水平層狀圍巖變形規(guī)律及漸進(jìn)破壞機(jī)理研究

王喜明 呂行 梁媚 蒙俊寧

摘要：層狀巖體受結(jié)構(gòu)面影響，其破壞模式和破壞機(jī)制明顯不同于其他巖體。在層狀巖體中修建隧道，圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題比較突出。以東風(fēng)路隧道為背景，針對(duì)層狀巖體隧道圍巖的破壞模式及漸進(jìn)變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：水平層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素主要有地質(zhì)因素、施工因素、工程因素；水平層狀巖體的變形破壞模式主要為順層滑移破壞和彎折破壞；層狀圍巖漸進(jìn)變形破壞具有典型的逐層遞進(jìn)性演化特征，靠近初始臨空條件的巖層優(yōu)先出現(xiàn)離層，隨后逐層垮塌破壞，垮塌破壞的跨度則逐層減小，直至平衡后，最終形成梯形拱的破壞形態(tài)。

關(guān)鍵詞：層狀巖體?隧道圍巖?破壞模式?破壞機(jī)理

Research?on?the?Deformation?Law?and?Progressive?Failure?Mechanism?of?Horizontal?Layered?Surrounding?Rock

WANG?Ximing1??LYU?Xing2??LIANG?Mei3??MENG?Junning2

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

Abstract?：?The?layered?rock?mass?is?affected?by?the?structural?plane，?and?its?failure?mode?and?failure?mechanism?are?obviously?different?from?other?rock?masses.?The?stability?of?surrounding?rock?is?a?prominent?problem?when?constructing?a?tunnel?in?the?layered?rock?mass.?Taking?the?Dongfeng?Road?Tunnel?as?the?background，?the?failure?mode?and?progressive?deformation?and?failure?mechanism?of?the?surrounding?rock?of?the?tunnel?in?the?layered?rock?mass?are?studied.?Conclusions?are?as?follows;?the?influence?factors?of?the?stability?of?the?surrounding?rock?of?the?tunnel?in?the?horizontal?layered?rock?mass?mainly?include?geological?factors，?construction?factors?and?engineering?factors;?the?deformation?and?failure?modes?of?the?horizontal?layered?rock?mass?are?mainly?bedding?slip?failures?and?bending?failures;?the?progressive?deformation?and?failure?of?layered?surrounding?rock?have?typical?layer-by-layer?progressive?evolution?characteristics：?the?rock?strata?near?the?initial?free?condition?preferentially?separates?and?then?collapses?layer?by?layer，?and?the?span?of?the?collapse?failure?decreases?layer?by?layer?until?equilibrium?and?finally?forms?the?failure?mode?of?the?trapezoidal?arch.

Key?Words?：?Layered?rock?mass;?Tunnel?surrounding?rock；?Failure?mode;?Failure?mechanism

在層柱巖體中開挖隧道，常常出現(xiàn)圍巖大變形、支護(hù)破壞等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性影響因素及破壞機(jī)理的研究取得了一定的成果。于學(xué)馥等人[1]按照圍巖破壞過(guò)程、破壞形態(tài)及成因，總結(jié)了圍巖的破壞的六種類型；樊純壇等人[2]基于HC分類法，重點(diǎn)考慮層狀巖體的層厚與產(chǎn)狀對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，對(duì)層狀巖體地下洞室施工階段的圍巖進(jìn)行了精細(xì)化分級(jí);?王尚[3]考慮層狀巖體結(jié)構(gòu)面走向、傾角和層厚及與工程結(jié)構(gòu)物的不同空間位置關(guān)系，建立隧洞三維有限元計(jì)算模型，分析了隧洞圍巖的穩(wěn)定性；高燕等人[4]通過(guò)模型試驗(yàn)，得到了連續(xù)介質(zhì)條件下隧道圍巖的破壞模式。張建聰?shù)热薣5]基于對(duì)大型洞室群圍巖破壞模式的研究，提出了大型洞室群圍巖破壞模式的分類方法。張斌等人[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了不同傾角下節(jié)理巖體穩(wěn)定性；王華[7]研究了大斷面黃土隧道圍巖穩(wěn)定性。

對(duì)于地下工程圍巖的破壞機(jī)理，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并取得一些成果，但專門針對(duì)層狀巖體隧道圍巖變形破壞的研究還比較有限。因此，本文依托東風(fēng)路隧道對(duì)水平層狀圍巖隧道穩(wěn)定性及破壞機(jī)理進(jìn)行研究，以期為類似工程建設(shè)提供借鑒。

