起的体积变化和剪切引起的

⎫

dr⎪ r0r⎪

⎬ (3)

∂(rσr)⎪σϕ=

⎪∂r⎭

σr=−2∫

r

τ式中：σr为径向应力；σϕ为环向应力；r0为巷道半径；ν为泊松比；τ为滑移面上的剪应力，且

σ−σϕτ=r，与岩体的3种破坏状态密切有关。

2

不计体积力的数值分析结果，得到图2所示的圆形巷道围岩中的应力分布状态。即σϕ的变化整体上取决于σr沿半径r的变化。并且σr，σϕ向岩石里面随距离的增加而增加，当到达某个边界(r=c，该边界与岩体的剪切强度相关)时，σϕ达到最大值。在围岩内出现支承压力区，对于深部岩体

0

工程，支承压力σϕmax可达到σϕ的几倍。

体积变化的总和)时的效应，才是本质上至关重要的问题。

W的部分能量要耗散在不可回复的变形、裂纹和滑移线上，能量的耗散具有面积特征。

内摩擦状态的这种不协调性(流动性)随变形的发展而加剧，直至导致介质的破坏分离(BC段)，演化为非连续的块体滑移运动状态。

W中剩余能量则通过边界转移为动能，能量转移到块体上的动能具有体积特征。

因此，岩体变形是在多阶段、多水平上依次丧失局部剪切稳定性的结果，深部岩体力学的所有基本问题均必须考虑上述3种状态的主要性状及其变化。

下面以深部圆形水平巷道为例，分析巷道周围岩石的应力状态。设其所处位置的原始地应力状态

00

为静水压力类型(取柱坐标)：σr0=σϕ=σz=−γ0H

图2 圆形巷道围岩中的应力状态

Fig.2 Stress state of rocks around deep underground

workings

围岩的变形和破坏性状与围岩的应力状态密切相关。如前所述，在评价应力状态时采用µσ参数进行讨论：

µσ=

2σ2−σ1−σ3

(4)

σ1−σ3

对于深部岩体工程巷道，在巷道轮廓后面σz和

σϕ大体相当，在轴对称情况下，σrϕ≡σϕr=0。σr，σz，σϕ相当于3个主应力。按照式(4)，岩石处于广义的受拉状态(σ2=σ3，µσ=−1)，再向里在最大支撑压力处附近µσ会逐渐过渡到广义受剪状态(µσ≈0)，即为均匀受压和纯剪状态叠加而成。此

(H为深度，γ0为岩石容重，压应力为负)。

区域之间就可能出现部分卸载，甚至在边界出现完全卸载，并在一个或两个方向出现拉伸变形[13

～15]

对于长坑道，一般认为σz的变化不大，巷道变形可看作是平面应变问题(εz0=0)。若不计体积力的影响，由相关研究[12]可以得到不考虑支护时围岩内应力通解的表达式为

，

此时会由于静水压力的减少而剪切强度减小。

在最大压应力与未扰动岩石区域间，µσ逐渐过渡到广义受压状态(σ1=σ2，µσ=1)。该区域岩石

• 1774 • 岩石力学与工程学报 2006年

发生弹性体积变形而静水压力不变化。 之和为0时，可得

3 深部巷道支撑压力区的变形状态

σm−σi=

E

(σm−2σ0) (8) 2E0

这一过程可能一直继续到压缩变形和弹性恢复

“支撑压力”的概念是在把支护后面的应力集

“停止”。此时，在最大应力作用区内材料的拉伸过程起主要作用，拉伸应变的大小为

1−2ν(σm−σi) (9) Ep

中与支撑力联系起来时产生的，对于浅部巷道这一支撑力抑制岩石使其不从未扰动岩体向巷道空间运动。但随着巷道深度的增加，初始应力状态的大小在变化，该支撑压力区由于应力状态的变化产生了特殊的体积变化后果。

在支撑压力区域截面(r=c)上，所有的应力都是压应力，而变形则都是线性压缩变形。根据巷道附近应力状态分布的一般特点(见图3，图中：1，2，3表示3个应力区)，起初最大应力σm作用区内的材料将在切向上被压缩(压应变为正，而拉应变为负)，其值为

εϕ=

式中：σm=

1−2νσm (5) E0

εp=−2

式中：E0，E，Ep分别为岩石的加荷弹性模量、卸荷弹性模量和拉伸弹性模量。

将式(8)代入式(9)，可得岩石因拉应变发展而开始破坏的临界条件为

1−2ν∗

εp=E(σm−2σ0) (10)

EpE0

∗

式中：εp为岩石拉伸极限应变。

如果引进岩体的单轴抗压强度σc， 利用岩石的单轴拉压系数ξ，可得

∗

σc≈ξεpEp (11)

