【摘要】随着新奥法的应用和与新奥法有关的研究工作的不断深入，近年来在地下结构设计中出现了根据围岩位移量测值反馈设计衬砌结构的收敛控制法。该法以弹-塑性本构关系为其理论分析的基础，现场实测工作为主要内容，并在收敛量测方面计入时间因素。本文主要介绍该方法在巷道支护结构设计中的应用。

　　【关键词】收敛控制；巷道支护；设计

　　随着矿井开采深度不断向深部延深，巷道穿过的围岩水文地质条件越来越复杂，地压显现越来越大，支护设计难度也越来越大。单靠经验类比法已无法解决巷道支护结构设计问题。我们选择收敛控制法进行巷道支护设计，是一种以理论为基础，实测为依据，经验为参考的较完善设计方法。

　　1.收敛控制法

　　收敛控制通常以弹-塑性本构关系为其理论分析的基础，认为围岩破坏特征是剪切破坏，遵循库伦-摩尔准则，即τ=f·σ+C。以此推导收敛控制法计算公式，判别围岩受力状态及进入塑性区的范围。

　　根据公式推导，塑性区半径为：

　　R=

　　·R

　　式中R——塑性区半径；P——初始地应力，P=γ·H；γ——围岩容重。

　　H——巷道埋深；R——巷道荒半径；P——支护结构对围岩的作用力。

　　因塑性区发展到一定程度时巷道周围的围岩将对支护结构产生松动压力，可认为松动压力Pa为松动围岩的自重，即Pa=γ·R。

　　巷道开挖后，围岩将产生变形U，形变收敛与外荷载、围岩的性能及支护结构对围岩的支撑作用力等因素有关，即：

　　——围岩泊松比；E——围岩弹性模量。

　　将围岩的变形U表示为支护结构对围岩的作用力Pi的函数，可给出围岩特征曲线，该曲线亦称围岩收敛线，见图1。

　　支护结构对围岩的支承作用力实际上是作用在支护上的围岩变形压力的反作用力，同时在接触面上围岩位移与支护位移协调相等。

　　因支护结构对围岩变形起控制作用，故支护特征线又称为支护控制线。

　　式中K——支护刚度系数；Ui——支护结构位移量；Ri——巷道净半径。

　　支护特征线的表达式则为：

　　U=U+

　　式中U0——支护前围岩的初位移。

　　收敛控制法以围岩收敛线与支护控制线的交点作为巷道支护设计的依据，如图2所示，若交点在围岩收敛线最低点（P=Pa）以左（曲线2），则围岩趋于稳定，支护结构安全可靠；如若支护刚度太小（曲线3）或支护时间太晚（即初位移U过大，曲线4），则围岩位移未得到控制或控制不住，这时围岩失稳，支护失效。

　　2.工程应用实例

　　2.1工程地质概况

　　例如：某矿井西翼回风石门深度为506m，所穿岩层以粘土岩、砂质粘土岩为主，局部为粉细砂岩。按含水量大小以及岩体完整性分为无水或完整、潮湿或有裂隙及浸水或破碎3种情况。各参数取值见附表。

　　2.2适用条件判别

　　巷道开挖后，处于初始应力状态的围岩因位移产生附加应力进入二次应力状态。由于初始应力P0为：

　　P=γ·H=2.5×5.6=1265t

　　m

　　=12.65MP

　　>R

　　表明无支护时围岩二次应力处于潜塑状态，需要进行支护，以控制围岩塑性区发展，达到巷道稳定。

　　根据量测资料，混凝土喷层与围岩接触面上的应力一般为1～3MPa，目前使用的U型钢支架承受的接触应力为3～7MPa（架距为0.5m），当RP/R0=1时，围岩的形变压力P为：

　　P=P（1-sinφ）-C·cosφ=12.65（1-sin20）-0.13cos20=8.2MP

　　此值大于支护抗力，表明支护后围岩仍会产生塑性区。

　　由上述判别，本工程应按弹塑性分析法确定收敛控制线。

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