周 俊 ，趙光明 ，孟祥瑞，董春亮，劉崇巖，馬龍培，許文松

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232000；3.安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院,安徽 淮南 232000；4.奧盧大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,芬蘭 奧盧 90570)

巷(隧)道開(kāi)挖，常用的是TBM 或鉆爆法開(kāi)挖，爆破開(kāi)挖會(huì)引起動(dòng)態(tài)效應(yīng)，產(chǎn)生動(dòng)力災(zāi)害如片幫、巖爆等[1-2]。盧文波等[3-5]通過(guò)研究水電站地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中巖體的破壞，探討了爆破開(kāi)挖過(guò)程中巖體動(dòng)態(tài)卸荷效應(yīng)。陶明[6]對(duì)巷道開(kāi)挖強(qiáng)卸荷破壞出現(xiàn)的層裂現(xiàn)象進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和機(jī)理研究，研究了圍巖的卸荷響應(yīng)特性。肖建清等[7]針對(duì)圓形隧道的開(kāi)挖，建立了開(kāi)挖卸荷的力學(xué)模型，基于彈性動(dòng)力學(xué)和彈塑性理論，研究了徑向、切向初始應(yīng)力的分布規(guī)律。工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)出現(xiàn)的各種圍巖破壞形式，暫未形成統(tǒng)一的機(jī)理認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侵饕难芯渴侄沃弧?guó)外設(shè)計(jì)了多種開(kāi)挖卸荷模型試驗(yàn)裝置[8-9]，國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)70 年代開(kāi)始，研制了一系列模型試驗(yàn)設(shè)備[10-11]，從單軸到三軸試驗(yàn)機(jī)，靜態(tài)到動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展，且依據(jù)許多現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)制備出不同的功能試驗(yàn)機(jī)，研究了或正在研究解決諸如沖擊地壓、頂板垮落、開(kāi)挖擾動(dòng)等實(shí)際問(wèn)題的功能試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)機(jī)主要集中在以巖石試件為對(duì)象，研究在靜態(tài)加卸載條件下或動(dòng)態(tài)加卸載條件下的巖石力學(xué)特性。巖石的靜動(dòng)態(tài)特性、加卸載能量演化規(guī)律都有了大量研究[12-14]，近年來(lái)，隨著真三軸試驗(yàn)機(jī)發(fā)展，試件尺寸從單一的圓柱體擴(kuò)展到更大的立方體或長(zhǎng)方體試件。何滿潮等[15]對(duì)單雙面卸荷條件下發(fā)生的巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了研究。LI 等[16]通過(guò)真三軸卸載試驗(yàn)對(duì)圍巖板裂化破壞進(jìn)行了機(jī)理研究。趙光明等[17]通過(guò)真三軸試驗(yàn)機(jī)研究單面卸荷得出卸荷巖石會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)容回彈現(xiàn)象。馮夏庭等[18]研制了能夠很好完成硬巖試驗(yàn)的聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的真三軸試驗(yàn)機(jī)。宮鳳強(qiáng)等[19]通過(guò)真三軸試驗(yàn)機(jī)研究了隧洞內(nèi)部卸荷條件下巖爆的模擬，很好的再現(xiàn)了洞壁的V 形槽。蘇國(guó)韶等[20]在真三軸試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行了不同高溫作用后巖石巖爆的破壞形態(tài)特征，探討了高溫巖爆的發(fā)生機(jī)制?，F(xiàn)場(chǎng)是大尺度的巖體破壞，需要對(duì)巖體開(kāi)挖進(jìn)行相似模擬方面的研究，顧金才等[21]研制了三維物理相似模型試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了開(kāi)挖卸荷條件下圍巖的分區(qū)破壞現(xiàn)象。侯公羽等[22]研制了能夠模擬再現(xiàn)圍巖開(kāi)挖卸荷效應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型圍巖試件開(kāi)挖卸荷效應(yīng)的模擬。董春亮等[23-24]搭建了開(kāi)挖卸荷系統(tǒng)，研究了高應(yīng)力巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖卸荷效應(yīng)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侄窝芯块_(kāi)挖卸荷機(jī)理在過(guò)去取得了一系列重要成果，能夠真實(shí)模擬巷(隧)道開(kāi)挖卸荷效應(yīng)現(xiàn)象的試驗(yàn)還很少，現(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)都不能直觀模擬再現(xiàn)開(kāi)挖卸荷效應(yīng)。為此，筆者使用自主研發(fā)的巷道圍巖動(dòng)力擾動(dòng)相似模擬試驗(yàn)裝置，有效監(jiān)測(cè)到巷(隧)道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖卸荷全過(guò)程圍巖破壞，并測(cè)試出全過(guò)程的應(yīng)力-時(shí)間變化曲線，為進(jìn)一步全面研究動(dòng)態(tài)開(kāi)挖卸荷機(jī)理提供可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 相似模擬試驗(yàn)

