深部巷道開挖應力演化特征分析

蒲春艷 劉 濱 李中楠 李 寧

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.巖土力學與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.青海能源魚卡有限責任公司，青海 海西 816200）

我國中東部礦區淺部煤炭資源正在逐漸枯竭，并且每年以20～25 m的速度向深部延深，逐步進入深部開采階段，最大開采深度超過1 000 m。根據統計，需要整治的深部巷道占掘進巷道總長度的70%以上，深部巷道大變形失穩引起的安全事故占礦井建設和生產事故總數的40%，對我國深部煤炭資源的開采和煤炭工業的可持續發展造成了嚴重的影響。巷道的開挖擾動破壞了圍巖應力的原始平衡狀態，圍巖應力狀態（大小和方向）發生改變，造成應力的二次分布，超過巖體可承受的強度，巷道產生大變形失穩。應力方向的改變（應力旋轉）是裂隙擴展的控制因素、會顯著影響圍巖初始裂縫的擴展深度和方向，是深部巷道圍巖穩定控制不可忽視的重要因素。

DEREK［1］研究得出脆性巖石的強度在應力大小和方向的影響下降低。DIEDERICHS［2］描述了應力旋轉造成的損傷會降低開挖附近的裂縫相互作用閾值。EBERHARD［3］利用三維有限元分析，研究探索了隧道工作面漸進推進過程中的近場應力路徑，表明主應力軸的旋轉是巖石斷裂擴展方向的控制因素。KAISER等［4］以溫斯頓湖礦井為例，研究了應力旋轉會擾亂剪切作用下先前存在的不連續面，導致裂縫擴展，節理張開或引起巖橋的破壞，從而導致巖體破壞。鄭穎人等［5］探討了“考慮應力主軸旋轉的廣義塑性力學”問題，認為應力主軸旋轉會導致塑性變形增量。張社榮等［6］對隧洞開挖過程進行數值模擬，研究了掌子面推進過程中圍巖的應力變化特征。孫常新等［7］通過對隧道開挖過程利用三維數值模擬，研究表明應力旋轉基本在隧道開挖前后10 m左右的距離內完成，依據應力旋轉對裂隙的影響對隧道的重點部位進行超前加固。朱澤奇等［8］以引水隧洞為例研究表明，隨著掌子面推進掌子面前方的圍巖主應力軸方向調整具有一定共性，均表現為最大、最小主應力以一定交角指向臨空面，中間主應力近似平行臨空面。江權［9］用主應力轉動消散功來表示主應力大小和方向同時改變的程度。崔溦等［10］研究了主應力旋轉對圍巖破壞的影響，結果表明由于應力旋轉會對圍巖初始裂縫擴展深度和方向引起顯著的變化。李建賀等［11］定義了應力擾動指標SDI（stress disturbance index）表明分階段開挖圍巖應力場的擾動程度（包含應力大小和方向的擾動）。王家臣等［12］研究了由于主應力方向的旋轉效應，頂煤采動裂隙向采空區傾斜。WANG Z H等［13］模擬了應力煤中波速的演化過程，預測應力分布、應力旋轉等結果，與現場實測結果基本一致。WANG J C等［14］采用現場調查和數值模擬相結合的方法，識別了主應力的集中和旋轉現象，重點分析了采空區附近頂煤主應力的旋轉特征。YUE Jiang等［15］采用三維數值模擬方法，對TBM施工過程進行了實際模擬，研究表明在隧道開挖過程中，當掌子面通過巖石監測斷面時，巖體應力隨著主應力軸的旋轉發生劇烈變化。上述研究僅對全斷面一次成型隧（巷）道開展研究，未對臺階法等分步開挖方法開展相關分析和研究。

深部軟弱破碎巖體情況下，為減小工程擾動，常采用臺階法等開挖方法，改善圍巖受力狀態，降低應力主軸旋轉對圍巖的劣化影響，從而控制圍巖破裂損傷區的演化。為定量研究和分析應力主軸變化對圍巖穩定的影響，本項目以某礦區工作面巷道作為研究實例，利用數值模擬技術，對全斷面開挖、臺階法開挖，巷道掌子面推進過程中的關鍵點位主軸旋轉進行了數值仿真研究，為開展室內實驗以及現場工業實驗提供依據。

