水平層狀圍巖離層特征及離層影響因素研究

吳盛發(fā) 周旺 施作偉 隆家錕

摘要：以南寧市東風(fēng)路水平層狀巖體隧道為背景，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了水平層狀圍巖的離層特征及離層影響因素。離層的形成，是由于相鄰巖層間的不協(xié)調(diào)變形引起的。當(dāng)相鄰巖層的層厚或力學(xué)性質(zhì)差異較大時(shí)，隧道圍巖離層便會(huì)產(chǎn)生。此外，離層的產(chǎn)生還受到巖體結(jié)構(gòu)、圍巖力學(xué)特性、地應(yīng)力以及洞室尺寸等因素的影響。離層的產(chǎn)生及發(fā)展范圍還受到關(guān)鍵層所在位置的影響，關(guān)鍵層距開挖斷面越近，受到關(guān)鍵層的支撐和阻擋作用，離層所能影響范圍越小，當(dāng)圍巖中不存在關(guān)鍵層時(shí)，離層影響范圍大致為洞室跨度的一半。研究對(duì)類似工程具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水平層狀 巖體隧道 離層特征 關(guān)鍵層

中圖分類號(hào)：U451.2

Research on the Characteristics and Influencing Factors of the Separation Layer of Horizontal Layered Surrounding Rock

WU Shengfa1? ZHOU Wang2? SHI Zuowei3? LONG Jiakun3

（1.The Fifth Construction Co.， Ltd. of China Tiesiju Civil Engineering Group， Jiujiang， Jiangxi province， 332000 China;2.Guangxi Communications Design Group Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530000 China;3.Nanning Wuxiang Jinzhong Investment Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530000 China）

Abstract ： Taking the tunnel of the Dongfeng Road in the horizontal layered rock mass in Nanning City as the background， the characteristics and influencing factors of the separation layer of horizontal layered surrounding rock are studied through theoretical analysis and field tests. The formation of the separation layer is caused by the uncoordinated deformation between adjacent strata. When the thickness or mechanical properties of adjacent rock strata are quite different， the separation layer of the surrounding rock of the tunnel will occur. In addition， the generation of the separation layer is also affected by factors such as the rock mass structure， the mechanical properties of surrounding rock， ground stress and the cavern size. The generation and development range of the separation layer is also affected by the location of the critical layer： the closer the critical layer is to the excavation section， the smaller the influence range of the separation layer is due to the support and blocking by the critical layer， and when there is no critical layer in surrounding rock， the influence range of the separation layer is roughly half of the span of the cavern. The study has reference significance for similar projects.

Key Words ： Horizontal layered; Rock mass tunnel; Separation layer characteristics; Critical layer

隨著工程建設(shè)步伐的不斷加快，地下工程逐漸在層狀巖體中扎根。由此，層狀圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題日益凸顯，引發(fā)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)從業(yè)者的廣泛關(guān)注與深入研究。孫廣忠等人[1]通過(guò)研究表明，層狀圍巖的破壞主要是由于隧道周圍巖徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力集中所致。在洞周形成單向壓應(yīng)力區(qū)，單向壓應(yīng)力區(qū)應(yīng)力集中，使洞周切向壓應(yīng)力超過(guò)了巖層的抗彎強(qiáng)度，圍巖沿著軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移、離層，導(dǎo)致圍巖發(fā)生彎曲變形，進(jìn)而折斷破壞。林崇德[2]通過(guò)數(shù)值模擬和相似模型試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探，對(duì)水平層狀圍巖隧道拱頂圍巖的變形破壞機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)地分析。得到，水平壓應(yīng)力導(dǎo)致了拱頂層狀圍巖的離層和彎曲變形破壞，而非傳統(tǒng)意義上的受垂直壓應(yīng)力影響而導(dǎo)致的承載梁形式破壞。劉高[3]在研究結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的堅(jiān)硬圍巖的動(dòng)態(tài)變形破壞機(jī)制時(shí)，特別針對(duì)層狀圍巖的隧道進(jìn)行了深入探討。研究表明，此種類型的隧道變形破壞機(jī)制是撓曲引發(fā)的。隧道開挖后，圍巖徑向應(yīng)力不斷釋放，而切向應(yīng)力的不斷增加，層狀巖體在水平壓力的作用下，產(chǎn)生板狀撓曲變形。層狀圍巖的變形破壞是多種因素綜合作用的結(jié)果，不僅受到巖體結(jié)構(gòu)特性的影響，還受到地應(yīng)力[4]和隧道開挖尺寸[5]等實(shí)際施工條件的制約。例如，一些研究者[6-7]強(qiáng)調(diào)，應(yīng)力水平對(duì)水平不同層狀圍巖的變形破壞模式和破壞特征不同，應(yīng)力水平對(duì)層狀圍巖的變形破壞特征有重要影響。以上研究為深入理解層狀圍巖的變形破壞機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1層狀圍巖變形中的關(guān)鍵層