本文的開(kāi)挖卸荷試驗(yàn)是考慮卸荷時(shí)間不考慮加載路徑，模擬巷(隧)道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖，試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度是開(kāi)挖模擬巷道內(nèi)徑的6 倍，動(dòng)態(tài)開(kāi)挖時(shí)幾乎不受邊界效應(yīng)的影響。

1.1 相似條件

以礦山深埋典型巖性砂巖巖體為研究對(duì)象，取幾何相似比Kl=20，按照材料質(zhì)量配比砂∶石灰∶石膏=4∶3∶2 用攪拌機(jī)攪拌均勻。制作50 mm×100 mm 模型試件，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，抗壓強(qiáng)度為1.22 MPa，彈性模量0.4 GPa。錘頭尺寸固定，使用動(dòng)態(tài)開(kāi)挖裝置對(duì)模型試樣進(jìn)行直徑20 cm 圓形巷道開(kāi)挖。

物理相似包括應(yīng)力、彈性模量、容重和泊松比的相似，相似比分別表示為

式中，Kσ為應(yīng)力相似比系數(shù)；σp、σm分別為應(yīng)力和模型應(yīng)力；KE為彈性模量相似比系數(shù)；Ep、Em分別為彈性模量和模型彈性模量；Kγ為容重相似比系數(shù)；γp、γm分別為容重和模型容重；Kμ為泊松比相似比系數(shù)；μp、μm分別為泊松比和模型泊松比；Kg為重力加速度相似比系數(shù)；gp、gm分別為重力加速度和模型重力加速度；Kt為卸荷時(shí)間相似比系數(shù)；tp、tm分別為卸荷時(shí)間和模型卸荷時(shí)間。

由于應(yīng)力與彈性模量具有相同的物理屬性，所以它們的相似比應(yīng)該相等，有Kσ=KE。原型與模型具有相同的重力加速度，因此式(2)中的重力加速度相似比Kg=1。對(duì)模型試件進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，得容重相似比Kγ=2。

另外，根據(jù)幾何、物理和動(dòng)力的量綱關(guān)系，可知3者相似比之間存在：

從式(3)可以看出，只要已知幾何和容重相似比，就可以很容易地確定應(yīng)力相似比Kσ=40 與時(shí)間相似比Kt=4.5。

1.2 卸荷時(shí)間相似

在開(kāi)展動(dòng)態(tài)開(kāi)挖相似模型試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制沖擊高度模擬巖體開(kāi)挖卸荷時(shí)間，按文獻(xiàn)[23]方法計(jì)算巖體開(kāi)挖荷載釋放持續(xù)時(shí)間tp，即

其中，ls為炮孔裝藥段長(zhǎng)度；ld為堵塞段長(zhǎng)度；a為相鄰炮孔間距；D為爆轟波波速；Cf為裂紋擴(kuò)展速度，是巖體縱波波速的0.2～0.3 倍；Ca為爆炸氣體溢出速度。巷道開(kāi)挖采用爆破開(kāi)挖，將表1 爆破參數(shù)代入式(4)，計(jì)算得到模型的卸荷持續(xù)時(shí)間約為0.4 ms。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到模型卸荷在0.25 ms 內(nèi)完成，與計(jì)算的時(shí)間屬同一量級(jí)，比計(jì)算卸荷持續(xù)時(shí)間短，能激發(fā)卸荷效應(yīng)。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

1.3 動(dòng)態(tài)加載技術(shù)

動(dòng)態(tài)加載技術(shù)主要是基于沖擊壓縮原理，沖擊壓縮又是借助應(yīng)力波傳播實(shí)現(xiàn)，根據(jù)加載速率不同，加載設(shè)備有霍普金森桿和落錘等，實(shí)驗(yàn)通過(guò)增加200 kg配重使落錘自由下落，材料在強(qiáng)載荷條件下受沖擊。