1 工程概況

項目礦區工作面主要回采13-1煤，煤層平均厚度4.0 m，埋藏深度745 m，工作面長度達1 000 m。巷道圍巖的巖性以砂質泥巖為主。對該采區巷道圍巖進行原巖應力測試，得到的工作面初始地應力分布特征結果表明，最大主應力σ1量值平均為25.98 MPa，最小主應力σ3與主應力σ1在方位上呈正交關系，量值平均為17.84 MPa，最大最小主應力近水平方向。

根據地層剖面圖和巷道布置情況，采用FLAC3D（5.01）建立三維模型如圖1所示。取垂直于巷道軸線的水平方向為X軸，Y軸為巷道軸線方向，Z軸為豎直方向，模型在X、Y、Z軸方向上的尺寸是40 m、30 m、40 m，其中最大主應力σ1沿巷道軸線方向，最小主應力σ3沿垂直巷道軸線的水平方向。整個煤巖體力學模型采用莫爾—庫倫模型，材料力學參數參照室內力學實驗結果，綜合考慮現場實際地質條件和計算經驗，主要參數見表1。巷道沿煤層頂板底板掘進，巷道尺寸寬4.5 m，高4.0 m。

為研究隨掌子面推進，參考面上圍巖的應力大小變化和應力旋轉規律，本次計算選Y=15 m處剖面巷道掌子面O、底板A、拱頂B、拱肩C、邊墻D和底腳E為監測點，巷道橫剖面及監測點布置如圖2所示，將開挖進尺設置為1 m。

2 2種開挖方式的施工方法

（1）全斷面法。該方法是巷道斷面一次開挖成形。能夠減少開挖對圍巖的反復擾動，圍巖的天然承載力得到很好的保護，有較大的作業空間，有利于采用大型配套機械化作業，提高施工速度，而且工序少，方便施工組織和管理。缺點是對地質條件有嚴格的要求，并要求圍巖具有良好的自穩性。同時因為開挖面較大，圍巖穩定性降低，而且每個循環工作量較大，開挖模型如圖3所示。

（2）臺階法是最基本、應用最廣泛的施工方法，包括正臺階法和反臺階法。適用于穩定巖體、土層及不穩定巖體。該方法工作空間大，施工速度快，臺階有利于開挖面穩定，但上下臺階施工會產生干擾。本研究中分為上下2個臺階，上臺階超前開挖10 m，開挖模型如圖4所示。

3 不同開挖方法的模擬計算

對于上述的2種不同開挖方法，分別利用FLAC3D對巷道進行分步開挖模擬計算，盡量對巷道分步開挖過程進行了真實的模擬。為便于說明，規定掌子面未超過參考面的一側為參考面的后方，超過參考面的一側為參考面的前方。為了簡化以下描述，在開始分析之前，定義以下幾個參數：α為最大主應力軸與X軸之間的夾角，β為最大主應力軸與Y軸之間的夾角，γ為最大主應力軸與Z軸之間的夾角，φ為最小主應力軸與X軸之間的夾角，ω為最小主應力軸與Y軸之間的夾角，ζ為最小主應力軸與Z軸之間的夾角；其中角度符號中的下角標1、2分別代表全斷面法開挖和臺階法開挖；此外，監測點主應力變化曲線圖中主應力以壓為正值，臺階法監測點主應力變化圖和方向旋轉特征圖中以下臺階開挖進尺為橫坐標。

3.1 關鍵點位圍巖應力演化特征

3.1.1 參考面軸心監測點

從主應力大小的變化來看，對于巷道參考面監測點O，從圖5（a）可知當巷道掌子未到達參考面，距約4 m過程中，巷道軸心監測點主應力σ1逐漸減小，σ3大小緩慢增加；在掌子面推進至距參考面1 m過程中，σ1和σ3大小不斷降低分別降至6.8 MPa和0.7 MPa。圖5（b）中當下臺階推進距參考面7 m過程中，σ1不斷降低至4.2 MPa，σ3開始保持不變隨后不斷減小至0.1 MPa；在巷道下臺階推進距參考面3 m及以上，σ1和σ3大小基本保持不變。

