工程科学学报，第44卷，第X期 determined by the in situ stress configuration;a high lateral stress coefficient sees a pronounced increment in the tension stress inside the roof and floor of the chamber,resulting in an exponential enlargement of the damaged area.Compared with the shallow underground chamber,the deep chamber is more sensitive to an increase in the lateral stress coefficient.With an increase in depth,the critical lateral stress coefficient gradually decreased to 1.The larger horizontal tectonic stress in the deep strata causes damage accumulation in the roof and the floor,encouraging rock outbursts in the damaged zones.To conclude,to optimize the design and minimize the outburst hazard for a deep underground chamber,the chamber's cross-sectional shape,axes ratio,and direction must reasonably reflect the in situ stress field. KEY WORDS deep underground chamber:stress field:axial variation;rock damage and failure;numerical simulation 随着我国经济与社会的不断发展，浅部资源 挖爆破建立了基岩爆破的损伤本构模型，将其嵌 日益枯竭，矿产资源和地下空间开发利用的需求 入SHALE程序中，实现了对基岩开挖爆破损伤范 日益增长-)理论上，地球内部从地表到地层以 围的数值模拟.杨栋等2通过岩体声波测试，确 下10000m处均为成矿空间.因此，为满足人类社 定梅花山隧道的围岩损伤范围，并采用FLAC软 会发展的需要，深部地层矿产资源开采是解决资 件模拟表明地应力大小对围岩损伤分布有着显著 源短缺问题的有效途径-.深部开采和地下空间 影响. 工程成为未来发展的必然趋势 本文针对深部地下酮室轴比、地应力与围岩 随着地层深度增加，地层应力、地温和孔隙水 稳定性关系，开展了硐室断面形状、侧压系数和构 压显著提高，深部围岩处于“三高一扰动”的复杂 造应力场对围岩损伤破裂的影响.随着地层深度 地质力学环境，其力学行为与变形机制不同于浅 增大，酮室围岩损伤破裂程度加剧，提出了临界侧 部地层6刀，在深部开采中，会有岩爆、片帮等特殊 压系数概念用以指导深部地层酮室设计及稳定性 的破坏现象出现⑧-0国内外很多学者针对深部地 分析.以三山岛金矿西岭矿区拟建的井深为2005m 下酮室开挖和支护进行了理论分析、数值模拟及 的副井为工程依托，开展酮室断面设计与损伤破 原位试验等工作，取得了一系列成果-值得特 裂关系数值模拟，以期助力深部地层巷道科学合 别关注的是，深部地下酮室的形状、大小及其布置 理布置 对围岩损伤破裂和稳定性具有重要的影响.在“三 高一扰动”的环境中，高地应力是引起地下酮室围 1深部地下硐室轴比和地应力关系 岩变形、损伤和破坏的根本作用力.岩体中地应 地下工程中常采用椭圆形酮室断面，图1给出 力绝大多数是以水平应力为主的三向不等压的空 了不同角度()地应力作用下硐室开挖硐壁应力 间应力场.于学馥和乔端6，以及于学馥7提出地 计算简图.根据弹性力学的解，将两个主应力作用 下硐室轴比变化对围岩变形和破坏起重要控制作 下求得的应力叠加，椭圆形酮室硐壁的应力为： 用的理论，称轴变论 o=(1+Z)cos2(0+B)-Zcos*B-sin2B 在实际工程中，深部硐室开挖形成的围岩损 v+ Z2sin-o+cos2o 伤区域(EDZ),损伤区域的产生显著影响深部地 (I+Zsin@+)-ZcosB-cosE 下酮室的围岩稳定性，该区域的岩石渗透率通常 Z2sino+cos2o 要比原岩高得多，因此对硐室开挖损伤区域的 0r=0 Tr=0 评估是设计深部硐室的一项关键任务.Falls和 (1) Youngl9通过声发射与超声波手段，指出处于高应 其中，阳为极坐标下围岩切向应力；o,为极坐标下 力条件下岩体，应力重分布与扰动造成的损伤要 围岩径向应力；为极坐标下围岩剪应力；Z为 严重于低应力条件下.Hakamio、Read等四通过 x轴正半轴a与y轴上半轴b的比值，Z=alb:0为 弹性分析与弹塑性分析的数值方法对损伤区域进 硐壁上任意一点到椭圆形酮室中心点连线与x轴 行评估.Chang等2研究了一种基于室内试验的 的夹角：B为侧向主应力作用线与x轴的夹角，B≠ 损伤模型并使用Fish将其应用于开挖损伤区的模 0时，椭圆形酮室为构造应力状态；入为地应力侧 拟.张小波等21对巷道围岩力学状态进行极限平 压系数；ov为竖向主应力，B=0时，，为上覆岩层 衡分析，推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布 自重应力 的解析表达式.