2 動(dòng)態(tài)開(kāi)挖裝置及監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，為自主研發(fā)的巷道圍巖動(dòng)力擾動(dòng)相似模擬試驗(yàn)裝置，該測(cè)試系統(tǒng)可用于研究巖體在開(kāi)挖過(guò)程中的擾動(dòng)效應(yīng)，包括開(kāi)挖引起的圍巖破壞和卸荷效應(yīng)。

圖1 巷道圍巖動(dòng)力擾動(dòng)相似模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Similar simulation test device for dynamic disturbance

試驗(yàn)過(guò)程中，落錘的提升下降由操作臺(tái)通過(guò)電力系統(tǒng)控制，樣品置于加載框內(nèi)，加載框由伺服系統(tǒng)提供動(dòng)力，可對(duì)樣品實(shí)施雙向軸壓加載。測(cè)速裝置測(cè)得落錘接觸樣品時(shí)的沖擊速度，被開(kāi)挖的巖體由空孔處落下。

采用高速攝影儀監(jiān)測(cè)模型表面、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)模型中埋置的應(yīng)變片信號(hào)、靜態(tài)應(yīng)變儀模型中埋置的壓力盒信號(hào)和光纖解調(diào)儀監(jiān)測(cè)模型中埋置的光纖信號(hào)，對(duì)巷道開(kāi)挖進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Test monitoring system

3 試驗(yàn)方案

模型采用相似模擬材料制作，在加載框內(nèi)制作尺寸為1 200 mm×1 200 mm×300 mm 相似材料模型，施加雙向等軸壓。在模型內(nèi)埋置8 塊貼有應(yīng)變片的應(yīng)變磚，應(yīng)變磚埋置在距孔洞5、10、15、20 cm 距離處，應(yīng)變磚布置在洞口2 個(gè)相鄰方向位置在N 方向和45°方向。在相鄰3 個(gè)垂直方向W 方向、S 方向和E 方向埋置21 個(gè)壓力盒，同一個(gè)方向埋置點(diǎn)距離孔壁為3、10、17、24、31、38、45 cm，同時(shí)埋置光纖，距離孔壁10 cm 圓式布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式如圖3 所示。

圖3 開(kāi)挖卸荷監(jiān)測(cè)示意Fig.3 Schematic diagram of monitoring site

研制的巷道圍巖動(dòng)力擾動(dòng)相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在巷道未開(kāi)挖前，模擬巖體靜水壓力條件下的初始應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)操作臺(tái)控制軸壓裝置施加“真實(shí)”狀態(tài)的圍壓。穩(wěn)定一段時(shí)間后，提升落錘沖擊加載框內(nèi)模型，模擬實(shí)際巷道開(kāi)挖卸荷的過(guò)程，巷(隧)道圍巖實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)卸荷，模型產(chǎn)生破壞，開(kāi)挖過(guò)程中及開(kāi)挖后模型內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行自主調(diào)整。

利用自主研制的巷道圍巖動(dòng)力擾動(dòng)相似模擬試驗(yàn)裝置對(duì)相似材料的試樣進(jìn)行了巷道圍巖動(dòng)態(tài)卸荷過(guò)程的模擬，落錘系統(tǒng)載荷200 kg，從400 cm 高落下，沖擊出半徑為10 cm 的圓形孔洞，模擬巷(隧)道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖。

4 試驗(yàn)動(dòng)態(tài)結(jié)果分析

4.1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

分別在巖體3 個(gè)方向布置21 個(gè)壓力盒，監(jiān)測(cè)到E 面、W 面和S 面3 個(gè)面的21 個(gè)有效數(shù)據(jù)，規(guī)定變化符號(hào)以壓為正拉為負(fù)，開(kāi)挖卸荷前后巖體各距離應(yīng)變變化規(guī)律如圖4 所示。開(kāi)挖前后，測(cè)點(diǎn)在S 方向距離洞壁3 cm 處應(yīng)變變化113，距離洞壁10 cm 處應(yīng)變變化683，距離洞壁17 cm 處應(yīng)變變化-303，距離洞壁24 cm 處應(yīng)變變化385，距離洞壁31 cm 處應(yīng)變變化224，距離洞壁38 cm處應(yīng)變變化-96，距離洞壁45 cm處應(yīng)變變化10，模型E 方向和W 方向有類似規(guī)律，其中大于0 表示產(chǎn)生的是壓應(yīng)變，小于0 表示產(chǎn)生的是拉應(yīng)變。在巖體破壞影響范圍內(nèi)不同距離巖體均有可能受拉或壓應(yīng)力作用，圍巖出現(xiàn)拉壓應(yīng)力交替現(xiàn)象[24-25]，此類研究結(jié)果可能有助于解釋巷道圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象的形成機(jī)制。

