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【摘 要】随着计算机技术和现代检测技术的快速发展，在巷道、硐室围岩稳定性的预测和破坏机理及其过程的损伤诊断中出现了一些智能的、动态的测试方法，如用电磁辐射、超声波、声发射和地质雷达等，使我们有可能直接测得矿山压力的变化规律这一围岩稳定的关键因素。依据围岩稳定性研究与实践知识，在基于锚杆无损检测的基础上，提出了判定和预测群锚结构围岩稳定性的一种新的方法：通过无损检测得到锚杆组群的工作荷载实时的对围岩稳定性作出评价。
【关键词】锚杆；无损检测；锚固力；工作载荷；围岩稳定性；
0引言
对巷道、硐室围岩稳定性的研究与研究地面建筑稳定性相似，地面建筑的稳定性有其自身结构的稳定性和外部荷载决定，所以围岩的稳定性也取决于两个方面：一方面是围岩所受应力状态，即其所承载的载荷；另一方面是围岩本身的结构特点和力学特性，即其自身稳定性。所以围岩的失稳就是其所受应力超过了围岩本身的强度范围，而形成一个连续的贯通区及滑动面，导致围岩变形、破坏、失稳。因此，围岩稳定性研究发展的过程也就是围岩应力理论研究发展的过程。
随着工程技术的发展，人类需求的增加，巷道及其他地下工程的开挖也向深部发展，逐渐发现古典压力理论不能正确解释实际工程中的情况。根据当时的支护形式和施工水平，应力理论逐步发展形成了散体压力理论，该理论认为支护结构所承受的矿山压力不是其上覆岩层的重量，而是巷道围岩松动破坏，形成坍落拱内的岩体的重量。当时太沙基和曾氏理论被大家所接受。他们都认为坍落拱的高度与巷道、硐室的跨度及围岩的性质有关。但是，前者认为坍落拱形状是矩形，后者认为坍落拱形状是抛物线形。
“围岩松动、坍落能够自行稳定，自行稳定后的围岩又具有自承能力”是巷道围岩经常发生的一种现象。《轴变论》从理论上论证了该现象的发生、发展过程。该理论认为：巷道围岩坍落又能自行稳定的现象可以用弹性理论进行分析解释，因为围岩应力超过了岩休的强度极限使围岩受到破坏，围岩坍落改变了巷道的轴比，使岩体应力重新分布，而应力重分布导致岩体中高应力下降，低应力上升，并且向拉力和应力均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的巷道轴比使巷道围岩处于最稳定状态，此时巷道形状是椭圆形。
上世纪六十年代，考虑到支护与围岩共同作用的弹塑性理论解和围岩节理、裂隙的计算解。利用共同作用的理论来分析解决实际工程问题，要把围岩和支护的共同变形与支护上的作用力（围岩压力）、支护刚度、支护时间等关系正确的联系起来，就必须依据原岩体应力为前提条件，进行理论分析。但是由于计算所需要的岩石力学参数准确确定比较困难、不能正确估计支护前围岩的变形量、不能全面解释围岩破坏的机理，并且没有判断围岩破坏、失稳的准则等。所以，通过共同作用理论计算得到的结果，对巷道设计只能作为一般的参考。这种方法主要是在工程地质的基础上，根据极限平衡理论研究岩块的形状和大小及其坍落条件来分析围岩稳定条件的方法。
时至今日，围压理论已经有了很大的发展，但各种理论任然处在验证和发展之中，随着围压理论的发展，也出现了许多围岩稳定判断的方法，但是以据经验的工程类比的方法和现场实测方法还占有重要的地位。不管用什么方法判断围岩的稳定性，仅仅采用一种理论，用一种方法预测和判断各种不同目的和不同地质条件下的地下工程围岩稳定是不现实、不可靠的[5]。
1锚杆无损检测原理
1.1 锚固长度
