刘力源等：深部地下酮室与应力场轴变关系及其围岩损伤破裂分析 7 200 150 = (a) =1 (b) =1.75 150 =2 1=2.2 1=2.2 90 100 60 50 是 30 0 -10 -5 0 5 0 10 -5 5 10 Distance to chamber center/m Distance to chamber center/m 图14 不同侧压系数酮室X方向应力分布情况.()拱顶处：(b)水平中线处 Fig.14 Stress distribution in the X direction of a chamber with various lateral pressure coefficients:(a)chamber roof,(b)middle route of the chamber 5.0 Chamber shape 20 4.5 --Ellipse (Z=1.5) 4.0 -.-Circle 15 3.5 3.0 10 4 2.5 c、4 2.0 1.5 1.0 1.0 1.21.41.61.82.02.2 ò 40 6080 100 Lateral pressure coefficient The vertical stress/MPa 图15围岩损伤破裂区面积与地应力侧压系数条件关系 图16不同地应力条件下对应的临界侧压系数 Fig.15 Relationship between the damaged zone and in situ stress lateral Fig.16 Critical lateral pressure coefficient under various in situ stress pressure coefficient conditions 保持地层条件不变，分析不同竖向应力作用 作用下酮室的布置与支护设计应与一般情况不同4-均 下临界侧压系数变化规律.数值模拟结果表明，随 本节对侧压系数和酮室轴比不变条件下，不 着埋深增大，酮室临界侧压系数不断减小.因此， 同(B=0°，15°，30°，45)构造应力场作用下硐室 对于深部地层条件而言，侧压系数的变化对酮室 围岩损伤破裂过程进行了数值模拟.当B=0时， 围岩损伤破裂影响显著，侧压系数的微小改变可 硐室围岩应力均匀分布且相等；B增大后，酮室围 能造成硐室围岩大范围损伤破裂 岩垂直于最大主应力处应力增大，产生明显的应 2.3.2构造应力场对围岩损伤破裂影响 力集中现象.数值模拟结果表明，酮室围岩损伤破 构造应力由地壳运动及各板块间的拉伸挤压 裂区面积随着B增大呈增大趋势；B=45时，损伤 构成在实际工程中，一些酮室和巷道受构造应 破裂区面积最大.如图17和18所示，构造应力的 力的影响，可能会发生大变形、坍塌甚至破坏的风 方向对硐室围岩损伤破坏区位置具有重要影响. 险，影响工程的安全高效运行.因此，构造应力场 随着B增大，损伤破裂区由围绕酮室均匀分布，逐 Damage (a) (b) (c) (d) (e) 64 8 -1.0 图17构造应力角对围岩损伤破裂影响.(a)B=0°：(b)B=15°：(c)=30°：(d)=45°：(e)B=60° Figl7 Effect of the tectonic stress dip on the damage of country rock:(a)-0°，(b)=l5o,(c)=30°，(d)=45o;(e)B=60°保持地层条件不变，分析不同竖向应力作用 下临界侧压系数变化规律. 数值模拟结果表明，随 着埋深增大，硐室临界侧压系数不断减小. 因此， 对于深部地层条件而言，侧压系数的变化对硐室 围岩损伤破裂影响显著，侧压系数的微小改变可 能造成硐室围岩大范围损伤破裂. 2.3.2    构造应力场对围岩损伤破裂影响 构造应力由地壳运动及各板块间的拉伸挤压 构成[33] . 在实际工程中，一些硐室和巷道受构造应 力的影响，可能会发生大变形、坍塌甚至破坏的风 险，影响工程的安全高效运行. 因此，构造应力场 作用下硐室的布置与支护设计应与一般情况不同[34−35] . 本节对侧压系数和硐室轴比不变条件下，不 同 β（β = 0°, 15°, 30°, 45°）构造应力场作用下硐室 围岩损伤破裂过程进行了数值模拟. 当 β = 0°时， 硐室围岩应力均匀分布且相等；β 增大后，硐室围 岩垂直于最大主应力处应力增大，产生明显的应 力集中现象. 数值模拟结果表明，硐室围岩损伤破 裂区面积随着 β 增大呈增大趋势；β = 45°时，损伤 破裂区面积最大. 如图 17 和 18 所示，构造应力的 方向对硐室围岩损伤破坏区位置具有重要影响. 随着 β 增大，损伤破裂区由围绕硐室均匀分布，逐 −10 −5 0 5 10 0 50 100 150 200 The von mises stress/MPa Distance to chamber center/m λ=1 λ=1.5 λ=1.75 λ=2 λ=2.2 (a) −10 −5 5 10 0 30 60 90 120 150 The von mises stress/MPa Distance to chamber center/m λ=1 λ=1.5 λ=1.75 λ=2 λ=2.2 (b) 图 14    不同侧压系数硐室 X 方向应力分布情况. （a）拱顶处；（b）水平中线处 Fig.14    Stress distribution in the X direction of a chamber with various lateral pressure coefficients: (a) chamber roof; (b) middle route of the chamber 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 0 5 10 15 20 Area of damage zone/m2 Lateral pressure coefficient 图 15    围岩损伤破裂区面积与地应力侧压系数条件关系 Fig.15    Relationship between the damaged zone and in situ stress lateral pressure coefficient 20 40 60 80 100 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Critical lateral pressure coefficient The vertical stress/MPa Chamber shape Ellipse (Z=1.5) Circle 图 16    不同地应力条件下对应的临界侧压系数 Fig.16    Critical lateral pressure coefficient under various in situ stress conditions (a) (b) (c) (d) (e) Damage 0.8 0.6 1.0 0.4 0.2 0 −0.4 −0.6 −0.2 −0.8 −1.0 图 17    构造应力角对围岩损伤破裂影响. （a）β=0°；（b）β=15°；（c）β=30°；（d）β=45°；（e）β=60° Fig.17    Effect of the tectonic stress dip on the damage of country rock: (a) β=0°; (b) β=15°; (c) β=30°; (d) β=45°; (e) β=60° 刘力源等： 深部地下硐室与应力场轴变关系及其围岩损伤破裂分析 · 7 ·