圖4 靜態(tài)應(yīng)變變化的分布規(guī)律Fig.4 Law of static strain change in different direction

如圖5 所示，規(guī)定橫坐標(biāo)“-”表示為拉應(yīng)變，“+”表示壓應(yīng)變，圍巖應(yīng)變?cè)趲r體卸荷前后發(fā)生顯著變化，圍巖應(yīng)力場(chǎng)快速調(diào)整，卸荷完成后應(yīng)變變化緩慢減小，曲線斜率近似不變，呈現(xiàn)出巖體的流變性。若定義在開(kāi) 挖前的 應(yīng)變?chǔ)?和卸荷后 的應(yīng)變峰值點(diǎn)ε的 差值Δε=|ε0-ε|作為衡量測(cè)點(diǎn)卸荷程度的指標(biāo)，稱為卸荷應(yīng)變。

圖5 卸荷靜態(tài)應(yīng)變變化Fig.5 Variation of unloading static strain

從圖6 看出不同距離處卸荷應(yīng)變大小，在巷道開(kāi)挖卸荷過(guò)程中處于洞壁附近的向應(yīng)變變化不一定是最大的，離洞壁距離越遠(yuǎn)，應(yīng)變變化也可能大。離卸荷面不同距離的測(cè)點(diǎn)的卸荷應(yīng)變變化，距離洞壁3r距離內(nèi)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化將其稱為卸荷影響區(qū)。將卸荷影響區(qū)分為卸荷近區(qū)(0～0.5r)和卸荷中區(qū)(0.5r～3r)，大于洞壁3r距離的非卸荷影響區(qū)稱卸荷遠(yuǎn)區(qū)。

圖6 卸荷應(yīng)變與距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between unloading strain value and distance

根據(jù)巷道開(kāi)挖前后，不同距離圍巖卸荷應(yīng)變大小將圍巖分為卸荷近區(qū)、卸荷中區(qū)和卸荷遠(yuǎn)區(qū)。作不同距離卸荷平均應(yīng)變趨勢(shì)線可以看出，應(yīng)變變化隨距離表現(xiàn)出先增后減，在洞壁附近卸荷近區(qū)圍巖應(yīng)力更容易得以釋放，卸荷應(yīng)變較?。恍逗芍袇^(qū)圍巖應(yīng)力集中，表現(xiàn)為卸荷應(yīng)變大，后隨距離增大而減小，在大于洞壁3r距離后卸荷遠(yuǎn)區(qū)卸荷應(yīng)變減小并趨于穩(wěn)定。

4.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)變結(jié)果分析

在雙向軸壓加載條件下進(jìn)行模擬巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖，建立巷道圍巖動(dòng)力擾動(dòng)相似模擬試驗(yàn)裝置落錘開(kāi)挖模擬巷道全過(guò)程的力學(xué)模型，如圖7 所示。

圖7 落錘開(kāi)挖卸荷全過(guò)程力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model of the drop hammer excavation process

落錘開(kāi)挖巖體模型可以過(guò)程可分為5 個(gè)階段：第1 階段在開(kāi)挖前，對(duì)巖體模型雙向施加初始應(yīng)力σ0；第2 階段釋放落錘對(duì)巖體模型進(jìn)行開(kāi)挖，落錘沖擊在模型上產(chǎn)生沖擊加載荷載p作用在圍巖上，圖7 中實(shí)心圓是模擬巷道(即落錘尺寸大小)，虛線是沖擊載荷影響范圍；第3 階段隨落錘開(kāi)挖深度增大沖擊速度減小，載荷p快速卸載至初始應(yīng)力σ0；第4 階段開(kāi)挖完成產(chǎn)生圓形孔洞，在初始應(yīng)力σ0作用下圍巖朝開(kāi)挖臨空面產(chǎn)生動(dòng)力卸荷，臨空面應(yīng)力卸荷至0；第5 階段圍巖應(yīng)力自主調(diào)整最終穩(wěn)定為應(yīng)力σ。