根据波阻抗定义，固结段的上界面可认为波阻抗增大，固结段的下界面可认为波阻抗减小。应力波到达固结段的上、下界面发生的反射，分别称之为固端反射与底端反射。经过分析，固端反射信号与首波信号相位相反，而底端反射信号于首波信号相位相同。如果已知锚杆的长度，并在波动曲线上，分别识别出首波信号、固端反射信号与底端反射信号，读出固端反射时间与底端反射时间t，并预先测出自由锚杆内的弹性应力波速，那么就可以计算锚杆的自由段长度，锚固段长度与固结波速 [1]。
； （1）
1.2 锚杆工作荷载
表锚杆在支承状态下的工作荷载是锚杆支护设计实际使用过程中的重要参数。理论研究表明：端锚锚杆的工作荷载与其在端头激振状态下自振频率显著相关。锚杆的工作载荷（F）与其在激发载荷作用下系统的振动频率（基频）呈幂函数关系[1]。即有：
（2）
式中：L为锚杆的长度 ；f为锚杆的振动频率； 为锚杆体中的纵波传播速度；E为锚杆弹性模量；A为锚杆的横截面积。
这样就可在同类围岩及支护结构条件下，通过现场拉拔、动测标定得出相应载荷—基频关系的标定曲线，进而通过实测响应曲线的傅里叶变换求得其基频，进而确定其他锚杆的工作载荷。
2 锚杆与围岩的相互作用[5]
锚杆锚固作用通过径向锚固力能改变围岩的受力状态，即将围岩由单向或双向受力状态转化为三向应力状态，从而改善了围岩受力状态，提高了围岩的稳定性，起到了支护作用；切向锚固力提高了弱面的力学性质，增加围岩的强度，起到了加固作用，所以锚杆是支护和加固两种作用的完美结合。
（1）锚杆支护对围岩稳定的控制作用
锚杆作为插入巷道围岩内部的一种隐蔽支护方式，它不但可以给巷道表面的围岩通过托盘施加托锚力，对巷道围岩起到支护作用，而且还可以给锚杆锚固范围内的岩体施加约束力，阻止巷道围岩的变形，被锚杆锚固岩体的强度也得到了提高，此时，锚杆起到加固巷道围岩作用。锚杆支护的技术优势能够使巷道的围岩产生较小的变形时，就可以为围岩提供较大的约束力即锚固力，锚固力能够使巷道在开挖后处于临界状态的围岩迅速调整到稳定的状态，从而获得较高的自承载能力，快速、有效的控制围岩的变形。由于锚杆对巷道围岩提供的支护强度比围岩自身的极限强度低的多（一般围岩强度为锚杆支护强度的100倍以上），所以，锚杆对围岩变形控制的作用十分明显，在软弱破碎围岩条件下更为明显。 （2）围岩性质对锚杆的力学特性的影响
围岩的力学特性往往决定了锚杆的实际工作性能，尤其是软弱破碎围岩的力学特性对锚杆的力学特性影响更为显著。相同的锚杆、锚固剂以及锚固长度，围岩力学特性的不同，锚杆所承受的拉拔力也不相同，围岩硬度越低、岩体越破碎，锚杆所能承受的拉拔力就越小，反之，就越大。围岩峰后发生剪胀变形的过程对锚固力的产生与发展趋势有明显的影响，在围岩剪胀变形的过程中，应变软化特性是巷道锚杆支护所特有的力学特性。在软弱破碎的围岩条件下，围岩的力学性质对锚杆的力学特性影响显著。
图1是锚杆与围岩相互作用曲线，曲线1是无支护巷道的围岩压力和位移关系曲线；曲线2是由于锚杆切向锚固力的作用，加固围岩后的围岩压力与位移关系曲线；曲线3是锚杆的径向锚固力与围岩位移关系曲线；曲线4是径向锚固力丧失后，仅切向锚固力作用时的围岩压力与位移关系曲线；U1是锚杆安设前围岩变形量；B是锚固围岩的平衡点；S是围岩松动的坍塌点；Pr是围岩压力；P是支护阻力；U是围岩变形量；P是原岩内力。锚杆的支护和加固作用分别通过曲线2、3表达。2是切向锚固力的作用曲线，切向锚固力对围岩性质的加固作用只有在围岩受载变形时出现。3是径向锚固力的作用曲线，它随着围岩变形而逐渐增大，最终与曲线2相交于B点，这时锚固围岩达到平衡。如果径向锚固力未到B点就丧失，那么曲线2就转变为曲线1，围岩可能在S点失稳或在C点稳定。曲线l与曲线2在A点分离，在A点前未安设锚杆，A点后锚杆的切向锚固力随围岩变形而逐渐发挥作用。
图1 锚杆与围岩相互作用曲线
Fig. 1 bolt and rock interaction curve
