隧洞開挖圍巖變形與破壞的分析

金 剛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 工程概況

該隧道工程總長(zhǎng)97.543km，設(shè)計(jì)為圓形，成洞洞徑8.0m。其中樁號(hào)81+000～97+543，洞長(zhǎng)約16.5km，穿越的地層巖性為青白口系釣魚臺(tái)組石英砂巖、侏羅系上統(tǒng)果松組中酸性火山碎屑巖及早元古代侵入巨斑狀花崗巖，地質(zhì)條件相對(duì)較復(fù)雜，采用鉆爆法施工。

果松組火山碎屑巖類為一套中酸性火山熔巖及沉積碎屑巖組成的復(fù)合巖體，具體可細(xì)分為安山巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、酸性熔巖及角礫熔巖等，且凝灰?guī)r又可細(xì)分為：巖屑凝灰?guī)r、含礫凝灰?guī)r、安山質(zhì)凝灰?guī)r、紫紅色凝灰?guī)r等，由于巖性的多變性，造成圍巖變形與破壞的形式也各不相同，該段隧洞穿越各地層主要巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

2 巖石變性破壞特點(diǎn)

2.1 整體狀和塊狀巖體圍巖

1）巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。

2）圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。其中塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對(duì)關(guān)系控制。

表1 隧洞穿越各地層主要巖石物理性質(zhì)指標(biāo)

3）這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。

2.2 層狀巖體圍巖

1）常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

2）變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。

3）變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來分析。

4）在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。

5）在傾斜層狀圍巖中，沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移，形成不對(duì)稱的塌落拱。

6）直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻因壓力平行于層面，發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。

2.3 碎裂狀巖體圍巖

1）碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。

2）變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動(dòng)。

3）用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。

4）在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。

5）圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入。

3 隧洞開挖巖體實(shí)際破壞形式及支護(hù)

3.1 整體狀和塊狀巖體圍巖

1）圍巖變形破壞特點(diǎn)。該段巨斑狀花崗巖及果松組安山巖、角礫熔巖、酸性熔巖及火山角礫巖均屬整體和塊狀巖體，巖石強(qiáng)度較高，均為硬質(zhì)巖，巖體的完整性則決定了節(jié)理的發(fā)育程度，而各組節(jié)理的組合關(guān)系則決定了圍巖的破壞特點(diǎn)。

2）圍巖破壞形式。節(jié)理組合契形體沿節(jié)理面滑落或脫落。

3）支護(hù)方式。沿近垂直節(jié)理面方向布置錨桿，長(zhǎng)度一般2.5m，局部采用長(zhǎng)度3.5m。

3.2 層狀巖體圍巖

1）圍巖變形破壞特點(diǎn)。紫紅色凝灰?guī)r，具層理構(gòu)造，與隧洞斜交，傾角較緩，屬軟質(zhì)巖，洞頂部位受層理控制較強(qiáng)，圍巖不穩(wěn)定，且該巖石極易風(fēng)化變形，一般為3～7d。

石英砂巖，灰白色，硅質(zhì)膠結(jié)，巖石硬度大，層理走向與洞走向近平行，傾角近直立，控制隧洞兩側(cè)成形，且層理構(gòu)造炭化帶沿洞頂延伸，寬度約30cm，構(gòu)成軟硬互層，影響洞頂穩(wěn)定。

2）圍巖破壞形式。紫紅色凝灰?guī)r段，洞頂局部沿層面拉裂成板狀塌落或成貝殼狀崩落；直立石英砂巖段，兩側(cè)及拱肩巖體沿層面脫落或滑落，沿頂局部巖體沿炭化帶掉落。

3）支護(hù)方式。紫紅色凝灰?guī)r段，開挖后及時(shí)支護(hù)，采用拱頂掛網(wǎng)，濕噴混凝土8～10cm；直立石英尖巖段，兩側(cè)拱肩采用錨桿支護(hù)，洞頂局部采用掛網(wǎng)支護(hù)。

3.3 碎裂狀巖體圍巖

1）圍巖變形破壞特點(diǎn)。F12斷層與隧洞近直交，斷層寬10m，組成物質(zhì)可見有斷層泥、斷層碎塊巖及斷層碎裂巖等，斷層碎塊巖為泥質(zhì)膠結(jié)，地下水呈線流狀，在地下水作用下，斷層泥及泥質(zhì)斷層碎塊巖軟化速度較快，圍巖失穩(wěn)及塌方短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

2）圍巖破壞形式。沿?cái)鄬酉卤P，在地下水軟化作用下巖體發(fā)生滑塌，塌方高度達(dá)5m，形成一個(gè)口小肚大的塌腔。

3）支護(hù)方式。塌腔位置立副拱，配合系紡錨桿及鋼筋網(wǎng)，最后濕噴混凝土15cm；未開挖斷層部位采用超前小導(dǎo)管固結(jié)灌漿結(jié)合鋼拱架、系紡錨桿及鋼筋網(wǎng)，最后濕噴混凝土15cm。

4 結(jié)語(yǔ)

1）圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的，開挖→應(yīng)力調(diào)整→變形、局部破壞→再次調(diào)整→再次變形→較大范圍破壞。

2）對(duì)不同圍巖的變形破壞，采取及時(shí)有效的支護(hù)，即可起到防止變形的進(jìn)一步擴(kuò)大，保證隧洞的正常開挖。

3）一些特殊巖體，變形破壞發(fā)生時(shí)間短，一旦揭露，龍其是在某些外力作用下，比如說地下水，瞬間超越強(qiáng)度極限，且破壞強(qiáng)度及范圍很大，且最后處理難度大，嚴(yán)重影響施工工期。近幾年來，各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)如雨后竹筍般發(fā)展起來，且取得了一定的績(jī)效，這也是控制降低大型斷層構(gòu)造對(duì)隧洞的危害唯一的方法。