從最大主應力方向的變化來看，對于軸心監測點主應力σ1，由圖6（a）可知掌子面從距參考面7 m推進距參考面2 m過程中，α1基本保持不變，β1、γ1持續增加，σ1的方向主要在沿平行于巷道軸線的豎直平面內旋轉；掌子面繼續向前推進（距參考面小于2 m），α1急劇增大，γ1急劇減小，σ1方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成166°、89°、104°夾角。與初始狀態相比，α1、β1、γ1旋轉變化幅度分別達到76°、89°、14°。對比分析全斷面法開挖下軸心監測點主應力變化和方向旋轉圖發現應力方向的變化滯后于應力大小，即在應力方向發生劇烈變化之前，巖石內部發生了一定程度的損傷。臺階法開挖，由圖6（b）可知下臺階掘進距參考面后方5 m過程中，隨著下臺階向前推進，α2先保持穩定后不斷增加；β2不斷增加，下臺階距參考面后方10 m時突然降低后繼續增加，γ2不斷增加隨后降低，下臺階推進參考面后方5 m后，α2、β2、γ2基本保持不變，下臺階的開挖不影響方向最大主應力變化，σ1方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成178°、88°、91°夾角；與初始狀態相比，α2、β2旋轉變化幅度分別達到88°。對于監測點主應力σ3，從圖7（a）可知，全斷面開挖當掌子面推進距參考面7 m后，σ3方向也開始出現明顯變化，φ1、ω1不斷增加，ζ1緩慢增加，σ3主要在沿巷道軸線的水平面內旋轉，σ3方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成 87°、175°、94°夾角。對圖7（b）臺階法開挖，下臺階由遠推進至參考面后方2 m過程中，φ2增量較小，ζ2不斷升高，ω2先升高后降低，σ3方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成 91°、99°、171°夾角；與初始狀態相比φ2、ω2旋轉變化幅度分別達到 91°、9°。與初始狀態相比，2種開挖方法下σ1由最初的平行巷道軸線的近水平方向旋轉成垂直巷道軸線的水平方向；對于σ3，全斷面法開挖下σ3由最初的垂直巷道軸線方向旋轉成平行于巷道軸線方向，而臺階法開挖下σ3則旋轉成豎直方向。

3.1.2 參考面底板監測點

從主應力大小的變化來看，由圖8可知：對于底板監測點A，全斷面開挖，隨著巷道掌子面繼續向前推進，對于圖8（a）主應力σ1逐漸減小至22.5 MPa，然后逐漸增大至峰值28.5 MPa后不斷降低，σ3大小緩慢增加至18.5 MPa，并在掌子面推進至距參考面5 m后不斷降低；對于臺階法開挖，圖8（b），上臺階推進過程中，主應力σ1先減小至23.6 MPa然后逐漸增大，上臺階到達參考面時，參考面底板最大主應力到達峰值28.8 MPa，上臺階通過參考面后σ1、σ3不斷降低。對于2種開挖方法，開挖后各主應力大小趨于穩定且相同。

從主應力方向的變化來看，全斷面開挖，由圖9（a）可知，當掌子面推進至距參考面9 m時，σ1方向開始出現明顯變化；掌子面從距參考面9 m推進距參考面2 m過程中，α1基本保持不變，β1、γ1持續增加，σ1的方向主要在沿平行于巷道軸線的豎直平面內旋轉；繼續向前推進至參考面處，α1幾乎沒有發生變化，β1、γ1不斷降低；掌子面跨越參考面推進至參考面前方2 m過程中，主應力方向發生劇烈變化，α1變化幅度達到90°左右，β1顯著增大，γ1顯著減小；掌子面推進至參考面前方2 m后，σ1方向趨于穩定，應力σ1主軸旋轉至與X、Y、Z軸分別成177°、87°、90°夾角。對圖9（b），臺階法開挖下σ1方向旋轉較為復雜；上臺階開挖面從距參考面5 m至參考面過程中，α2先保持不變后突然降低，β2不斷緩慢增加，γ2緩慢升高；上臺階開挖面通過參考面至參考面前方2 m過程中，α2急劇增大，最大變化幅度達90°，β2突然減小后迅速增大，最大變化幅度達70°，γ2不斷降低；上下臺階繼續推進，至下臺階還未到達參考面過程中，α2、β2、γ2基本保持不變；當下臺階開挖面到達并至參考面前5 m過程中，α2、β2突然降低隨后不斷升高；γ2在參考面處升高后緩慢降低；繼續開挖推進，至參考面前方10 m后，α2、β2、γ2趨于穩定，σ1應力主軸旋轉至與X、Y、Z軸分別成174°、85°、90°夾角。

