強度應力比在軟質巖圍巖分類中的應用

摘要：結合某水電站地下廠房工程實例，通過現(xiàn)場地質調查，分析廠房區(qū)擠壓性圍巖大變形破壞機理，定性的闡述強度應力比與圍巖變形狀態(tài)對應關系。參考類似隧道的經(jīng)驗把這一關系數(shù)量化，在此基礎上，對水電圍巖分類HC法的強度應力比降級進行修正，并運用它對地下廠房的軟巖大變形程度進行預測。

關鍵詞：擠壓性圍巖；變形破壞機理；強度應力比；圍巖分類

中圖分類號：TD311文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0018-05

基金項目：國家自然科學基金項目資助（50874124；10772205）

作者簡介：劉通（1989-），男，四川廣安人，學士，助理工程師，主要從事礦山安全生產(chǎn)方面的研究與管理工作。

隧道（隧洞）作為地下洞室的重要組成部分，隨著地下空間的開發(fā)利用和工程技術的不斷提高完善，隧道規(guī)模由原先的數(shù)量少、長度短、小斷面、淺埋深，逐漸向“多、長、大、深”發(fā)展[1]，成洞對象由選擇硬質巖巖體到相對較軟的軟質巖。高地應力作用下的軟弱圍巖擠壓大變形現(xiàn)象變得越來越突出，成為類似巖爆、坍塌的主要圍巖變形破壞類型。分析擠壓性圍巖大變形破壞過程，合理的評價地應力對圍巖穩(wěn)定性影響對隧道圍巖的正確分類有重要的意義。

圍巖分類方法多采用強度應力比來描述應力對圍巖穩(wěn)定性的影響，如水電圍巖分類HC法、以圍巖強度應力比為限定判據(jù)，來控制各類圍巖的變形破壞特性；Q系統(tǒng)引用σ c/σ 1、σ θ/σ c判別應力折減系數(shù)的大小。本文結合某水電站廠房平硐實例，結合理論計算，并參考以往類似隧道經(jīng)驗，分析了擠壓性圍巖隧道大變形的變形破壞過程，提出了強度應力比與大變形分級間對應關系，修正圍巖分類方法中應力因素項，并對廠房可能變形程度進行預測。

1某水電站工程概況

某水電站為混合式開發(fā)，總裝機容量約1100MW。地下廠房擬定位于小金河入河口右岸，廠房底板高程約1824.5m，頂拱高程1880m，上覆巖體厚度為271～291m。

廠房探硐CPD1位于其下游側，長293m，最大埋深233m。通過應力測試，廠區(qū)地應力場是區(qū)域構造應力場與自重應力場疊加的結果（見圖1），且以區(qū)域構造應力為主。244m硐深處最大主應力約為17MPa，具中等偏高地應力量級。巖性主要為石榴二云片巖，飽和抗壓強度16～24MPa，按巖質類型劃分表，圍巖巖體屬于較軟巖。廠區(qū)具有巖性軟，地應力高的特點。

根據(jù)野外現(xiàn)場調查，CPD1平硐0～6m硐段圍巖穩(wěn)定性較差，混凝土襯砌；6～293m硐段開挖后未進行支付，經(jīng)歷兩年多時間，圍巖仍可保持基本穩(wěn)定，僅局部有掉快。參照文獻[2]中的水電圍巖工程地質分類和文獻[3]中的巖體分級可知，CPD1平硐0～6m硐段圍巖類別為Ⅳ類圍巖，6～293m硐段圍巖類別為Ⅱ～Ⅲ類圍巖。

但根據(jù)HC法（水力發(fā)電圍巖工程地質分類）對該平硐進行圍巖分類，圍巖強度應力比（S）多小于2（見圖2），大部分硐段Ⅲ圍巖要產(chǎn)生大變形，類別降一級，圍巖類別以Ⅳ類為主，可利用程度低，導致廠房結構設計非常困難，分類方法的S限定條件安全裕度過高。如何更精準的表述強度應力比與圍巖大變形程度之間的對應關系，對HC法在軟巖圍巖分類中的應用具有重要的意義。