錢鳴高院士提出了地下洞室上覆巖層的關(guān)鍵層理論，稱為托板理論[8]。該理論提出，在地下洞室的上覆層狀圍巖中，存在著一層堅(jiān)固且有一定厚度的巖層。這層巖層憑借其卓越的剛度特性，在水平應(yīng)力的作用下能夠保持穩(wěn)定，不易發(fā)生彎曲變形。因此，關(guān)鍵層在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，它有效地將上覆巖層與下覆巖體分隔開來(lái)，形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。鑒于關(guān)鍵層的重要性，對(duì)其的識(shí)別和定位成為了分析離層影響區(qū)域不可或缺的重要一環(huán)。

基于水平層狀圍巖受力特點(diǎn)，假設(shè)巖板在x方向上受到的水平壓力為，y方向上受到的水平縱壓為，假定，如圖1所示。

要使得式（3）恒成立，需要和中至少有一項(xiàng)為零。當(dāng)為零時(shí)，撓度w恒為零，此時(shí)巖板處于平面平衡狀態(tài)，不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性變形；當(dāng)為零時(shí)，該情況下巖板可能出現(xiàn)壓曲結(jié)構(gòu)性變形，因而有

式（4）中，可分別取不同整數(shù)，當(dāng)m、n的取值滿足條件時(shí)，對(duì)應(yīng)的即為關(guān)鍵層巖層所要滿足的彎曲剛度，即

若要求關(guān)鍵層巖層最小剛度，則令[10]，同時(shí)令，則可得到關(guān)鍵層的最小剛度為

2離層范圍與特征

由于關(guān)鍵層具有出色的剛度特性，使其不易發(fā)生壓曲變形。因此，其上方的巖層變形極其微小，能夠與關(guān)鍵層保持高度同步、協(xié)調(diào)的變形狀態(tài)。然而，由于缺乏關(guān)鍵層的支撐作用，關(guān)鍵層下方的巖層在洞室臨空面處容易出現(xiàn)彎曲、下沉、甚至坍塌等變形破壞現(xiàn)象。顯然，由于關(guān)鍵層的存在，其上方的巖層中不會(huì)產(chǎn)生離層現(xiàn)象，因此，離層的主要影響范圍為關(guān)鍵層下方的巖體。

對(duì)于隧道拱底的圍巖，若存在一層厚巖層，其剛性足以抵抗外部力的沖擊，從而保持形態(tài)穩(wěn)定，防止其上部巖體向臨空面彎曲變形，這樣的巖層稱為洞底關(guān)鍵層。值得特別關(guān)注的是，當(dāng)拱頂或拱底的首層巖層為關(guān)鍵層時(shí)，由于它的強(qiáng)大支撐作用，圍巖中將不會(huì)出現(xiàn)離層變形現(xiàn)象。

基于上述分析，可以從拱頂或拱底的首層巖層開始分析，逐層深入檢查圍巖情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一層巖層的厚度和彎曲剛度相比其他巖層比較大，并且能夠抵御水平應(yīng)力的作用而不發(fā)生彎曲變形，即滿足式（6）所規(guī)定的彎曲剛度條件時(shí)，便可確定該層為關(guān)鍵層。

假設(shè)第n層巖層滿足式（6），那么它就被視為關(guān)鍵層。根據(jù)關(guān)鍵層理論，對(duì)于洞室頂部的巖層來(lái)說(shuō)，離層將會(huì)出現(xiàn)在關(guān)鍵層與其下方巖體的交界處，也就是第n層與第n-1層巖層之間。同理，對(duì)于洞室底部的巖層來(lái)說(shuō)，離層將會(huì)出現(xiàn)在關(guān)鍵層與其上方巖層的交界面。

對(duì)于第1層到第n-1層之間的圍巖離層分布情況，它們受到各相鄰巖層彎曲變形程度的影響。具體來(lái)說(shuō)，在洞室頂部，當(dāng)下層巖層的結(jié)構(gòu)性彎曲變形大于上層巖層時(shí)，相鄰巖層間便會(huì)出現(xiàn)離層；而在洞室底部，則是當(dāng)下層巖層的結(jié)構(gòu)性彎曲變形小于上層巖層時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生離層。這些特點(diǎn)為深入分析和預(yù)測(cè)離層現(xiàn)象提供了重要的依據(jù)。

