水平層狀圍巖離層特征及離層影響因素研究

摘要：以南寧市東風路水平層狀巖體隧道為背景，通過理論分析和現場試驗，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調變形引起的。當相鄰巖層的層厚或力學性質差異較大時，隧道圍巖離層便會產生。此外，離層的產生還受到巖體結構、圍巖力學特性、地應力以及洞室尺寸等因素的影響。離層的產生及發展范圍還受到關鍵層所在位置的影響，關鍵層距開挖斷面越近，受到關鍵層的支撐和阻擋作用，離層所能影響范圍越小，當圍巖中不存在關鍵層時，離層影響范圍大致為洞室跨度的一半。研究對類似工程具有借鑒意義。

關鍵詞：水平層狀 巖體隧道 離層特征 關鍵層

中圖分類號：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，層狀圍巖的穩定性問題日益凸顯，引發了國內外學者和相關從業者的廣泛關注與深入研究。孫廣忠等人[1]通過研究表明，層狀圍巖的破壞主要是由于隧道周圍巖徑向應力釋放，切向應力集中所致。在洞周形成單向壓應力區，單向壓應力區應力集中，使洞周切向壓應力超過了巖層的抗彎強度，圍巖沿著軟弱結構面產生滑移、離層，導致圍巖發生彎曲變形，進而折斷破壞。林崇德[2]通過數值模擬和相似模型試驗，并結合現場勘探，對水平層狀圍巖隧道拱頂圍巖的變形破壞機制進行了詳細地分析。得到，水平壓應力導致了拱頂層狀圍巖的離層和彎曲變形破壞，而非傳統意義上的受垂直壓應力影響而導致的承載梁形式破壞。劉高[3]在研究結構面較發育的堅硬圍巖的動態變形破壞機制時，特別針對層狀圍巖的隧道進行了深入探討。研究表明，此種類型的隧道變形破壞機制是撓曲引發的。隧道開挖后，圍巖徑向應力不斷釋放，而切向應力的不斷增加，層狀巖體在水平壓力的作用下，產生板狀撓曲變形。層狀圍巖的變形破壞是多種因素綜合作用的結果，不僅受到巖體結構特性的影響，還受到地應力[4]和隧道開挖尺寸[5]等實際施工條件的制約。例如，一些研究者[6-7]強調，應力水平對水平不同層狀圍巖的變形破壞模式和破壞特征不同，應力水平對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制提供了堅實的理論基礎和實踐指導。

1層狀圍巖變形中的關鍵層

錢鳴高院士提出了地下洞室上覆巖層的關鍵層理論，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，在水平應力的作用下能夠保持穩定，不易發生彎曲變形。因此，關鍵層在地質結構中發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，形成兩個相對獨立的系統。鑒于關鍵層的重要性，對其的識別和定位成為了分析離層影響區域不可或缺的重要一環。

基于水平層狀圍巖受力特點，假設巖板在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為零。當為零時，撓度w恒為零，此時巖板處于平面平衡狀態，不產生結構性變形；當為零時，該情況下巖板可能出現壓曲結構性變形，因而有

式（4）中，可分別取不同整數，當m、n的取值滿足條件時，對應的即為關鍵層巖層所要滿足的彎曲剛度，即

若要求關鍵層巖層最小剛度，則令[10]，同時令，則可得到關鍵層的最小剛度為

2離層范圍與特征

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

對于隧道拱底的圍巖，若存在一層厚巖層，其剛性足以抵抗外部力的沖擊，從而保持形態穩定，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鍵層。值得特別關注的是，當拱頂或拱底的首層巖層為關鍵層時，由于它的強大支撐作用，圍巖中將不會出現離層變形現象。

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。當發現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力的作用而不發生彎曲變形，即滿足式（6）所規定的彎曲剛度條件時，便可確定該層為關鍵層。

假設第n層巖層滿足式（6），那么它就被視為關鍵層。根據關鍵層理論，對于洞室頂部的巖層來說，離層將會出現在關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，對于洞室底部的巖層來說，離層將會出現在關鍵層與其上方巖層的交界面。

對于第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。具體來說，在洞室頂部，當下層巖層的結構性彎曲變形大于上層巖層時，相鄰巖層間便會出現離層；而在洞室底部，則是當下層巖層的結構性彎曲變形小于上層巖層時，才會產生離層。這些特點為深入分析和預測離層現象提供了重要的依據。

3離層產生的影響因素3.1地應力

地應力是導致圍巖變形破壞不可忽視的重要因素。對于層狀圍巖而言，地應力的大小直接決定了巖層是否會發生壓曲或彎曲變形。離層的形成，往往源于各巖層在受到地應力作用時，其結構性變形的不協調。尤其是存在臨空面的情況下，一旦地應力超越了巖層的壓曲變形臨界值，巖層便會開始發生壓曲現象。

3.2圍巖的巖體結構

圍巖的巖體結構在控制其變形行為中扮演著至關重要的角色。例如：巖層的厚度受層面發育間距的直接影響，進而影響離層的發育程度和分布特征。此外，巖板的邊界約束條件是由結構面對巖層的切割狀態所決定的，這些約束條件進一步影響著層狀圍巖的彎曲變形特性。

3.3 洞室的規模

洞室規模的擴大通常意味著對圍巖變形控制的難度也會相應增加。當隧道開挖斷面較小時，隧道拱頂層狀圍巖的臨空面尺寸相對較小，這時圍巖的支撐條件較好，不易產生彎曲變形，因此離層現象相對較少。然而，隨著大斷面隧道不斷出現，隧道開挖斷面的不斷增大，對于層狀圍巖來說，拱頂巖板的臨空面尺寸也相應增大，此時層狀巖板彎曲應力增大，拱頂圍巖更容易發生向臨空面的彎曲下沉變形，從而為離層的產生創造有利條件，加速了離層的產生和發展。

綜上所述，離層在地應力條件、層狀圍巖的力學性質、巖體結構特征以及洞室的規模和形狀等多因素綜合作用下產生的。這些因素共同導致了巖層非連續、非協調的結構變形。對于水平層狀圍巖，其變形破壞過程受巖體結構的影響很大，并展現出逐層遞進性破壞的特征。在層里面和水平壓應力的共同影響下，在巖層剛度差異較大巖層接觸面首先發生分離，形成離層。隨后，隨著離層變形的不斷發展，巖層的結構性彎曲變形逐漸加大，最終超過巖層的抗拉強度，導致巖層彎曲拉裂破壞，進而會引發巖層層狀垮塌破壞。

4結語

（1）基于巖層壓曲條件的深入分析，得到了圍巖中關鍵層判定強度的條件。關鍵層所處位置直接影響離層范圍的大小，關鍵層距離臨空面越近，離層范圍則越小；反之，離層范圍則越大。基于巖層的結構性彎曲變形特性及離層產生的條件，得到離層產生受地應力水平、圍巖的物理力學性質、巖體結構特征以及洞室規模的影響。

（2）離層破壞過程呈現出明顯的逐層遞進性演化特征，其過程可概括為：首先巖層發生結構性彎曲變形，隨后產生離層，接著巖層發生彎曲拉裂，最終導致巖層垮塌。進一步提出了巖層彎曲拉裂破壞的力學判據，并詳細描述了在這一破壞過程中裂縫的產生與發展特點。

（3）巖層垮塌后，會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程會形成梯形拱的破壞輪廓。

參考文獻

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