σr+σϕ2

，由式(3)确定。

采用此近似关系，式(10)可以简化为

σc=

σ

ξE(1−2ν)

E0

(σm−2σ0) (12)

根据以上分析可得：在“深部”处的支承压力区(当r≈c时)，破坏可能沿着半径r = c的圆柱面的切向曲面发展；岩石沿坑道形状的同心圆层状柱曲面分层破裂，导致r0≤r≤c区域的卸载；r=c面

(或者在该面的某个邻近区域)将因径向应力的快速卸载形成新的自由表面，同样r=c也变成新的圆柱面半径，围岩的应力将发生重新分配，此时在岩层内部就可能形成如图4所示的新的支承压力区，其计算重复相关研究[12]的部分计算(原始的)。这样，又出现新的破坏区，形成第二个巷道“自由面”。这类分区破裂区域可能有几个，它取决于引入的问题参

图3 深部圆形巷道附近应力分布状态 Fig.3 Stress distributing state of rocks around deep

underground workings

由于远离c-c线方向的应力较小，材料将向两个方向移动，其大小可表示为

1−2νεrc=−2(σm−σ0) (6)

E0

式中：σ0为巷道挖掘前岩体内的原始应力。

由于材料“离开”了荷载状态，最大应力区的应力将降低，并因此产生材料的弹性恢复变形：

1−2νεe=2(σm−σi) (7)

E

在此过程中，材料单元自身体积的变化实际上是以弹性方式变形的，设σi为压缩应变、侧向“离开”应变和弹性恢复应变三者之和等于0时的应力值(图1的点E对应状态)。根据此条件可以确定应

图4 深部圆形巷道围岩中的应力再分配 Fig.4 Second stress distributing of rocks around deep

underground workings

力状态发生改变时的应力值和区域范围，则当应变

第25卷 第9期 王明洋等. 深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨 • 1775 •

数：岩石初始压力和峰值后状态下材料的残留强度(径向应力梯度)等。

如果未扰动的岩体中原始状态不是静水压力状态，就可能出现变形发展的另一种图景，为此必须知道空间内原始地应力状态，而这种状态只能从真实条件下的试验中得到。

4 “深部”界定条件

如果以最大支撑压力区出现初始破裂特征深度作为“深部”界定条件，如果用工作深度H表示所具有的应力，则解式(12)可得对应的深度：

(c) 深部巷道(深度大)周边岩体破坏部分较大

图5 不同状态下主应力随半径的变化图

Fig.5 Variation of main stresses with distances to tunnel for

different stress states

γ0 HE0σ≥m− (13) σr2σr2ξE(1−2ν)

由式(13)可知，引起区域破裂的条件实际上与岩体内性质密切相关，在实践中相同条件下某个性质发生变化，都可能在岩体深处引起岩石破裂，或者相反，可能阻碍这种破裂。式(13)也说明了基于巷道区域破裂现象深度的概念，可以在原来基础上从岩体力学观点给出围岩状态新的评估标准：浅部工程——坑道外形上的岩石不破坏或边界部分的岩石以准塑性和动态变形的形式破坏，但最大支撑压力区不破坏(见图5(a)，(b))；深部工程——在离坑道相当距离处的岩石发生区域破裂，即最大支撑压力区发生破坏(见图5(c))。

5 结 论

(1) 岩体变形是在多阶段、多水平上依次丧失局部剪切稳定性的结果。主要包括连续的弹性状态、准连续的内摩擦状态和非连续的块体滑动状态。

(2) 深部围岩的区域破裂现象是最大支撑压力区域发生特殊体积变化的结果。与岩体的初始压力和岩体的3种状态，尤其是峰值后破坏状态下材料的残留强度密切相关。

(3) 根据围岩的变形与破坏状态(根据分区破裂机制)，可以界定浅部及深部工程活动的划分：浅部工程活动——坑道最大支撑压力区不破坏的深度；深部工程活动——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。

(4) 对于岩石区域分解现象的广泛实际应用来说，最根本性的意义是确定这个现象的空间和时间构造问题。

参考文献(References)：

[1] 钱七虎. 深部地下空间开发中的关键科学问题[A]. 见：第230次香

(a) 浅部巷道(深度不大)周边岩体没有发生破坏

山科学会议《深部地下空间开发中的基础研究关键技术问题》学术讨论会[C]. 北京：[s. n. ]，2004. 6–28.(Qian Qihu. Key science problems for deep underground space excavation[A]. In：the 230th Xiangshan Science Conferences[C]. Beijing：[s. n. ]，2004. 6–28.(in Chinese))

[2] 陈宗基. 地下巷道长期稳定性的力学问题[J]. 岩石力学与工程学

报，1982，1(1)：1–20.(Tan Tjongkie. Mechanical problems of long term stability for underground laneway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1982，1(1)：1–20.(in Chinese)) [3] 陶振宇. 岩石力学的理论与实践[M]. 北京：水利出版社，1981.(Tao