在模型N 方向及45°斜對(duì)角方向，監(jiān)測(cè)到4 組有效數(shù)據(jù)，所測(cè)加載卸荷數(shù)據(jù)是在0.25 ms 內(nèi)完成，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工卸荷動(dòng)力相似條件，開(kāi)挖卸荷瞬間徑向應(yīng)力變化如圖8 所示。

圖8 應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.8 Stress-time curves

模型具有一定的初始應(yīng)力，應(yīng)力σ與初始應(yīng)力σ0比值從1 到正的最大值為加載，從正的最大值恢復(fù)至1為卸載，以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)，繪制監(jiān)測(cè)曲線如圖8 所示初始應(yīng)力和沖擊載荷耦合作用下動(dòng)態(tài)開(kāi)挖卸荷的應(yīng)力-時(shí)間曲線。在開(kāi)挖過(guò)程中，整個(gè)卸荷過(guò)程在0.25 ms 內(nèi)，經(jīng)歷了第2、3 和4 階段。距離洞壁0.5r的圍巖測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加載階段應(yīng)力峰值達(dá)到初始應(yīng)力的4.42 倍，動(dòng)態(tài)卸載階段應(yīng)力峰值達(dá)到初始應(yīng)力的2.12 倍，初始應(yīng)力卸載階段應(yīng)力峰值達(dá)到初始應(yīng)力的1.09 倍。距離洞壁r的圍巖測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加載階段應(yīng)力峰值達(dá)到初始應(yīng)力的2.85 倍，動(dòng)態(tài)卸載階段應(yīng)力峰值達(dá)到初始應(yīng)力的1.99 倍，初始應(yīng)力卸載階段應(yīng)力峰值達(dá)到初始應(yīng)力的0.22 倍。卸荷應(yīng)力變化對(duì)距離敏感度高，距離洞壁0.5r測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值是距離洞壁r測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值近2 倍。隨著測(cè)點(diǎn)離孔洞距離的增加，測(cè)點(diǎn)沖擊波的壓縮波峰值減小，卸荷產(chǎn)生的拉伸波峰值也減小。

動(dòng)態(tài)開(kāi)挖對(duì)巖體的擾動(dòng)依時(shí)間順序可以分為原巖應(yīng)力階段、動(dòng)態(tài)加載階段、動(dòng)態(tài)卸載階段、初始應(yīng)力卸載階段和蠕變階段。

第1 階段：對(duì)巖體模型施加雙向軸壓，巖體模型受力相對(duì)均勻，模擬礦山巖體初始應(yīng)力狀態(tài)，稱原巖應(yīng)力階段。

第2 階段：在0.05 ms 內(nèi)沖擊加載波產(chǎn)生并達(dá)到峰值，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在初始應(yīng)力點(diǎn)瞬時(shí)加載至加載峰值點(diǎn)p，此階段動(dòng)力效應(yīng)類似于鉆爆法開(kāi)挖炸藥起爆產(chǎn)生沖擊應(yīng)力波加載在周圍巖體，稱為動(dòng)態(tài)加載階段。

第3 階段：沖擊應(yīng)力從加載峰值點(diǎn)降至初始應(yīng)力，此階段動(dòng)力效應(yīng)類似于炸藥完全起爆后爆炸能量耗散于圍巖或溢出，此過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)卸荷階段。

第4 階段：動(dòng)態(tài)卸荷階段完成后，落錘沖擊產(chǎn)生的沖擊波能量基本釋放，圍巖應(yīng)力發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于動(dòng)態(tài)開(kāi)挖產(chǎn)生了臨空面，圍巖儲(chǔ)存的初始應(yīng)變能朝臨空面釋放，表現(xiàn)為曲線大幅度快速下降，此動(dòng)力過(guò)程類似于爆破開(kāi)挖后，在地應(yīng)力作用下巷道圍巖會(huì)發(fā)生破壞，出現(xiàn)層裂脫落甚至片幫等現(xiàn)象，稱為初始應(yīng)力卸荷階段。

第5 階段：結(jié)合測(cè)點(diǎn)圖5 靜態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)律，卸荷結(jié)束后巖體繼續(xù)發(fā)生微變化，此過(guò)程類似于巖體開(kāi)挖巷道圍巖較穩(wěn)定后，巷道周圍巖體呈現(xiàn)出流變性，稱蠕變階段。