1工程概況

東風(fēng)路隧道以硅質(zhì)泥巖為主，泥晶結(jié)構(gòu)，薄層狀，局部中厚層狀構(gòu)造，風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化層、風(fēng)化層、中風(fēng)化層，全風(fēng)化層主要為密實(shí)碎石，強(qiáng)風(fēng)化層呈碎石、角礫狀，中風(fēng)化層巖質(zhì)較硬，呈塊狀。

2水平層狀圍巖穩(wěn)定性

2.1影響層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性的因素

圍巖穩(wěn)定對(duì)保證地下工程安全至關(guān)重要，圍巖穩(wěn)定不僅受巖石性質(zhì)、巖體、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造等自然因素的影響，而且受開挖方式、支護(hù)形式和時(shí)間的影響。影響層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性因素包括地質(zhì)因素、施工因素因素2種，具體如下。

2.1.1地質(zhì)因素

（1）巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。

巖體由天然應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷰r應(yīng)力狀態(tài)過(guò)程中的應(yīng)力釋放和應(yīng)力調(diào)整引起的圍巖變形。當(dāng)層狀巖體隧道處于完整性較好的堅(jiān)硬巖層中時(shí)，隧道開挖導(dǎo)致的圍巖變形量較小；當(dāng)圍巖較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、整體性較差時(shí)，隧道開挖圍巖變形則較大。同時(shí)，由于層狀巖體特殊節(jié)理的存在，會(huì)導(dǎo)致巖體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和滑移，給圍巖的穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。

（2）巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。

巖體的變形特性既受到巖體結(jié)構(gòu)特征的影響也受到巖體材料特性的影響，層狀圍巖由于其特殊的巖體結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致其相對(duì)于其他類型巖體具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)變形特征，同時(shí)，由于層狀巖體各巖層的層厚、巖性的差別，以及邊界條件和力學(xué)特性的差異，進(jìn)一步導(dǎo)致了各巖層結(jié)構(gòu)變形的差異，并導(dǎo)致巖層間的變形不協(xié)調(diào)。

2.1.2施工因素

在施工過(guò)程中，常常存在著操作不規(guī)范和施工工藝流程不完善的情況。

（1）噴射混凝土的強(qiáng)度和韌性不滿足要求，厚度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）錨桿的直徑和長(zhǎng)度不滿足要求，以及可能存在未及時(shí)注漿和注漿漿液不滿足規(guī)范要求，并且在錨桿布置方面，可能存在布置密度不夠。

（3）鋼支撐型號(hào)不合適，導(dǎo)致強(qiáng)度、剛度不滿足要求。形狀不滿足要求，導(dǎo)致不能緊貼圍巖，以及可能存在未設(shè)置鎖腳錨桿，或鎖腳錨桿焊接不合格。鋼支撐布置間距過(guò)大，過(guò)于稀疏。

以上各種施工因素綜合作用，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量不合格，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力沒有得到很好的釋放或應(yīng)力釋放不均勻，產(chǎn)生過(guò)大變形，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞進(jìn)而引起塌方等破壞問(wèn)題，影響施工進(jìn)度。

2.2水平層狀圍巖破壞模式分析

按照應(yīng)力控制類型的不同，水平層狀圍巖的破壞模式主要分為張拉破壞和滑移破壞兩種。

2.2.1?張拉破壞

隧道開挖產(chǎn)生臨空面，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，受到應(yīng)力傳遞和重力作用的雙重影響，層狀圍巖產(chǎn)生彎曲變形，隨著彎曲變形的不斷增加，當(dāng)圍巖的彎曲變形超過(guò)圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石產(chǎn)生拉裂破壞，按拉裂破壞發(fā)生的位置不同，分為拱頂拉裂破壞和邊墻張拉破壞。

（1）拱頂張拉破壞。

對(duì)于呈水平狀或近似水平狀的巖層，其張拉破壞主要發(fā)生在拱頂和拱肩位置。對(duì)于在水平巖層中開挖的隧道，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可將拱頂圍巖近似簡(jiǎn)化成梁結(jié)構(gòu)，承擔(dān)來(lái)自上部的荷載，受到開挖臨空面和上部圍巖壓力的影響，巖層結(jié)構(gòu)首先在跨中部位產(chǎn)生彎曲，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過(guò)巖層抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層跨中底部首先產(chǎn)生張拉裂縫，隨著巖層撓度的增加，裂縫不斷向上發(fā)展，直至穿破整個(gè)巖層，巖層產(chǎn)生張拉斷裂破壞。