從圖10（a）可知，全斷面開挖，對于最小主應力σ3，掌子面從距參考面9 m推進至距參考面2 m過程中，φ1、ω1不斷增加，ζ1先增加后減小；掌子面向前推進至參考面前方3 m過程中，φ1增量較小，ω1突然減小，ζ1則不斷增加，σ3主要沿垂直巷道軸線的豎直平面內旋轉；掌子面繼續推進，σ3方向旋轉趨于穩定，最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成90°、87°、177°夾角。對臺階法開挖，由圖10（b）可知，上臺階開挖通過參考面，至參考面前方5 m過程中，φ2急劇增加隨后保持不變，ω2不斷升高后降低，ζ2整體保持不斷升高趨勢；下臺階開挖通過參考面，至參考面前方5 m過程中，φ2幾乎保持不變，ω2緩慢升高隨后不斷降低，ζ2緩慢降低后不斷增加；下臺階繼續開挖，φ2、ω2、ζ2趨于穩定，σ3方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成90°、88°、178°夾角。與初始狀態相比，2種開挖方法下σ1由最初的平行巷道軸線方向旋轉成垂直巷道軸線的水平方向；σ3由最初的垂直巷道軸線旋轉成豎直方向。

3.1.3 參考面拱頂監測點

從主應力大小的變化來看，由圖11（a）與圖11（b）可知曲線形態基本一致，對于拱頂監測點B，從圖11（a）可知：全斷面開挖，掌子面距參考面15 m推進至距參考面5 m過程中，σ1和σ3增量較小；掌子面繼續向前推進至距參考面2 m過程中，σ1不斷增大至峰值30.1 MPa，σ3則不斷降低；掌子面從距參考面2 m推進至參考面前方1 m過程中，σ1急劇減小，σ1和σ3分別降至1.3 MPa和0.2 MPa；繼續向前推進至參考面前方5 m過程中，σ1緩慢增加至2.9 MPa，σ3增量較小；掌子面推進至參考面前方5 m后，各主應力大小趨于穩定。臺階法開挖：上臺階推進并通過參考面過程中，σ1不斷升高至峰值32.4 MPa隨后迅速降低，σ3不斷降低至0.1 MPa；上臺階推進距參考面前方3 m后，σ1和σ3幾乎保持不變。2種開挖方法對拱頂的應力大小影響規律基本相同。

從主應力方向的變化來看，對于最小主應力σ1，由圖12（a）與圖12（b）可知曲線形態基本一致。對于全斷面開挖，由圖（a）可知，掌子面推進至距參考面1 m過程中，α1幾乎不變，β1、γ1持續增加，σ1的方向主要在沿平行于巷道軸線的豎直平面內旋轉；掌子面繼續推進至參考面前方5 m過程中，α1持續增加，β1則先降低隨后繼續增加，γ1開始減小；繼續向前推進，α1、β1、γ1保持不變，σ1方向與X、Y、Z軸分別成162°、78°、103°夾角。對于臺階法開挖，由圖（b）可知，σ1方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成166°、83°、102°夾角，下臺階的開挖對拱頂測點最大主應力方向幾乎沒有影響。