围岩的力学特性决定了巷道锚杆与围岩的相互作用关系。锚杆改变围岩的力学特性，提高了围岩的自承能力，减少围岩的变形，维持了巷道围岩的稳定，锚杆对巷道围岩控制作用显著；反之，围岩的力学特性也影响着锚杆的力学特性。所以，锚杆与围岩是一种相互作用，相互影响、相互制约的关系，可以通过锚杆的受力情况，判断围岩稳定状态。
3 结论
通过锚杆组群动态无损检测得到锚杆的工作荷载，进而对锚杆支护的巷道或硐室围岩的稳定性作出评估的一种新的方法。这种方法需要在要测试的巷道或硐室内选择一定的区域，对该区域的锚杆进行逐一检测出锚杆的工作荷载，如果所测的所有锚杆的工作荷载都在锚杆设计荷载的范围之内，就认为该巷道的围岩是稳定的；如果在测试的所有锚杆之中有个别的锚杆的工作荷载接近或者大于其设计荷载的范围，由弹性转为塑性变形，并且其它的锚杆的工作荷载有逐渐增大的趋势，那么就认为巷道的围岩有失稳的趋势和潜在的危险；如果所测试区域大部分的锚杆的工作荷载都接近或超过其设计的荷载的范围，那么就认为该巷道或硐室面临失稳的危险，具体判断标准还需要在以后的工作、实验中得到逐步完善。
参考文献：
[1] 李义，刘海峰，王富春. 锚杆锚固状态参数无损检测及其应用[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（10）：1741-1744.
[2] 李义，高国付，赵阳升. 基于特征锚杆工作载荷无损检测的巷道围岩稳定性评估初步研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（S2），4893-4897.
[3]刘传孝等.巷道围岩稳定性预测与控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1999.
[4] 李义，刘海峰，孙仁元. 反射波法检测锚杆锚固质量的几个问题研究[A].第六次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].武汉：中国科学技术出版社，2000.10，813-817.
[5]于学馥，郑颖人等.地下工程围岩稳定分析[M].北京：煤炭工业出版社. 1980.
【关键词】锚杆；无损检测；锚固力；工作载荷；围岩稳定性；
0引言
对巷道、硐室围岩稳定性的研究与研究地面建筑稳定性相似，地面建筑的稳定性有其自身结构的稳定性和外部荷载决定，所以围岩的稳定性也取决于两个方面：一方面是围岩所受应力状态，即其所承载的载荷；另一方面是围岩本身的结构特点和力学特性，即其自身稳定性。所以围岩的失稳就是其所受应力超过了围岩本身的强度范围，而形成一个连续的贯通区及滑动面，导致围岩变形、破坏、失稳。因此，围岩稳定性研究发展的过程也就是围岩应力理论研究发展的过程。
随着工程技术的发展，人类需求的增加，巷道及其他地下工程的开挖也向深部发展，逐渐发现古典压力理论不能正确解释实际工程中的情况。根据当时的支护形式和施工水平，应力理论逐步发展形成了散体压力理论，该理论认为支护结构所承受的矿山压力不是其上覆岩层的重量，而是巷道围岩松动破坏，形成坍落拱内的岩体的重量。当时太沙基和曾氏理论被大家所接受。他们都认为坍落拱的高度与巷道、硐室的跨度及围岩的性质有关。但是，前者认为坍落拱形状是矩形，后者认为坍落拱形状是抛物线形。
“围岩松动、坍落能够自行稳定，自行稳定后的围岩又具有自承能力”是巷道围岩经常发生的一种现象。《轴变论》从理论上论证了该现象的发生、发展过程。该理论认为：巷道围岩坍落又能自行稳定的现象可以用弹性理论进行分析解释，因为围岩应力超过了岩休的强度极限使围岩受到破坏，围岩坍落改变了巷道的轴比，使岩体应力重新分布，而应力重分布导致岩体中高应力下降，低应力上升，并且向拉力和应力均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的巷道轴比使巷道围岩处于最稳定状态，此时巷道形状是椭圆形。