4.3 光纖應(yīng)變分析

相較于壓力盒與應(yīng)變片，光纖對(duì)巖體變形則更為敏感且易于布置，能夠更準(zhǔn)確接受模型內(nèi)的變形信號(hào)，在距離孔壁r距離處螺旋式布置光纖，在開(kāi)挖前和開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)巖體應(yīng)變變化，光纖布置在卸荷影響區(qū)內(nèi)，應(yīng)變變化如圖9 所示。

圖9 卸荷前后應(yīng)變變化Fig.9 Strain change after unloading

應(yīng)變解調(diào)儀里存儲(chǔ)一定長(zhǎng)度光纖，模型開(kāi)挖前后應(yīng)變變化基本不受影響。開(kāi)挖前光纖預(yù)埋在模型中，開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力突然卸荷，緊鄰洞壁r距離的圍巖經(jīng)歷動(dòng)態(tài)卸荷和初始應(yīng)力卸荷耦合作用后，光纖應(yīng)變變化在3 000 左右，開(kāi)挖卸荷后洞壁r距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，表現(xiàn)為壓應(yīng)變。

4.4 裂紋擴(kuò)展過(guò)程

巖體模型平面為四方形，模型巖體材料為統(tǒng)一配比，表面刷一層薄薄的石膏，高速攝影儀架設(shè)緊挨加載框，鏡頭垂直向下50°，模型尺寸大僅拍攝了正對(duì)鏡頭的模型區(qū)域，模型開(kāi)挖卸荷過(guò)程如圖10 所示。

圖10 卸荷裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.10 Crack propagation process

圖10(a)為開(kāi)挖前的巖體模型，此時(shí)落錘還未下落，圖10(b)黑色部分為落錘沖擊的錘頭，落錘接觸巖體，即在開(kāi)挖的洞口圍巖處出現(xiàn)徑向裂紋。裂紋的產(chǎn)生是沖擊應(yīng)力波引起的，由于還未產(chǎn)生卸荷面，巖體內(nèi)應(yīng)變能還未釋放，裂紋起始韌度由沖擊能量提供，動(dòng)態(tài)沖擊使得巖體儲(chǔ)存的能量沿裂紋方向釋放，引起裂紋擴(kuò)展。圖10(c)的環(huán)向裂紋是由動(dòng)態(tài)沖擊與初始應(yīng)力耦合作用產(chǎn)生，落錘沖擊接觸巖體模型，沖擊產(chǎn)生的徑向應(yīng)力波致使巖體開(kāi)裂，本實(shí)驗(yàn)中開(kāi)裂形成了2 條徑向裂紋，裂紋擴(kuò)展的同時(shí)落錘沿軸向繼續(xù)開(kāi)挖，洞口產(chǎn)生臨空面，臨空面的出現(xiàn)使得原有圍巖應(yīng)力急劇調(diào)整，靠近臨空面的圍巖發(fā)生瞬態(tài)卸荷，水平徑向應(yīng)力在卸荷作用下近似降低至0，垂直加載方向也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整。由于瞬態(tài)卸荷導(dǎo)致模型巷道圍巖在臨空面方向的約束作用消失[26]，并且卸荷會(huì)產(chǎn)生卸荷應(yīng)力波，產(chǎn)生拉伸作用。故在沖擊和初始應(yīng)力卸荷耦合作用下，起始環(huán)向裂紋從圍巖最弱處(即徑向裂紋處)產(chǎn)生，向相鄰徑向裂紋擴(kuò)展，形成平行于洞口的環(huán)向裂紋。從能量角度出發(fā)，則是巖體儲(chǔ)存的能量急劇向臨空面釋放，當(dāng)巖石的變形超過(guò)所能承受的最大應(yīng)變就會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。圖10(d)為裂紋擴(kuò)展，沖擊波能量沿徑向減弱，圍巖應(yīng)變能向臨空面持續(xù)釋放，徑向裂紋及環(huán)向裂紋都繼續(xù)延伸。圖10(e)卸荷過(guò)程中，徑向裂縫擴(kuò)大，應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中出現(xiàn)模型卸荷回彈，環(huán)向裂紋長(zhǎng)度較圖10(d)中的環(huán)向裂紋發(fā)生變化。圖10(f)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，環(huán)向裂紋沿微裂紋處擴(kuò)展出現(xiàn)拐角。圖10(g)環(huán)向裂紋和徑向裂紋貫穿，環(huán)向裂紋和徑向裂紋接連處方向相互垂直。