對于最小主應力σ3，從圖13（a）與圖13（b）可知曲線形態基本一致。對于全斷面開挖，從圖（a）可知，掌子面從距參考面11 m推進至距參考面1 m過程中，φ1、ω1不斷增加，ζ1先升高后降低；繼續向前推進至參考面前5 m過程中，φ1先升高后降低，ω1不斷降低，ζ1不斷升高；繼續向前推近，σ3方向旋轉趨于穩定，最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成102°、85°、167°夾角。對于臺階法開挖，由圖（b）可知，σ3方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成102°、83°、167°夾角，下臺階的開挖對拱頂測點最小主應力方向幾乎沒有影響。2種開挖方式都表明σ1由最初的平行巷道軸線方向旋轉成近似垂直巷道軸線方向；σ3由最初的垂直巷道軸線方向旋轉成近似豎直方向。上臺階開挖對拱頂主應力旋轉角度的影響占主導，下臺階開挖對拱頂測點的應力旋轉不產生影響；開挖方法對拱頂應力角度變化不產生影響。

3.1.4 參考面拱肩監測點

從主應力的大小變化來看，由圖14（a）與圖14（b）可知曲線形態基本一致，對于拱肩監測點C，從圖14（a）可知：全斷面開挖，隨著巷道掌子面向前推進，圍巖應力狀態開始改變，掌子面從距參考面5 m推進至距參考面1 m過程中，σ1不斷增加至峰值28.3 MPa，σ3不斷降低；掌子面通過參考面（從距參考面1 m推進至參考面前方1 m）過程中，σ1和σ3大小不斷減小；繼續向前開挖，主應力大小趨于穩定；對于臺階法開挖，從圖（b）可知：上臺階開挖面推進至距參考面1 m過程中，σ1先緩慢減小隨后增加至峰值26.9 MPa，σ3不斷降低；上臺階開挖面通過參考面（從距參考面1 m推進至參考面前方3 m）過程中，σ1和σ3急劇減小后緩慢降低；繼續向前開挖，主應力大小趨于穩定；2種開挖方法對拱肩點的應力大小影響規律相同。

從主應力方向的變化來看，對于主應力σ1，由圖15（a）與圖15（b）可知曲線形態基本一致，對于全斷面開挖，由圖15（a）可知，掌子面推進至參考面過程中，α1變化幅度較小，β1、γ1持續增加后突然降低，σ1可近似看作沿平行巷道軸線的豎直平面內旋轉；掌子面推進通過參考面（推進至參考面前方1 m）過程中，α1迅速增加，旋轉幅度達到40°左右，β1、γ1不斷增大，β1旋轉幅度達到51°左右；掌子面繼續向前推進，α1、β1、γ1變化幅度較小，σ1方向旋轉趨于穩定，最終σ1方向與X、Y、Z軸分別成133°、85°、137°夾角。對于臺階法，由圖15（b）可知，σ1方向與X、Y、Z軸分別成133°、86°、136°夾角，下臺階的開挖對拱肩測點最大主應力方向幾乎沒有影響。對于最小主應力σ3，從圖16（a）與圖16（b）可知曲線形態基本一致。對于全斷面開挖，從圖16（a）可知，掌子面推進至距參考面1 m過程中，φ1、ω1、ζ1不斷增加；掌子面通過參考面推進至參考面前方5 m過程中，φ1、ω1不斷降低，ζ1先增大隨后緩慢減小；繼續向前推進，σ3方向旋轉趨于穩定，最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成43°、87°、133°夾角。對臺階法開挖，由圖16（b）可知，σ3方向最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成43°、88°、133°夾角，下臺階的開挖對拱肩測點最大主應力方向幾乎沒有影響。與初始狀態相比，2種開挖方式下σ1和σ3以一定的角度指向臨空面。上臺階開挖對拱肩主應力旋轉角度的影響占主導，下臺階開挖的對拱肩測點的應力旋轉不產生影響；開挖方法對拱肩應力角度變化不產生影響。

3.1.5 參考面邊墻監測點

對于邊墻監測點D，從主應力的大小變化來看，由圖17（a）可知：全斷面開挖，掌子面推進至參考面過程中，σ1先降低后增加接著產生回降，σ3緩慢增加后不斷減小，在參考面處迅速降低到2.9 MPa；掌子面通過參考面推進至參考面前方5 m過程中，σ1趨于穩定，σ3緩慢減小；繼續推進，主應力大小趨于穩定。對圖17（b），臺階法開挖，上臺階開挖面推進至距參考面前方1 m過程中，σ1先減小后增大接著也出現回降，σ3則持續降低至0.2 MPa；繼續推進，σ1和σ3增量較小；下臺階開挖面推進至參考面前方5 m后，主應力大小趨于穩定。