2擠壓性圍巖大變形破壞特征、機理

二云（英）片巖中含有片狀云母礦物，粘土礦物含量不顯著，為擠出性巖石，在地下水不發(fā)育或輕度發(fā)育時，巖石膨脹性很小，圍巖大變形機制主要為圍巖擠出[4]。由于片巖巖體結構主要受片理面控制，在高應力作用下，巖體容易彎折，發(fā)生彎曲型圍巖擠出。廠區(qū)地應力場是以區(qū)域構造應力為主，故圍巖的擠出主要受構造應力作用，表現(xiàn)出一定方向性，一般洞室兩幫破壞尤其明顯。

根據(jù)現(xiàn)場地質調查，受構造應力和自重應力作用限制，CPD1平硐圍巖變形程度屬于輕微擠壓大變形，表現(xiàn)為硐壁巖體沿片理面輕微片狀向外剝落（見圖3）。從現(xiàn)場看，對于基本巖體質量為Ⅱ的圍巖需降一級，但對于Ⅲ的圍巖不需降級。

對該處圍巖洞壁垂直鉆孔巖心取樣發(fā)現(xiàn)，巖體完整程度從洞壁的較破碎到深部的較完整～完整，完整程度呈漸變過程。這與理論上研究是一致的[5]23。洞室開挖后，洞壁巖體應力狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生應力集中，巖體向臨空方向變形并發(fā)生破壞，一般由外向內形成4個區(qū)域（見圖4）：Ⅰ松動區(qū)、Ⅰ～Ⅱ塑性區(qū)、Ⅲ～Ⅳ彈性區(qū)、Ⅳ原巖應力區(qū)。當圍巖進入塑性狀態(tài)時，切向應力的最大值從洞壁周邊轉移到彈、塑區(qū)的交界處。隨著往巖體內部延伸，圍巖應力逐漸恢復到原巖應力狀態(tài)。在塑性區(qū)內，由于塑性區(qū)的出現(xiàn)，切向應力從彈塑性區(qū)的交界處向洞室周邊逐漸降低，松動區(qū)內應力和強度都有明顯的下降，裂隙擴展，產(chǎn)生新的微裂隙，出現(xiàn)了明顯的塑性滑移。整個過程是圍巖通過自身的變形調整所處應力狀態(tài)，趨于穩(wěn)定的歷程。Ⅱ～Ⅲ區(qū)起主要的承載作用，Ⅰ區(qū)在變形趨于收斂的情況下，為Ⅱ區(qū)提供三向的圍巖應力狀態(tài)，最終協(xié)調自適用穩(wěn)定。

對于硬質巖，巖石主要以彈性變形為主，塑性變形很短；圍巖洞壁切向應力達到巖體彈性極限時，圍巖開始屈服破裂，由于硬質巖變形能力很差，形成很小的圍巖塑性區(qū)和松動區(qū)，圍巖通過自身的變形調整所處應力狀態(tài)能力相對較差，承載區(qū)主要為彈性區(qū)，一般采用巖石單軸抗壓強度與最大主應力比值來描述硬質圍巖塑性變形的開始。而對于軟質巖，以塑性變形為主；圍巖洞壁切向應力達到巖體彈性極限時，圍巖產(chǎn)生屈服變形，微裂隙擴展，當達到長期強度時，該變形變得顯著，巖體應力狀態(tài)隨強度的降低而降低，圍巖能夠通過自身變形來大幅度調整自身應力狀態(tài)。但在高地應力狀態(tài)下，由于調整后的洞壁圍巖變形過大，強度降低導致其長期強度始終低于切向應力，松動區(qū)圍巖產(chǎn)生累進破壞，而不能給承載區(qū)提供很好的三向應力狀態(tài)，導致承載區(qū)向內轉移，最終圍巖產(chǎn)生大變形破壞。