（2）邊墻張裂剝落破壞。

對(duì)于巖層呈垂直狀或近似垂直狀的隧道，受到隧道開挖應(yīng)力擾動(dòng)后，在平行于洞壁方向上會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而在垂直洞壁方向，應(yīng)力相對(duì)較小，因此，邊墻部位巖體會(huì)向隧道臨空面內(nèi)擠，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體抗拉強(qiáng)度，邊墻部位產(chǎn)生張拉剝裂破壞，巖體剝落。

（3）斜板張拉破壞。

對(duì)于巖層呈傾斜狀的隧道，隧道開挖產(chǎn)生臨空面后，會(huì)在拱肩部位和洞室兩側(cè)壁產(chǎn)生斜板張拉破壞。當(dāng)圍巖壓力較大時(shí)，巖層將發(fā)生指向隧道臨空面彎曲內(nèi)鼓，隨著彎曲變形不斷增大，超過(guò)巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖體將產(chǎn)生張拉彎折破壞。

2.2.2滑移破壞

受到構(gòu)造應(yīng)力的影響，層狀圍巖會(huì)沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，因此，對(duì)于巖層傾角較大的隧道，隧道開挖后，當(dāng)巖層間的剪應(yīng)力超過(guò)巖層的抗剪強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在拱肩、邊墻或拱頂部位產(chǎn)生沿著結(jié)構(gòu)面的滑移，從而產(chǎn)生滑移破壞。按破壞發(fā)生的位置不同，分為拱頂滑移破壞和邊墻滑移破壞。

（1）邊墻滑移破壞。

在巖層較傾斜隧道的邊墻部位，隧道開挖后，在應(yīng)力擾動(dòng)、圍巖壓力的影響下，當(dāng)層里面剪應(yīng)力超過(guò)巖體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖體會(huì)發(fā)生沿著層里面指向隧道臨空面的楔形剪切滑移破壞。

（2）拱頂滑移破壞。

在巖層傾角接近垂直的隧道拱頂部位，隧道開挖后，在重力荷載以及圍巖壓力的影響下，會(huì)沿著層里面產(chǎn)生滑移破壞，造成圍巖失穩(wěn)，產(chǎn)生較大塌方破壞。

3水平層狀圍巖隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理

與其他巖體隧道開挖后容易形成拱形塌落不同，水平層狀巖體在洞室開挖后拱頂容易脫落形成一個(gè)平面，稱為平頂現(xiàn)象。因此，隧道拱頂受力由通常的壓力拱受力轉(zhuǎn)變成平面板支撐受力。因此，層狀圍巖矩形洞室開挖后，如若支護(hù)強(qiáng)度不足或支護(hù)不及時(shí)，圍巖容易發(fā)生彎曲變形，拉裂破壞，進(jìn)一步發(fā)生垮塌破壞，并且破壞會(huì)逐漸向圍巖內(nèi)部漸進(jìn)循環(huán)發(fā)展，直至達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，形成一個(gè)新的平衡結(jié)構(gòu)。

對(duì)于水平層狀圍巖來(lái)說(shuō)，隧道拱頂?shù)乃涫加诠绊斒讓訋r層，然后逐漸向上、向圍巖內(nèi)部發(fā)展。由于受到兩拱肩的固定作用，巖層的垮塌不是隧道整個(gè)開挖斷面的寬度，而是在兩端會(huì)保留一部分，兩端保留的懸挑部分會(huì)給其上部巖層提供支撐，其上部巖層的受力跨度為下部遺留懸挑部分之間的距離，以此類推，每層巖層垮塌時(shí)都會(huì)遺留一部分，并作為其上一巖層的支撐，因此，隨著隧道拱頂巖層的不斷向上垮塌，垮塌的跨度會(huì)不斷減小，最終會(huì)形成一個(gè)梯形拱。層狀圍巖由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致其力學(xué)特性呈現(xiàn)出明顯的各向異性和非連續(xù)特性。垮塌由拱頂首層開始，逐層向上傳遞，并且上層的垮塌特征受到下層圍巖的影響。上述拱頂圍巖的“離層產(chǎn)生—彎曲拉裂—層狀垮塌—形成平頂”的演變過(guò)程將循環(huán)出現(xiàn)，逐層向上發(fā)展，直至形成穿插型塌方。

