《Water》：Failure Mechanism and Key Support Techniques for Large-Span Junctions Influenced by Water Seepage in Interbedded Strata: A Case Study
编辑推荐：
随着矿产资源开采强度的增加，含水层附近大断面交岔巷道地下水涌入日益普遍。巷道开挖与采矿扰动可能诱发裂隙沟通含水层及一系列相关不良水文地质效应，对此类开挖的围岩稳定性控制提出严峻挑战。砂泥岩互层软弱含水地层中的大跨度巷道交岔口频繁发生严重失稳，给巷道支护设计带来
随着矿产资源开采强度的增加，含水层附近大断面交岔巷道地下水涌入日益普遍。巷道开挖与采矿扰动可能诱发裂隙沟通含水层及一系列相关不良水文地质效应，对此类开挖的围岩稳定性控制提出严峻挑战。砂泥岩互层软弱含水地层中的大跨度巷道交岔口频繁发生严重失稳，给巷道支护设计带来巨大挑战。研究人员以新疆某矿井典型大断面交岔巷道为研究对象，通过现场调研、数值模拟与现场试验开展系统研究。结果表明，开挖扰动破坏了砂泥岩互层的原生隔水结构。砂岩孔隙水迁移引发的泥岩强度劣化被证实为围岩失稳的核心原因。围岩变形随泥岩含水量升高快速增加，当含水量接近饱和时呈现明显突变特征。研究人员提出了以防水为核心的协同支护策略，设置针对性排水、高可靠性分区支护及支护构件防腐措施作为配套手段。该策略在现场工业性试验中表现良好，集成了防水措施、防水锚固剂、锚索注浆及高性能锚网索喷支护。可有效控制围岩变形并取得良好应用效果。所提支护系统亦适用于类似地质条件的金属与非金属矿山巷道工程。
研究背景方面，新疆作为我国重要矿产基地，开采向深部及复杂地质条件延伸，地下巷道网络关键节点的大跨度交岔口，尤其在含水软弱互层岩体中，成为深复杂条件下安全高效开采的制约难题。均质软岩相比，互层软岩因相邻地层力学不相容呈现更复杂变形特征。含水软弱互层通常由砂岩泥岩交替组成，结构复杂，采动扰动下隔水层破坏，砂岩孔隙水迁移渗流，泥岩遇水软化膨胀，岩体质量显著恶化，大跨度交岔口易发生顶沉、帮鼓、底臌及支护失效整体失稳。现有研究多聚焦常规单一巷道采动应力演化与监测，未充分考虑开挖扰动应力场与渗流场耦合下含水弱互层围岩应力劣化规律，缺乏大断面交岔口开挖扰动下结构不连续面演化为导水通道诱发围岩渐进劣化机制的系统性阐释，且现有常规巷道支护理论未考虑交岔区多因素叠加效应，在多因素耦合条件下的适用性缺乏验证。为此，研究人员采用理论分析、数值模拟与现场试验结合，揭示含水砂泥岩互层大跨度交岔口水致失稳机制，提出集成防水、加固、防腐的协同支护方案，为类似工程提供技术支持与理论参考，该论文发表于《Water》。
研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：以新疆乌恰县某沉积喷流沉积（SEDEX）热液改造型铅锌矿为工程依托，开展现场地质调查与变形监测获取失稳特征；通过室内标准岩芯单轴压缩、巴西劈裂及常规三轴压缩试验获取岩石力学参数，采用地质强度指标（GSI）法与Hoek–Brown强度准则折算等效岩体参数并结合岩体完整性系数（Kv）修正弹性模量；利用FLAC3D建立150 m × 120 m × 50 m数值模型，采用摩尔–库仑（Mohr–Coulomb）弹塑性本构模拟不同含水量下过渡软化层及锚杆锚索结构单元与原支护等效交互；在新建交岔口实施集成防水与锚网索喷协同支护现场工业性试验，布设表面位移监测点获取围岩收敛数据。
研究结果部分保留小标题说明如下：
3. Weakening Mechanism of Surrounding Rock at Water-Bearing Soft Rock Bifurcation Points
研究人员通过数值模型设置，将岩石力学试验参数经GSI与Hoek–Brown准则转换为等效岩体摩尔–库仑参数，在模型中设置地层过渡带软化层并赋予不同含水量后弱化参数，以电缆结构单元模拟锚杆锚索、表层参数强化等效模拟喷砼。结果显示，交岔点各截面围岩位移随含水量升高显著增加，最大变形位于跨度最大的B截面，含水量5.66%时顶底收敛达192 mm，两帮收敛176 mm。干条件下变形稳定，含水2%时顶底收敛增40.2%，含水4%增速放缓，近饱和时因孔隙水压力剧增导致泥岩粘聚力大幅下降、粘土化与结构崩解加速，顶底与两帮变形突增，证实围岩具显著非线性强度劣化特征。