(b) 浅部巷道(深度较大)周边岩体破坏部分不大

Zhenyu. Theory and Practice of Rock Mechanics[M]. Beijing：China Water Conservancy Press，1981.(in Chinese))

• 1776 • 岩石力学与工程学报 2006年

[4] 刘同有. 金川矿山岩石力学研究[A]. 见：世纪之交软岩工程技术现

状与展望[C]. 北京：煤炭工业出版社，1999. 24–30.(Liu Tongyou. Studies on rock mechanics in mines of Jinchuan[A]. In：Review and Progress of Soft Rock Engineering and Technology in New Century[C]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，1999. 24–30.(in Chinese))

[5] Adams G R，Jager A J. Petroscopic observations of rock fracturing

ahead of stope faces in deep-level gold mines[J]. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1980，80：204–209. [6] Shemyakin I，Kyrlenya M V，Reva V N，et al. Effect of zonal

disintegration of Rocks around underground workings[J]. Dokl. Akad. Nauk. USSR，1986，2(5)：1 088–1 094.

[7] Shemyakin I，Kyrlenya M V，Reva V N，et al. USSR discovery

No.400，phenomenon of zonal disintegration of Rocks around underground workings[J]. Byull. Izobret.，1992，(1)：7–15. [8] Kurlenya M V，Oparin V N. Problems of nonlinear geomechanics

(part I)[J]. Fiz. Tekh. Probl. Razrab. Polezn. Iskop.，1999，(3)：1–22.

[9] Guzev M A，Paroshin A A. Non-euclidean model of the zonal

disintegration of rocks around an underground working[J]. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics，2001，42(1)：131–139.

[10] Reva V N. Stability criteria of underground workings under zonal

disintegration of rocks[J]. Fiz. Tekh. Probl. Razrab. Polezn. Iskop.，2002，(1)：35–38.

[11] 何满潮. 深部的概念体系及工程评价指标[J]. 岩石力学与工程学

报，2005，24(16)：2 854–2 858.(He Manchao. Conception system and evaluation indexes for deep engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(16)：2 854–2 858.(in Chinese))

[12] 陈士林，钱七虎，王明洋. 深部巷道围岩的变形与承载能力研究[J].

岩石力学与工程学报，2005，24(13)：2 203–2 211.(Chen Shilin，Qian Qihu，Wang Mingyang. The problems of deformation and loading capability of deep tunnel′s surrounding rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(13)：2 203–2 211.(in Chinese))

[13] Nikitin L V，Odintesev V N. A dilatancy model of tensile macrocrack

in compressed rock[J]. Fatigue Fract. Eng. Mater Struct.，1999，22：1 003–1 009.

[14] Jaeger J C，Cook N G W. Fundamentals of Rock Mechanics[M].

London：[s. n. ]，1979.

[15] 李建林. 卸荷岩体力学[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003.(Li

Jianlin. Unloading Rock Mass Mechanics[M]. Beijing：China Water Power Press，2003.(in Chinese))

中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会成立大会

暨首届学术交流大会在北京召开

由中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会主办、核工业北京地质研究院承办、东华理工学院和中国科学院武汉岩土力学研究所协办的“废物地下处置专业委员会成立大会暨首届学术交流大会”于2006年7月12日在北京召开，来自国防科工委、国家环保总局、国家自然科学基金委员会等部门以及中国核工业建设集团公司有关院所、中国科学院所属研究所和大学共 42个单位90余名代表参加了会议。大会、中国岩石力学与工程学会钱七虎院士致开幕词，潘自强院士、王思敬院士、李焯芬院士和国防科工委系统工程二司林 森副在开幕式上讲话，对“废物地下处置专业委员会”的成立表示热烈祝贺，有关单位还发来了贺信。本次会议是以废物地下处置为中心主题，研讨废物地下处置的理论、实践探索、工程实例、新技术与新方法等。会议收到论文全文28篇，会上交流了18篇，涉及高放废物地质处置、中低放废物处置、有害废物处置等领域。

新成立的废物地下处置专业委员会设主任1名、副主任9名、委员66名、秘书长1名、副秘书长4名。专业委员会成员来自36个研究院所和大学，共19个专业。

中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会成立大会之后，还于2006年 7月13～14日召开了“核废物管理和处置性能评价研讨会”。会议由中国岩石力学与工程学会主办、核工业北京地质研究院、国际岩石力学与工程学会废物地下处置专业组、中国岩石力学与工程学会废物地下处置专业委员会和美国Monitor Scientific 公司承办，来自美国的放射性废物管理专家(C. Margaret，A. Michael和W. Zhou博士)以及核工业北京地质研究院王 驹博士作了主题学术报告和专题讲座。

(王 驹，刘月妙供稿)