模型為質(zhì)地較均勻材料，首次試驗(yàn)操作，除拍攝面S 面，其余3 面W 面、N 面和E 面均被下落的扶正架破壞，如圖11(a)所示，為模型開(kāi)挖前與模型開(kāi)挖后實(shí)際對(duì)比圖，結(jié)合圖10裂紋擴(kuò)展過(guò)程，模型受到垂直沖擊后拍攝面S面先產(chǎn)生徑向裂紋，在初始應(yīng)力作用下卸荷產(chǎn)生拉應(yīng)力產(chǎn)生明顯的環(huán)向裂紋，環(huán)向裂紋起裂方向垂直于徑向裂紋，且環(huán)向裂紋朝向相鄰徑向裂紋擴(kuò)展。徑、環(huán)向裂紋裂紋擴(kuò)展過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生部分不同方向的微小裂隙。

圖11 開(kāi)挖卸荷模型破壞Fig.11 Damage of rock-like model after excavation

5 討論

礦山巖體爆破開(kāi)挖，由于爆炸沖擊和地應(yīng)力耦合作用，在孔壁會(huì)形成一些徑向和環(huán)向裂隙現(xiàn)象。若分別考慮爆破和初始應(yīng)力條件下圍巖的破壞形式，將爆炸沖擊和地應(yīng)力作用解耦，在無(wú)約束條件下進(jìn)行爆破試驗(yàn)[27]，巖體只產(chǎn)生徑向裂紋，如圖12(a)所示。對(duì)開(kāi)挖巷道進(jìn)行軸向加載，產(chǎn)生更多的是環(huán)向裂紋，圍巖出現(xiàn)層裂或分區(qū)破壞[28]，如圖12(b)所示。

圖12 巖體破壞形式Fig.12 Failure model of rock mass

對(duì)于在巷道鉆爆法施工過(guò)程中，無(wú)法確定圍巖環(huán)、徑向裂紋的出現(xiàn)順序。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段證明動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程中先出現(xiàn)徑向裂紋后出現(xiàn)環(huán)向裂紋。根據(jù)攝影和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)模擬動(dòng)態(tài)開(kāi)挖產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行討論。落錘沖擊巖體模型，沖擊對(duì)孔壁周圍巖體進(jìn)行壓縮加載，切向拉應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖體被拉斷，形成徑向裂紋；形成的徑向裂紋為環(huán)形裂紋的形成提供了變形空間，若沒(méi)有徑向斷裂，環(huán)形斷裂的變形是沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。加之在巖體儲(chǔ)存的初始應(yīng)變能主導(dǎo)作用下，巖體朝臨空面發(fā)生卸荷作用，巖體內(nèi)部出現(xiàn)擠壓，內(nèi)應(yīng)力影響圍巖環(huán)形破裂。

6 結(jié)論

(1)模擬巷道開(kāi)挖后，不同距離的圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)拉壓交替變化，圍巖整體呈受壓狀態(tài)。開(kāi)挖卸荷前后，圍巖卸荷近區(qū)內(nèi)卸荷應(yīng)變變化小，隨距離增大卸荷應(yīng)變?cè)龃?；卸荷中區(qū)應(yīng)變變化大，隨距離增大卸荷應(yīng)變逐漸減??；卸荷遠(yuǎn)區(qū)卸荷應(yīng)變隨距離增大逐漸減小最終趨于0。

(2)動(dòng)態(tài)開(kāi)挖全過(guò)程中，圍巖經(jīng)歷5 個(gè)階段，開(kāi)挖前處于原巖應(yīng)力階段，開(kāi)挖后進(jìn)入動(dòng)態(tài)加載階段，然后進(jìn)入動(dòng)態(tài)卸載階段，而后處于初始應(yīng)力卸載階段，開(kāi)挖完成后處于蠕變階段。監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)卸荷變化規(guī)律在0.25 ms 內(nèi)完成，動(dòng)態(tài)卸荷峰值大于初始應(yīng)力卸荷峰值的2 倍，且隨距離增大加載峰值和卸載峰值皆減小。

(3)動(dòng)態(tài)開(kāi)挖巷道圍巖出現(xiàn)環(huán)、徑向裂紋，是由于沖擊應(yīng)力和初始應(yīng)力耦合作用。開(kāi)挖過(guò)程中先出現(xiàn)徑向裂紋，卸荷時(shí)產(chǎn)生環(huán)向裂紋，且起裂方向垂直于徑向裂紋并沿相鄰徑向裂紋擴(kuò)展，形成平行于巷道臨空面的環(huán)向裂紋。