從主應力方向的變化來看，對于全斷面開挖σ1，由圖18（a）可知，掌子面推進至距參考面1 m過程中，α1、β1不斷增加，γ1增量較小，σ1可近似看作主要沿巷道軸線的水平面內旋轉；掌子面通過參考面過程中，α1、β1不斷減小，γ1不斷增加；掌子面繼續向前推進至參考面前方5 m過程中，α1緩慢降低，β1、γ1不斷增加；繼續推進，σ1方向旋轉趨于穩定，最終σ1方向與X、Y、Z軸分別成96°、85°、172°夾角。對于臺階法開挖，由圖18（b）可知，上臺階開挖面推進至距參考面1 m過程中，α2、β2不斷增大，γ2變化幅度較小；上臺階開挖面通過參考面推進至參考面前5 m過程中，α2不斷減小，β2和γ2迅速增大，β2變化幅度達64°，γ2變化幅度達79°；上臺階開挖面繼續推進，下臺階開挖面通過參考面至參考面前方5 m過程中，α2增量較小，β2和γ2不斷減小；繼續向前推進，α2基本保持不變，β2和γ2不斷增大，σ1方向與X、Y、Z軸分別成97°、79°、167°夾角。

對于最小主應力σ3，由圖19（a）可知，全斷面開挖，掌子面推進至距參考面1 m過程中，φ1、ω1不斷升高，ζ1增量較小，σ3可近似看作主要沿巷道軸線的水平面內旋轉；掌子面繼續推進通過參考面至參考面前方5 m過程中，φ1、ω1開始減小，ζ1不斷增加后緩慢降低；繼續推進，σ3方向旋轉趨于穩定，最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成6°、89°、96°夾角。對于臺階法開挖（圖19（b）），上臺階開挖面推進通過參考面至參考面前5 m過程中，φ2、ω2、ζ2先不斷增加后緩慢降低；上臺階繼續開挖，下臺階開挖面從距參考面5 m推進至參考面前方5 m過程中，φ2、ω2、ζ2變化幅度較小；繼續推進，φ2、ω2、ζ2保持不變，σ3最終旋轉至與X、Y、Z軸分別成7°、89°、97°夾角，與初始狀態相比φ1、φ2、ω1、ω2、ζ1、ζ2變化幅度較小。2種開挖方式都表明σ1方向由最初的平行于巷道軸線方向旋轉成近似豎直方向；σ3方向幾乎沒有改變，維持垂直巷道軸線方向。

3.1.6 參考面底腳監測點

對于底腳監測點E，從主應力的大小變化來看，由圖20（a）可知：對于全斷面開挖，掌子面推進距參考面5 m過程中，σ1不斷降低至24.8 MPa，σ3緩慢升高；在掌子面推進通過參考面至參考面前方5 m過程中，σ1開始增長到峰值29 MPa后急劇減小，σ3不斷降低；掌子面繼續推進，主應力大小趨于穩定。對于臺階法開挖（圖20（b）），上臺階開挖面推進至參考面前5 m過程中，σ1緩慢升高至峰值27 MPa隨后不斷降低，σ3不斷減小；上臺階繼續開挖，下臺階開挖面推進通過參考面（前方1 m）過程中，σ1急劇減小，σ3緩慢降低；繼續開挖，主應力大小趨于穩定。

從主應力方向的變化來看，對于全斷面開挖主應力σ1，由圖21（a）可知，掌子面推進至參考面過程中，α1變化幅度較小，β1、γ1不斷增加，σ1可近似看作沿垂直巷道軸線的豎直平面內旋轉；掌子面通過參考面（前方1 m）過程中，α1、β1、γ1變化幅度顯著，分別達34°、45°、15°左右；掌子面繼續向前推進，α1、β1、γ1變化幅度較小；掌子面推進至參考面前方5 m后，σ1方向旋轉趨于穩定，α1、β1、γ1分別為123°、86°、147°。對于臺階法開挖，從圖21（b）可知，上臺階開挖面通過參考面，推進至參考面前3 m過程中，α2增量較小，β2、γ2不斷增加后減小；上臺階開挖面繼續推進至參考面前5 m過程中，α2、β2、γ2迅速增大，變化幅度分別達37°、80°、47°左右；上臺階繼續向前開挖，下臺階開挖面從距參考面5 m推進至參考面過程中，α2和β2不斷降低，γ2變化幅度較小；下臺階開挖面繼續推進至參考面前方5 m過程中，α2和γ2增量較小，β2迅速增大；此后，主應力旋轉趨于穩定，α2、β2、γ2分別為123°、85°、147°。