上世纪六十年代，考虑到支护与围岩共同作用的弹塑性理论解和围岩节理、裂隙的计算解。利用共同作用的理论来分析解决实际工程问题，要把围岩和支护的共同变形与支护上的作用力（围岩压力）、支护刚度、支护时间等关系正确的联系起来，就必须依据原岩体应力为前提条件，进行理论分析。但是由于计算所需要的岩石力学参数准确确定比较困难、不能正确估计支护前围岩的变形量、不能全面解释围岩破坏的机理，并且没有判断围岩破坏、失稳的准则等。所以，通过共同作用理论计算得到的结果，对巷道设计只能作为一般的参考。这种方法主要是在工程地质的基础上，根据极限平衡理论研究岩块的形状和大小及其坍落条件来分析围岩稳定条件的方法。
时至今日，围压理论已经有了很大的发展，但各种理论任然处在验证和发展之中，随着围压理论的发展，也出现了许多围岩稳定判断的方法，但是以据经验的工程类比的方法和现场实测方法还占有重要的地位。不管用什么方法判断围岩的稳定性，仅仅采用一种理论，用一种方法预测和判断各种不同目的和不同地质条件下的地下工程围岩稳定是不现实、不可靠的[5]。
1锚杆无损检测原理
1.1 锚固长度
根据波阻抗定义，固结段的上界面可认为波阻抗增大，固结段的下界面可认为波阻抗减小。应力波到达固结段的上、下界面发生的反射，分别称之为固端反射与底端反射。经过分析，固端反射信号与首波信号相位相反，而底端反射信号于首波信号相位相同。如果已知锚杆的长度，并在波动曲线上，分别识别出首波信号、固端反射信号与底端反射信号，读出固端反射时间与底端反射时间t，并预先测出自由锚杆内的弹性应力波速，那么就可以计算锚杆的自由段长度，锚固段长度与固结波速 [1]。
； （1）
1.2 锚杆工作荷载
表锚杆在支承状态下的工作荷载是锚杆支护设计实际使用过程中的重要参数。理论研究表明：端锚锚杆的工作荷载与其在端头激振状态下自振频率显著相关。锚杆的工作载荷（F）与其在激发载荷作用下系统的振动频率（基频）呈幂函数关系[1]。即有：
（2）
式中：L为锚杆的长度 ；f为锚杆的振动频率； 为锚杆体中的纵波传播速度；E为锚杆弹性模量；A为锚杆的横截面积。
这样就可在同类围岩及支护结构条件下，通过现场拉拔、动测标定得出相应载荷—基频关系的标定曲线，进而通过实测响应曲线的傅里叶变换求得其基频，进而确定其他锚杆的工作载荷。
2 锚杆与围岩的相互作用[5]
锚杆锚固作用通过径向锚固力能改变围岩的受力状态，即将围岩由单向或双向受力状态转化为三向应力状态，从而改善了围岩受力状态，提高了围岩的稳定性，起到了支护作用；切向锚固力提高了弱面的力学性质，增加围岩的强度，起到了加固作用，所以锚杆是支护和加固两种作用的完美结合。
（1）锚杆支护对围岩稳定的控制作用
锚杆作为插入巷道围岩内部的一种隐蔽支护方式，它不但可以给巷道表面的围岩通过托盘施加托锚力，对巷道围岩起到支护作用，而且还可以给锚杆锚固范围内的岩体施加约束力，阻止巷道围岩的变形，被锚杆锚固岩体的强度也得到了提高，此时，锚杆起到加固巷道围岩作用。锚杆支护的技术优势能够使巷道的围岩产生较小的变形时，就可以为围岩提供较大的约束力即锚固力，锚固力能够使巷道在开挖后处于临界状态的围岩迅速调整到稳定的状态，从而获得较高的自承载能力，快速、有效的控制围岩的变形。由于锚杆对巷道围岩提供的支护强度比围岩自身的极限强度低的多（一般围岩强度为锚杆支护强度的100倍以上），所以，锚杆对围岩变形控制的作用十分明显，在软弱破碎围岩条件下更为明显。 （2）围岩性质对锚杆的力学特性的影响