4. Integrated Control Technology and Mechanism for Surrounding Rock at Intersections in Water-Rich Soft Rock Strata
研究人员提出合理排水防水措施，交岔区设坡形排水沟与搭接塑料U型槽减少水冲刷浸泡帮脚，采用防水锚固剂维持锚网稳定性，实施锚索注浆防冲刷腐蚀。在此基础上设计高性能分区锚网喷支护系统，A段与C段采用Φ22.00 × 2200 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆间排距1000 × 1000 mm，拱部Φ15.24 × 6800 mm锚索间排距1250 × 2000 mm，帮部Φ15.24 × 3400 mm锚索间排距1000 × 2000 mm；B段缩小锚索排距至1000 mm并沿周向布高强度钢筋梯梁与宽280 mm高强度W型钢带；D段增设W型钢带连接顶帮锚索并采用多层砼喷弧支护。全段锚杆预紧力不低于260 N·m、抗拔力120 kN，拱部锚索预紧120 kN、帮部100 kN，喷层厚100 mm强度等级C20。研究人员进一步提出多层砼喷弧支护技术，形成多层喷砼与锚固浅部围岩复合梁结构，通过力学模型推导复合梁最大弯矩与喷层允许压应力关系，表明σp随巷道跨度增加非线性减小且减速加快，为大跨度深软岩巷道支护设计提供理论依据。数值模拟对比无支护、素喷、锚网喷及锚网索喷方案显示，锚网索喷综合支护下D段顶底与两帮位移显著降低，拱与两帮塑性区分别缩减至0.80 m与0.70 m，最大主应力由受拉转为受压并持续减小，控制效果最优。
5. Field Industrial Test
研究人员在新建交岔口最大跨度处实施上述防水与锚网索喷联合支护并布设表面位移监测。初期7天内两帮与顶底累计收敛分别达37.5 mm与31.5 mm，对应开挖后应力重分布与裂隙扩展；8至40天变形速率迅速下降，两帮收敛速率由12 mm/d降至0.8 mm/d，最终两帮与顶底收敛速率稳定在0.1 mm/d，总收敛量分别为70 mm与79 mm，表明联合支护有效控制富水软岩交岔口围岩变形并维持稳定。
总结讨论部分，研究人员指出：
（1）泥岩含水量增加使顶底与两帮位移快速增长，近饱和含水量时呈现突变特征。
（2）含水弱互层大断面交岔口支护应以防水为核心，合理排水防浸泡冲刷，增强支护系统强度稳定性，采取钢构件表面涂层、耐腐蚀选材、喷砼封闭及定期防腐检查等针对性防腐措施减缓腐蚀。
（3）现场试验证实集成防水措施、防水锚固剂、锚索注浆与高性能锚网索喷支护可有效控制含水软互层大断面交岔口围岩变形，现场应用效果良好。
（4）软岩巷道围岩控制应采用锚梁（带）网索、钢拱架及锚注加固等组合体系提升整体承载力，加强施工质量控制检查，开挖阶段优化巷道断面减应力集中，服务阶段有效排水管理减水致劣化延寿命。该支护系统适用于砂泥岩互层及持续地下水影响的深大断面交岔口，可推广至类似地质条件金属非金属矿山巷道。
研究结论部分原文翻译为：
（1）随着泥岩含水量增加，顶底与两帮位移快速增长。尤其当含水量接近饱和含水量时，顶底与两帮移动急剧增加，呈现突变特征。
（2）含水弱互层岩体大断面交岔口支护应侧重防水，布置合理排水防止围岩水浸冲刷，同时增强支护系统强度与稳定性，采取包括钢构件表面涂层、耐腐蚀材料选用、喷砼封闭及定期腐蚀检查在内的针对性防腐措施以减缓支护材料腐蚀速率。
（3）现场工业性试验表明，集成防水处理与锚网索喷支护的联合支护技术可有效控制富水软岩交岔口变形，维持交岔口围岩稳定。
（4）软岩巷道围岩控制应采用锚梁（带）网索支护、钢拱架支护及锚注加固等组合体系以提升围岩整体承载力，同时加强施工质量控制与检查确保支护系统有效性。开挖阶段应优化巷道轮廓减应力集中并提高围岩自稳性；服务阶段实施有效排水管理及时排除积水，从而减轻软岩水致劣化并延长巷道服役寿命。所提支护系统适用于具砂泥岩互层与持续地下水影响的深大断面巷道交岔口，可推广至具可比地质条件的金属与非金属矿山巷道工程。