3離層產(chǎn)生的影響因素3.1地應(yīng)力

地應(yīng)力是導(dǎo)致圍巖變形破壞不可忽視的重要因素。對(duì)于層狀圍巖而言，地應(yīng)力的大小直接決定了巖層是否會(huì)發(fā)生壓曲或彎曲變形。離層的形成，往往源于各巖層在受到地應(yīng)力作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)性變形的不協(xié)調(diào)。尤其是存在臨空面的情況下，一旦地應(yīng)力超越了巖層的壓曲變形臨界值，巖層便會(huì)開始發(fā)生壓曲現(xiàn)象。

3.2圍巖的巖體結(jié)構(gòu)

圍巖的巖體結(jié)構(gòu)在控制其變形行為中扮演著至關(guān)重要的角色。例如：巖層的厚度受層面發(fā)育間距的直接影響，進(jìn)而影響離層的發(fā)育程度和分布特征。此外，巖板的邊界約束條件是由結(jié)構(gòu)面對(duì)巖層的切割狀態(tài)所決定的，這些約束條件進(jìn)一步影響著層狀圍巖的彎曲變形特性。

3.3 洞室的規(guī)模

洞室規(guī)模的擴(kuò)大通常意味著對(duì)圍巖變形控制的難度也會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)隧道開挖斷面較小時(shí)，隧道拱頂層狀圍巖的臨空面尺寸相對(duì)較小，這時(shí)圍巖的支撐條件較好，不易產(chǎn)生彎曲變形，因此離層現(xiàn)象相對(duì)較少。然而，隨著大斷面隧道不斷出現(xiàn)，隧道開挖斷面的不斷增大，對(duì)于層狀圍巖來(lái)說(shuō)，拱頂巖板的臨空面尺寸也相應(yīng)增大，此時(shí)層狀巖板彎曲應(yīng)力增大，拱頂圍巖更容易發(fā)生向臨空面的彎曲下沉變形，從而為離層的產(chǎn)生創(chuàng)造有利條件，加速了離層的產(chǎn)生和發(fā)展。

綜上所述，離層在地應(yīng)力條件、層狀圍巖的力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征以及洞室的規(guī)模和形狀等多因素綜合作用下產(chǎn)生的。這些因素共同導(dǎo)致了巖層非連續(xù)、非協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)變形。對(duì)于水平層狀圍巖，其變形破壞過(guò)程受巖體結(jié)構(gòu)的影響很大，并展現(xiàn)出逐層遞進(jìn)性破壞的特征。在層里面和水平壓應(yīng)力的共同影響下，在巖層剛度差異較大巖層接觸面首先發(fā)生分離，形成離層。隨后，隨著離層變形的不斷發(fā)展，巖層的結(jié)構(gòu)性彎曲變形逐漸加大，最終超過(guò)巖層的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致巖層彎曲拉裂破壞，進(jìn)而會(huì)引發(fā)巖層層狀垮塌破壞。

4結(jié)語(yǔ)

（1）基于巖層壓曲條件的深入分析，得到了圍巖中關(guān)鍵層判定強(qiáng)度的條件。關(guān)鍵層所處位置直接影響離層范圍的大小，關(guān)鍵層距離臨空面越近，離層范圍則越??；反之，離層范圍則越大?；趲r層的結(jié)構(gòu)性彎曲變形特性及離層產(chǎn)生的條件，得到離層產(chǎn)生受地應(yīng)力水平、圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征以及洞室規(guī)模的影響。

（2）離層破壞過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的逐層遞進(jìn)性演化特征，其過(guò)程可概括為：首先巖層發(fā)生結(jié)構(gòu)性彎曲變形，隨后產(chǎn)生離層，接著巖層發(fā)生彎曲拉裂，最終導(dǎo)致巖層垮塌。進(jìn)一步提出了巖層彎曲拉裂破壞的力學(xué)判據(jù)，并詳細(xì)描述了在這一破壞過(guò)程中裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展特點(diǎn)。

（3）巖層垮塌后，會(huì)在拱頂兩端留下一部分懸挑巖體，這使得巖層的垮塌跨度逐層減小。最后這一系列的垮塌過(guò)程會(huì)形成梯形拱的破壞輪廓。

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