杨仁树等：地下空间工程服役安全的认识与思考 7 变全过程曲线的控制.目前针对岩石的疲劳损伤 和支护机理做了大量研究 研究主要是在交变循环应力或者循环应变的作用 在冻结凿井方面，利用复变函数理论，建立了 下的一个损伤破坏过程，爆破荷载所产生的动态 非均匀荷载作用下圆形水平冻结壁模型（图9），并 应力场为脉冲应力场，这和以往所研究的应力场 考虑冻结壁与围岩作用及开挖卸荷作用，推导出 状态完全不同.同样爆破荷载作用下岩石的疲劳 弹性冻结壁与围岩的应力和位移解析解，讨论了 特性表现出动静荷载相互叠加的作用，弹性波应 基于Tresca和Mises准则的冻结壁厚度设计方法P 力场和岩体的静态应力场相互交织，注定了研究 利用复合型最优化设计方法计算出非圆形冻结壁 的复杂性 的映射函数方程，推导出非均匀荷载作用下非圆 2.5地下空间工程围岩稳定性分析及支护机理 形水平冻结壁与围岩的弹性应力和位移近似解 近年来主要围绕煤矿地下空间围岩安全稳定 析解27 (a) (b) krozen wall Surrounding rock 图9圆形冻结壁力学模型.(a)力学模型A:(b)力学模型B Fig.9 Mechanical model of a circular frozen wall:(a)mechanical model A:(b)mechanical model B D20-M22-2400Φ18-M20-2000 压注浆系统对高应力深井破坏软岩等效试件进行 了注浆试验0，研究了注浆后试件单轴抗压强度、 30o 313 .875 875 6006。 裂隙变化情况和试件内部裂隙分形维数变化规律 -R300 在支护智能设计方面，研发了煤巷支护方案 专家系统，实现了不同地质条件下煤巷支护方案 Roadway 的智能决策3)，如图10所示 国美 图9(a)中冻结壁的内外半径为ro,:围岩的 centerline 内外半径为r1,2(2→o:p,为任一点径向压力； P,0为围岩初始压力；σ1，o,1分别为冻结壁处环向 和径向处应力；t1为冻结壁处的剪应力；图9(b) 4800 5000 Unit:mm 中σ，和x、G和分别模型内、外边界的边界面 图因10系统生成的支护断面图 力，下标j=什1，(i=0,1),0代表冻结壁内边界；1代 Fig.10 Cross-sectional view of the generated support system 表冻结壁外边界；2代表围岩无限远处；E,、4分别 为围岩的弹性模量和泊松比；、)分别对应图1 在支护方面，为解决高应力破碎软岩巷道支 中的o、n或r、2,oao,分别为某一点处的环 护难题，将深部稳定岩体视为围岩大结构，提出以 向和径向应力；tB为某一点处的剪应力.其中力 强力锚杆为基础，通过进行注浆来强化巷道浅部 学模型B是力学模型A的深人表达 破碎和裂隙损伤岩体等围岩小结构，且通过高预 在分析围岩的变形失稳机理过程中，一般遵 应力锚索注浆前后两次张拉，形成了围岩大小结 循连续性、均匀性假设，即将围岩视为连续均匀介 构间协同承载的联合支护技术1研究了酮室群 质，因此当分析围岩时，侧重点偏向岩性，然而对 及周边巷道围岩变形破坏特征和机理，提出了酮 于层状顶板中所存在的软弱结构面分析较少；在 室及周边20m范围内巷道围岩“强柱固底”的加 分析锚杆锚索受力时，一般集中于轴向拉伸的分 固支护方案，有效控制了围岩变形，达到了理想的 析探究，而忽视了锚杆锚索横向层间剪切滑动的 加固支护效果9 研究；在锚杆与锚索联合支护体系中，对锚杆锚索 在注浆加固方面，采用自主研发的实验室液 间的作用机制理解较为片面，同时由于缺乏对层变全过程曲线的控制. 目前针对岩石的疲劳损伤 研究主要是在交变循环应力或者循环应变的作用 下的一个损伤破坏过程，爆破荷载所产生的动态 应力场为脉冲应力场，这和以往所研究的应力场 状态完全不同. 