繼續(xù)沿用巖石單軸抗壓強度與最大主應力比值來描述軟質圍巖塑性變形的開始就顯得不合理。首先，洞壁圍巖切向應力達到巖體長期強度就可以產(chǎn)生明顯的塑性變形，而不用達到峰值強度；其次，即使巖體產(chǎn)生塑性變形，圍巖也可以通過位移使應力狀態(tài)調整。故找到圍巖硐壁累進性破壞的強度應力比描述，以及可能產(chǎn)生某一變形程度的強度應力比描述（即對強度應力比與圍巖大變形程度之間的對應關系的描述）使之與現(xiàn)場評價一致，對水電圍巖分類HC法在擠壓性圍巖穩(wěn)定性評判中應用有重要意義。

3強度應力比判據(jù)的建立及其應用

由于Ⅱ類圍巖基本穩(wěn)定，不會產(chǎn)生塑性變形，上述式（3）可以作為其限定判據(jù)。

圍巖在彈性變形的基礎上發(fā)展成塑性變形，巷道周邊巖體會屈服形成塑性區(qū)，圍巖的峰值應力也會由原來在洞壁轉移到深部，圍巖應力進一步調整，以形成新的平衡，當洞壁的變形趨于收斂，圍巖將保持穩(wěn)定，否則圍巖將產(chǎn)生累進性大變形。

但如前面的塑性區(qū)圍巖應力分布狀態(tài)所揭示的那樣，應力狀態(tài)、巖體變形程度、巖體強度三者互相作用，又互相影響：應力調整導致圍巖變形，圍巖變形導致巖體強度降低，根據(jù)式（5）可以看出，巖體強度降低導致應力進一步調整。洞壁的穩(wěn)定狀況、變形程度以及其巖體強度都與圍巖的應力狀態(tài)有重要的聯(lián)系。描述應力和位移的理論方法很多，但同時考慮強度折減的尚沒有較成熟的理論。本文主要結合類似隧道的經(jīng)驗[6～8]，以隧道工程地質特征為基礎，給出巖體大變形及累進破壞時，巖體變形程度與強度應力比的關系（見表1）。

表1軟巖變形與強度應力比分級標準

變形程度無擠壓輕微中等嚴重極嚴重

4強度應力比在工程中的應用

工程上強度應力比主要用在圍巖類別的修正上，根據(jù)工程需要，依據(jù)水電圍巖工程地質分類中圍巖類別的變形限定，對其做如下修改：

上述只根據(jù)CPD1平硐末端微新巖體考慮圍巖可能擠壓狀態(tài)，當巖體完整性較差時，巖體仍可能發(fā)生較大的變形。同時這里主要基于近均質軟巖進行討論，由于片巖的片理面是弱面，且廠房跨度較大，始終有一墻壁與片理面相交角度較小，容易產(chǎn)生更大的變形破壞。綜上，廠房應基于圍巖可能產(chǎn)生中等擠壓大變形進行設計。

5小結

1）地下廠房巖性主要為二云片巖，受片理面控制，在地應力作用下，圍巖可能表現(xiàn)出彎曲型圍巖大變形擠出，目前從CPD1平硐看，圍巖產(chǎn)生輕微擠壓變形，表現(xiàn)為片狀剝落。

2）在高地應力下，擠壓性圍巖隨著開挖進行，初始應力狀態(tài)產(chǎn)生調整，并自外向內形成四個變形區(qū)，其中Ⅰ～Ⅱ塑性區(qū)相對硬質巖要大的多，圍巖能夠通過自身變形來大幅度調整其應力狀態(tài)。

3）應力調整導致圍巖變形，圍巖變形導致巖體強度降低，巖體強度降低導致應力進一步調整，三者互相作用，又互相影響。本文只是從經(jīng)驗角度給出對應關系，從理論上給出合理模型，將是一個重要探索方向。

4）通過理論分析，引入長期強度到判據(jù)中，結合類似隧道的經(jīng)驗，對水電圍巖分類HC法的強度應力比降級進行修正，可以更好的評價擠壓性圍巖的穩(wěn)定性。

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）