地下洞室圍巖大變形機制研究

摘要：基于地下洞室危巖大變形工程特性，揭示了圍巖大變形卸荷作用機制，并介紹了卸荷作用過程及圍巖變形特性;提出了瞬時—彈性—塑性—流變變形機制，其機制包括瞬時變形、彈性變形階段、塑性變形階段、流變變形階段;解譯了弱面剪切機制，并給出弱面剪切機制的強度準則。

關鍵詞：地下工程;大變形機制;圍巖;地下洞室

1"引言

近年來，隨著中國隊基礎設施建設投資力度的逐漸加大，鐵路、公路隧道工程的建設規模得到了迅猛發展，隧道工程施工的機械化程度和施工技術水平也得到了很大的提高。目前，在中國路網主骨架“八縱八橫”總體戰略實施過程中，鐵路、公路隧道已經向長、大、深埋方向發展[1，2]，因此隧道穿越高應力、軟弱破碎圍巖條件及復雜惡劣地質環境的情況不可避免，與此同時，隧道圍巖大變形問題也凸顯出來。

本文介紹了地下洞室圍巖大變形的卸荷作用機制、瞬時—彈性—塑性—流變變形機制、弱面剪切機制等機制，研究成果對于深入了解圍巖大變形機理具有積極意義。

2"地下洞室圍巖大變形機制研究

2.1"卸荷作用機制

地下洞室巖體開挖后，產生應力重分布，如圖1所示，應力跡線巖體應力在沒開挖前平面上受豎向均布荷載，開挖后被開挖的洞室巖體產生應力集中，應力跡線在洞室周圍由直線變為弧形曲線，越靠近洞室周壁應力變化越顯著。因此洞室開挖后巖體由三向應力狀態變為平面應力狀態，即在洞室周圍形成側向臨空面，而臨空面的形成伴隨著而瞬間卸荷作用的產生。巖石的卸荷破壞變形主要是因卸荷導致的破裂前的擴容作用和宏觀剪切破壞。從巖石三軸和單軸壓縮試驗應力——應變曲線可以看出當巖體受荷達到某一值時巖石體積膨脹，這是由應力差急劇變化引起的變形破壞，此后巖體進入累進破壞階段，最終完全破裂。

圖1"圍巖應力集中極限變化圖

卸荷變形破壞作用機制過程：

1）卸荷初始階段，巖體基本保持原狀，但巖體內有微小裂縫的形成;

2）卸荷達到一定程度后，側向臨空面處巖體處于平面應力狀態，即拉—壓作用，受拉—壓作用微小裂縫尖端應力集中而張拉擴展，由卸荷巖體應力—應變曲線可知，此時側向應變和軸向應變基本相等，但由側向應變曲線和軸向應變曲線的切線斜率知側向應變速率明顯大于軸向應變速率，并處于加速增長狀態。

3）卸荷作用繼續發展，裂縫繼續擴展，對于硬質巖體由于拉——壓作用裂縫部分貫通并表現為豎向裂縫的增多和側向巖體的鼓起，裂縫表現為追蹤效應，應力——應變曲線上表現為應變的急劇增大，變形速率趨于穩定并有減緩的趨勢，但側向變形速率仍大于軸向變形速率。對于軟質巖體隨著時間的推移表現為一定的流變特性，巖體變形曲線為近于平行。

4）卸荷作用最后階段對于硬質巖體裂縫完全貫通破裂，破裂面形成，表現為剪切破壞，巖體較為破碎，并且豎向裂隙比較集中，并伴有顯著的豎向破裂面。對于軟質巖體流變使變形緩慢進行，表現為側向擠出和塑性流變。

2.2"瞬時—彈性—塑性—流變變形機制

1）瞬時變形

瞬時變形是巖體開挖應力釋放后瞬間產生的變形量，與巖體性質、巖體初始應力場、地下水、巖體構造等有關，是一種非線性變形機制，變形伴隨巖體的張裂，一般變形量較小。

2）彈性變形階段

彈性變形是巖體進入線彈性變形階段產生的變形量，此階段彈性模量（E）為一常數，應力和應變呈現線性關系，表達式如下："""""""""""""""""""""""（1）

式中——應力值——變形量

對于硬質巖體彈性變形時間較長，但變形量較小，對于許多處于高應力區的硬質巖體開挖后一般處于彈性變形階段;對于軟質巖體，彈性變形很快結束進入屈服階段，但變形量較硬質巖體大。

3）塑性變形階段

塑性變形是巖體卸荷后受拉壓作用使巖體超過屈服強度后產生的不可逆的變形量。對于硬質巖體，變形進入此階段，巖體變形急劇增大并趨于峰值。對于軟質巖體或處于高溫高壓作用下的硬質巖體塑性變形持續時間較長，表現為塑性變形和側墻的巖體擠出，如圍巖頸縮、底鼓、側向突出等。現有的彈塑性機制彈性階段在應力應變圖上為線性變化，而對塑性變形有線性、冪指數型等變化。

4）流變變形階段

此階段對于一般硬質巖體不存在，只有對于高應力高溫條件下的硬質巖體或軟質巖體才會出現流變變形。流變指巖體應力超過流變極限或達到長期強度后或地溫釋放使溫度增加而使變形隨時間持續增加的變形過程。巖體開挖后一段時間，巖體應力重分部后處于新的應力場，應力場基本不變，巖體逐漸達到長期強度，軟質巖體的在新的穩定應力場下發生隨時間持續增長的變形，如地下洞室圍巖初期支護后仍發生較大的變形。

2.3"弱面剪切機制

弱面有軟巖夾層、破碎夾層和泥化夾層，弱面強度和參數一般比原巖要低地多，且易發生塑性變形。巖體開挖后由于卸荷作用使巖體破碎并產生許多剪切破裂面，破裂面中的粘土礦物與水接觸膨脹變軟，使巖體繼續開裂，并且巖體在上覆荷載作用下產生的下滑力會使巖體沿著軟弱面發生變形，當巖體上覆荷載產生的下滑力大于弱面的抵抗力時，巖體就會發生弱面剪切破壞。由Mohr-Coulomb強度準則知：""""""""""""""""（2）

式中為最大剪應力;為正應力;為內摩擦角;為粘聚力。

當上覆巖體產生的剪應大于時，巖體產生弱面剪切。影響若面剪切的因素有巖體中的粘土礦物、巖體內摩擦角、巖體的粘聚力、地下水等。弱面剪切位移變化一般易于監測，通過監測可獲得位移與時間的關系，從而通過位移曲線的變化判別位移大小和弱面剪切破壞的發生。

3"結論

（1）揭示了圍巖大變形卸荷作用機制，并介紹了卸荷作用過程及圍巖變形特性。

（2）提出了瞬時—彈性—塑性—流變變形機制，其機制包括瞬時變形、彈性變形階段、塑性變形階段、流變變形階段。

（3）解譯了弱面剪切機制，并給出弱面剪切機制的強度準則。

參考文獻：

[1]陶波，伍法權，郭啟亮，等.高地應力環境下烏鞘嶺深埋長隧道軟弱圍巖流變規律實測與數值分析研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（9）：1828-1834.

[2]陳建勛，李建安.公路隧道二次襯砌厚度的優化[J].交通運輸工程學報，2006，6（3）：68-72.