同样爆破荷载作用下岩石的疲劳 特性表现出动静荷载相互叠加的作用，弹性波应 力场和岩体的静态应力场相互交织，注定了研究 的复杂性. 2.5    地下空间工程围岩稳定性分析及支护机理 近年来主要围绕煤矿地下空间围岩安全稳定 和支护机理做了大量研究. 在冻结凿井方面，利用复变函数理论，建立了 非均匀荷载作用下圆形水平冻结壁模型（图 9），并 考虑冻结壁与围岩作用及开挖卸荷作用，推导出 弹性冻结壁与围岩的应力和位移解析解，讨论了 基于 Tresca 和 Mises 准则的冻结壁厚度设计方法[26] . 利用复合型最优化设计方法计算出非圆形冻结壁 的映射函数方程，推导出非均匀荷载作用下非圆 形水平冻结壁与围岩的弹性应力和位移近似解 析解[27] . Surrounding rock Frozen wall r2 r1 rj ri r σr1 σr σθ1 σθ σ F j Ej , μj τ F j τrθ1 τrθ r0 pr pr0 (a) (b) 图 9    圆形冻结壁力学模型.（a）力学模型 A；（b）力学模型 B Fig.9    Mechanical model of a circular frozen wall：(a) mechanical model A；(b) mechanical model B 在支护方面，为解决高应力破碎软岩巷道支 护难题，将深部稳定岩体视为围岩大结构，提出以 强力锚杆为基础，通过进行注浆来强化巷道浅部 破碎和裂隙损伤岩体等围岩小结构，且通过高预 应力锚索注浆前后两次张拉，形成了围岩大小结 构间协同承载的联合支护技术[28] . 研究了硐室群 及周边巷道围岩变形破坏特征和机理，提出了硐 室及周边 20 m 范围内巷道围岩“强柱固底”的加 固支护方案，有效控制了围岩变形，达到了理想的 加固支护效果[29] . 在注浆加固方面，采用自主研发的实验室液 压注浆系统对高应力深井破坏软岩等效试件进行 了注浆试验[30] ，研究了注浆后试件单轴抗压强度、 裂隙变化情况和试件内部裂隙分形维数变化规律. 在支护智能设计方面，研发了煤巷支护方案 专家系统，实现了不同地质条件下煤巷支护方案 的智能决策[31] ，如图 10 所示. 图 9（a）中冻结壁的内外半径为 r0，r1；围岩的 内外半径为 r1， r2（ r2→∞)； pr 为任一点径向压力； pr0 为围岩初始压力；σ θ1，σ r1 分别为冻结壁处环向 和径向处应力；τ rθ1 为冻结壁处的剪应力；图 9（b） 中 σi F 和 τi F、σj F 和 τj F 分别模型内、外边界的边界面 力,下标 j = i+1,(i = 0,1)，0 代表冻结壁内边界；1 代 表冻结壁外边界；2 代表围岩无限远处；Ej、μj 分别 为围岩的弹性模量和泊松比；ri、rj 分别对应图 1 中的 r0、r1 或 r1、r2，σ θ、 σ r 分别为某一点处的环 向和径向应力；τ rθ 为某一点处的剪应力. 其中力 学模型 B 是力学模型 A 的深入表达. 在分析围岩的变形失稳机理过程中，一般遵 循连续性、均匀性假设，即将围岩视为连续均匀介 质，因此当分析围岩时，侧重点偏向岩性，然而对 于层状顶板中所存在的软弱结构面分析较少；在 分析锚杆锚索受力时，一般集中于轴向拉伸的分 析探究，而忽视了锚杆锚索横向层间剪切滑动的 研究；在锚杆与锚索联合支护体系中，对锚杆锚索 间的作用机制理解较为片面，同时由于缺乏对层 5000 4800 875 875 30° 30° 10° 10° 313300 1000 1500 3750 3800 500 600 R300 Unit: mm Roadway centerline Φ20-M22-2400 Φ18-M20-2000 图 10    系统生成的支护断面图 Fig.10    Cross-sectional view of the generated support system 杨仁树等： 地下空间工程服役安全的认识与思考 · 7 ·