對于σ3，從圖22（a）可知開挖面推進至距參考面1 m過程中，φ1、ω1、ζ1持續增加；當掌子面通過參考面推進至參考面前方5 m時，φ1、ω1、ζ1不斷降低；此后，σ3方向旋轉趨于穩定，σ3應力主軸旋轉至與X、Y、Z軸分別成33°、90°、123°夾角。從圖22（b）可知，臺階法開挖，上臺階開挖通過參考面至參考面前5 m過程中，φ2、ω2、ζ2先增大后減小；上臺階繼續開挖，下臺階開挖面從距參考面5 m推進至參考面前5 m過程中，ω2先增大后降低，φ2、ζ2不斷減小；此后，φ2、ω2、ζ2幾乎保持不變，主應力旋轉趨于穩定，σ3應力主軸旋轉至與X、Y、Z軸分別成33°、92°、123°夾角。與初始狀態相比，2種開挖方式下σ1和σ3以一定的角度指向臨空面。

3.2 圍巖塑性區

應力方向的變化（應力主軸的旋轉）是由剪切應力引起的，隨著巷道開挖的進行，剪應力逐漸出現。結合圖23不同開挖方法下巷道圍巖塑性區分布情況可知：對于全斷面法，巷道底板、拱頂、邊墻圍巖形成以剪切、張拉破壞為主的破壞區；在拱肩和底腳形成以剪切破壞為主的剪應力集中區域。對于臺階法，與全斷面法不同的是由于上部臺階首先開挖，拱頂位置處的塑性區體積變小，主要是形成剪切、張拉破壞的破壞區；下部臺階開挖滯后，巷道底板和邊墻位置處塑性區體積明顯偏小，對于底板主要是形成以剪切破壞為主的破壞區，對于邊墻主要是形成剪切、張拉破壞的破壞區；對于拱肩和底腳圍巖的破壞形式同全斷面法一致，形成以剪切破壞為主的剪應力集中區域。

4 結 論

以某礦區巷道為研究實例，分析了不同開挖過程中圍巖應力的變化，包括圍巖的應力大小和方向，根據數值模擬結果，分析了圍巖開挖應力路徑演化特征，更準確地反映了圍巖應力中最大、最小主應力的演化過程。得出如下結論：

（1）巷道拱頂最大主應力值變化較大，最小主應力值變化最大的是巷道邊墻。巷道軸心、巷道底板、巷道拱肩、巷道底腳的應力大小變化介于這些值之間。

（2）對于參考面軸心監測點，全斷面法開挖時最小主應力旋轉成平行巷道軸線方向，受下臺階的影響，臺階法開挖最小主應力最終旋轉成豎直方向；對于邊墻、拱肩、拱頂、底板、底腳等其他關鍵監測點，最終的應力狀態相差不大，但應力演化路徑相差顯著，破壞機理也不同，會影響最終破壞損傷區分布。

（3）隨著巷道開挖，主應力大小和方向會不斷發生變化；應力方向的變化滯后于應力大小，即在應力方向發生劇烈變化之前，巖石內部發生了一定程度的損傷。

（4）對于全斷面開挖來說，巷道周邊關鍵點位應力方向受影響范圍約為開挖面距參考面前后1倍巷道寬度的距離；對于臺階法開挖，由于分步開挖監測點應力方向受上、下開挖面的影響，受影響的范圍更大，過程更長。

（5）與全斷面法開挖相比，下部臺階開挖滯后，巷道底板和邊墻位置處塑性區體積明顯偏小，下臺階對底板圍巖具有一定的保護作用。