當(dāng)水平應(yīng)力分量超過(guò)層狀圍巖的層間抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖層會(huì)向臨空面產(chǎn)生剪切滑移變形，這也是在隧道兩端的拱肩和拱腳處常常出現(xiàn)開裂和鋼拱架彎曲等大變形災(zāi)害的原因。因此，層狀隧道圍巖的變形主要特征為：在開挖擾動(dòng)應(yīng)力的影響下，水平巖層迅速產(chǎn)生朝向臨空面的擠壓變形，主要表現(xiàn)為拱頂沉降，如果支護(hù)不夠及時(shí)或不夠充分，層間節(jié)理發(fā)生破壞，繼而導(dǎo)致巖層最終受剪切力作用而破壞。層狀圍巖變形主要集中在圍巖強(qiáng)度的薄弱面，即層理面的法線方向。

從工程地質(zhì)力學(xué)的角度看，層狀巖體和其他非層狀巖體，不同之處表現(xiàn)為在一定的荷載作用下，層狀巖體不但有巖石材料方面的壓縮、拉伸和剪切變形破壞等，往往還有結(jié)構(gòu)方面的撓曲變形。這種結(jié)構(gòu)不是巖體的微觀結(jié)構(gòu)，而是上述提到的層狀巖體所形成的工程結(jié)構(gòu)。層狀巖體的結(jié)構(gòu)變形破壞往往比巖石材料本身的變形破壞更嚴(yán)重。在地下工程中則經(jīng)?？梢钥吹蕉错?shù)膹澢?，地板鼓起，?cè)墻彎折以及巖柱拱曲變形破壞等。層狀巖體是一種比較特殊的巖體類型，其變形破壞也具有特殊性，因此在分析層狀巖體的變形破壞時(shí)，必須充分考慮巖石的物理力學(xué)特性以及巖層的結(jié)構(gòu)變形破壞特點(diǎn)，以對(duì)變形破壞進(jìn)行客觀分析。

4?結(jié)語(yǔ)

（1）影響水平層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性主要因素有地質(zhì)因素、施工因素。而地質(zhì)因素中，最重要的影響因素為巖塊的堅(jiān)硬程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、軟弱結(jié)構(gòu)面性質(zhì)。

（2）水平層狀巖體的變形破壞模式主要為順層滑移破壞和彎折破壞。

（3）水平層狀圍巖隧道開挖后形成臨空面，可將拱頂巖體簡(jiǎn)化成固端梁進(jìn)行分析，當(dāng)剪應(yīng)力大于固端梁的抗剪強(qiáng)度時(shí)，將發(fā)生剪切滑移破壞，并且?guī)r層越薄，剪應(yīng)力越大；巖梁中點(diǎn)下部拉應(yīng)力隨著巖層厚度的減少而增大，拱頂拉應(yīng)力越大，越容易導(dǎo)致彎折破壞。

（4）巖層垮塌后會(huì)在拱頂兩端各遺留一部分懸挑巖體，因此，巖層的垮塌范圍逐層減小，離層逐層遞進(jìn)發(fā)展，最終形成梯形拱破壞輪廓。

參考文獻(xiàn)

• 于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等.工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983：25-38.
• 樊純壇，梁慶國(guó)，岳建平，等.層狀巖體地下洞室施工階段圍巖精細(xì)化分級(jí)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2023，36（4）：169-182.
• 王尚.?層狀巖體引水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析及分級(jí)中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀評(píng)分細(xì)化[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2023.
• 高燕，吳曉東，田嘉逸.巖土力學(xué)參數(shù)的空間變異性對(duì)地面沉降的影響[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治，2023，5（1）：18-31.
• 張建聰，江權(quán)，郝憲杰，等.高應(yīng)力下柱狀節(jié)理玄武巖應(yīng)力-結(jié)構(gòu)型塌方機(jī)制分析[J].巖土力學(xué)，2021，42（9）：2556-2568，2577.
• 張斌，李英杰，穆鵬華，等.不同節(jié)理傾角下隧道圍巖變形特征研究[J].地下水，2022，44（6）：174-175.
• 王華.大斷面黃土隧道施工關(guān)鍵技術(shù)[J].科技資訊，2016，14（20）：47-48.