围岩的力学特性往往决定了锚杆的实际工作性能，尤其是软弱破碎围岩的力学特性对锚杆的力学特性影响更为显著。相同的锚杆、锚固剂以及锚固长度，围岩力学特性的不同，锚杆所承受的拉拔力也不相同，围岩硬度越低、岩体越破碎，锚杆所能承受的拉拔力就越小，反之，就越大。围岩峰后发生剪胀变形的过程对锚固力的产生与发展趋势有明显的影响，在围岩剪胀变形的过程中，应变软化特性是巷道锚杆支护所特有的力学特性。在软弱破碎的围岩条件下，围岩的力学性质对锚杆的力学特性影响显著。
图1是锚杆与围岩相互作用曲线，曲线1是无支护巷道的围岩压力和位移关系曲线；曲线2是由于锚杆切向锚固力的作用，加固围岩后的围岩压力与位移关系曲线；曲线3是锚杆的径向锚固力与围岩位移关系曲线；曲线4是径向锚固力丧失后，仅切向锚固力作用时的围岩压力与位移关系曲线；U1是锚杆安设前围岩变形量；B是锚固围岩的平衡点；S是围岩松动的坍塌点；Pr是围岩压力；P是支护阻力；U是围岩变形量；P是原岩内力。锚杆的支护和加固作用分别通过曲线2、3表达。2是切向锚固力的作用曲线，切向锚固力对围岩性质的加固作用只有在围岩受载变形时出现。3是径向锚固力的作用曲线，它随着围岩变形而逐渐增大，最终与曲线2相交于B点，这时锚固围岩达到平衡。如果径向锚固力未到B点就丧失，那么曲线2就转变为曲线1，围岩可能在S点失稳或在C点稳定。曲线l与曲线2在A点分离，在A点前未安设锚杆，A点后锚杆的切向锚固力随围岩变形而逐渐发挥作用。
图1 锚杆与围岩相互作用曲线
Fig. 1 bolt and rock interaction curve
围岩的力学特性决定了巷道锚杆与围岩的相互作用关系。锚杆改变围岩的力学特性，提高了围岩的自承能力，减少围岩的变形，维持了巷道围岩的稳定，锚杆对巷道围岩控制作用显著；反之，围岩的力学特性也影响着锚杆的力学特性。所以，锚杆与围岩是一种相互作用，相互影响、相互制约的关系，可以通过锚杆的受力情况，判断围岩稳定状态。
3 结论
通过锚杆组群动态无损检测得到锚杆的工作荷载，进而对锚杆支护的巷道或硐室围岩的稳定性作出评估的一种新的方法。这种方法需要在要测试的巷道或硐室内选择一定的区域，对该区域的锚杆进行逐一检测出锚杆的工作荷载，如果所测的所有锚杆的工作荷载都在锚杆设计荷载的范围之内，就认为该巷道的围岩是稳定的；如果在测试的所有锚杆之中有个别的锚杆的工作荷载接近或者大于其设计荷载的范围，由弹性转为塑性变形，并且其它的锚杆的工作荷载有逐渐增大的趋势，那么就认为巷道的围岩有失稳的趋势和潜在的危险；如果所测试区域大部分的锚杆的工作荷载都接近或超过其设计的荷载的范围，那么就认为该巷道或硐室面临失稳的危险，具体判断标准还需要在以后的工作、实验中得到逐步完善。
参考文献：
[1] 李义，刘海峰，王富春. 锚杆锚固状态参数无损检测及其应用[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（10）：1741-1744.
[2] 李义，高国付，赵阳升. 基于特征锚杆工作载荷无损检测的巷道围岩稳定性评估初步研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（S2），4893-4897.
[3]刘传孝等.巷道围岩稳定性预测与控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1999.
[4] 李义，刘海峰，孙仁元. 反射波法检测锚杆锚固质量的几个问题研究[A].第六次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].武汉：中国科学技术出版社，2000.10，813-817.
[5]于学馥，郑颖人等.地下工程围岩稳定分析[M].北京：煤炭工业出版社. 1980.