蔡德所等24基于三峡工程基岩开 针对B=0时，椭圆形酮室竖向轴端点(0=determined by the in situ stress configuration; a high lateral stress coefficient sees a pronounced increment in the tension stress inside the roof and floor of the chamber, resulting in an exponential enlargement of the damaged area. Compared with the shallow underground chamber, the deep chamber is more sensitive to an increase in the lateral stress coefficient. With an increase in depth, the critical lateral stress coefficient gradually decreased to 1. The larger horizontal tectonic stress in the deep strata causes damage accumulation in the roof and the floor, encouraging rock outbursts in the damaged zones. To conclude, to optimize the design and minimize the outburst hazard for a deep underground chamber, the chamber’s cross-sectional shape, axes ratio, and direction must reasonably reflect the in situ stress field. KEY WORDS    deep underground chamber；stress field；axial variation；rock damage and failure；numerical simulation 随着我国经济与社会的不断发展，浅部资源 日益枯竭，矿产资源和地下空间开发利用的需求 日益增长[1−3] . 理论上，地球内部从地表到地层以 下 10000 m 处均为成矿空间. 因此，为满足人类社 会发展的需要，深部地层矿产资源开采是解决资 源短缺问题的有效途径[4−5] . 深部开采和地下空间 工程成为未来发展的必然趋势. 随着地层深度增加，地层应力、地温和孔隙水 压显著提高，深部围岩处于“三高一扰动”的复杂 地质力学环境，其力学行为与变形机制不同于浅 部地层[6−7] ，在深部开采中，会有岩爆、片帮等特殊 的破坏现象出现[8−10] . 国内外很多学者针对深部地 下硐室开挖和支护进行了理论分析、数值模拟及 原位试验等工作，取得了一系列成果[11−15] . 值得特 别关注的是，深部地下硐室的形状、大小及其布置 对围岩损伤破裂和稳定性具有重要的影响. 在“三 高一扰动”的环境中，高地应力是引起地下硐室围 岩变形、损伤和破坏的根本作用力. 岩体中地应 力绝大多数是以水平应力为主的三向不等压的空 间应力场. 于学馥和乔端[16] ，以及于学馥[17] 提出地 下硐室轴比变化对围岩变形和破坏起重要控制作 用的理论，称轴变论. 在实际工程中，深部硐室开挖形成的围岩损 伤区域（EDZ），损伤区域的产生显著影响深部地 下硐室的围岩稳定性，该区域的岩石渗透率通常 要比原岩高得多[18] ，因此对硐室开挖损伤区域的 评估是设计深部硐室的一项关键任务. Falls 和 Young[19] 通过声发射与超声波手段，指出处于高应 力条件下岩体，应力重分布与扰动造成的损伤要 严重于低应力条件下. Hakami[20]、Read 等[21] 通过 弹性分析与弹塑性分析的数值方法对损伤区域进 行评估. Chang 等[22] 研究了一种基于室内试验的 损伤模型并使用 Fish 将其应用于开挖损伤区的模 拟. 张小波等[23] 对巷道围岩力学状态进行极限平 衡分析，推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布 的解析表达式. 蔡德所等[24] 基于三峡工程基岩开 挖爆破建立了基岩爆破的损伤本构模型，将其嵌 入 SHALE 程序中，实现了对基岩开挖爆破损伤范 围的数值模拟. 杨栋等[25] 通过岩体声波测试，确 定梅花山隧道的围岩损伤范围，并采用 FLAC 软 件模拟表明地应力大小对围岩损伤分布有着显著 影响. 本文针对深部地下硐室轴比、地应力与围岩 稳定性关系，开展了硐室断面形状、侧压系数和构 造应力场对围岩损伤破裂的影响. 随着地层深度 增大，硐室围岩损伤破裂程度加剧，提出了临界侧 压系数概念用以指导深部地层硐室设计及稳定性 分析. 以三山岛金矿西岭矿区拟建的井深为 2005 m 的副井为工程依托，开展硐室断面设计与损伤破 裂关系数值模拟，以期助力深部地层巷道科学合 理布置. 1    深部地下硐室轴比和地应力关系 地下工程中常采用椭圆形硐室断面，图 1 给出 了不同角度（β）地应力作用下硐室开挖硐壁应力 计算简图. 根据弹性力学的解，将两个主应力作用 下求得的应力叠加，椭圆形硐室硐壁的应力为：    σθ = (1+Z) 2 cos2 (θ+β)−Z 2 cos2β−sin2 β Z 2sin2σ+cos2σ σv+ (1+Z) 2 sin2 (θ+β)−Z 2 cos2β−cos2β Z 2sin2σ+cos2σ λσv σr = 0 τrθ = 0 （1） 其中，σθ 为极坐标下围岩切向应力；σr 为极坐标下 围岩径向应力； τrθ 为极坐标下围岩剪应力；Z 为 x 轴正半轴 a 与 y 轴上半轴 b 的比值，Z = a/b；θ 为 硐壁上任意一点到椭圆形硐室中心点连线与 x 轴 的夹角；β 为侧向主应力作用线与 x 轴的夹角，β ≠ 0 时，椭圆形硐室为构造应力状态；λ 为地应力侧 压系数；σv 为竖向主应力，β = 0 时，σv 为上覆岩层 自重应力. 针对 β = 0 时 ，椭圆形硐室竖向轴端点（ θ = · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期