水平層狀圍巖變形規律及漸進破壞機理研究

摘要：層狀巖體受結構面影響，其破壞模式和破壞機制明顯不同于其他巖體。在層狀巖體中修建隧道，圍巖穩定性問題比較突出。以東風路隧道為背景，針對層狀巖體隧道圍巖的破壞模式及漸進變形破壞機制進行了研究，結論如下：水平層狀巖體隧道圍巖穩定性影響因素主要有地質因素、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；層狀圍巖漸進變形破壞具有典型的逐層遞進性演化特征，靠近初始臨空條件的巖層優先出現離層，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。

關鍵詞：層狀巖體"隧道圍巖"破壞模式"破壞機理

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，常常出現圍巖大變形、支護破壞等問題。目前，國內外學者對地下工程圍巖穩定性影響因素及破壞機理的研究取得了一定的成果。于學馥等人[1]按照圍巖破壞過程、破壞形態及成因，總結了圍巖的破壞的六種類型；樊純壇等人[2]基于HC分類法，重點考慮層狀巖體的層厚與產狀對圍巖穩定的影響，對層狀巖體地下洞室施工階段的圍巖進行了精細化分級;"王尚[3]考慮層狀巖體結構面走向、傾角和層厚及與工程結構物的不同空間位置關系，建立隧洞三維有限元計算模型，分析了隧洞圍巖的穩定性；高燕等人[4]通過模型試驗，得到了連續介質條件下隧道圍巖的破壞模式。張建聰等人[5]基于對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]采用數值模擬的方法研究了不同傾角下節理巖體穩定性；王華[7]研究了大斷面黃土隧道圍巖穩定性。

對于地下工程圍巖的破壞機理，許多專家學者進行了大量研究，并取得一些成果，但專門針對層狀巖體隧道圍巖變形破壞的研究還比較有限。因此，本文依托東風路隧道對水平層狀圍巖隧道穩定性及破壞機理進行研究，以期為類似工程建設提供借鑒。

1工程概況

東風路隧道以硅質泥巖為主，泥晶結構，薄層狀，局部中厚層狀構造，風化程度可分為全風化層、風化層、中風化層，全風化層主要為密實碎石，強風化層呈碎石、角礫狀，中風化層巖質較硬，呈塊狀。

2水平層狀圍巖穩定性

2.1影響層狀巖體隧道圍巖穩定性的因素

圍巖穩定對保證地下工程安全至關重要，圍巖穩定不僅受巖石性質、巖體、結構與構造等自然因素的影響，而且受開挖方式、支護形式和時間的影響。影響層狀巖體隧道圍巖穩定性因素包括地質因素、施工因素因素2種，具體如下。

2.1.1地質因素

（1）巖石的物理力學性質。

巖體由天然應力狀態轉變為圍巖應力狀態過程中的應力釋放和應力調整引起的圍巖變形。當層狀巖體隧道處于完整性較好的堅硬巖層中時，隧道開挖導致的圍巖變形量較小；當圍巖較破碎、節理裂隙發育、整體性較差時，隧道開挖圍巖變形則較大。同時，由于層狀巖體特殊節理的存在，會導致巖體發生錯動和滑移，給圍巖的穩定帶來不利影響。

（2）巖體結構與構造。

巖體的變形特性既受到巖體結構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構特征，導致其相對于其他類型巖體具有較強的結構變形特征，同時，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特性的差異，進一步導致了各巖層結構變形的差異，并導致巖層間的變形不協調。

2.1.2施工因素

在施工過程中，常常存在著操作不規范和施工工藝流程不完善的情況。

（1）噴射混凝土的強度和韌性不滿足要求，厚度沒有達到設計要求。

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

（3）鋼支撐型號不合適，導致強度、剛度不滿足要求。形狀不滿足要求，導致不能緊貼圍巖，以及可能存在未設置鎖腳錨桿，或鎖腳錨桿焊接不合格。鋼支撐布置間距過大，過于稀疏。

以上各種施工因素綜合作用，導致支護結構施工質量不合格，不能達到設計要求，導致圍巖應力沒有得到很好的釋放或應力釋放不均勻，產生過大變形，導致支護結構產生破壞進而引起塌方等破壞問題，影響施工進度。

2.2水平層狀圍巖破壞模式分析

按照應力控制類型的不同，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

隧道開挖產生臨空面，導致圍巖應力發生重分布，受到應力傳遞和重力作用的雙重影響，層狀圍巖產生彎曲變形，隨著彎曲變形的不斷增加，當圍巖的彎曲變形超過圍巖的抗拉強度時，巖石產生拉裂破壞，按拉裂破壞發生的位置不同，分為拱頂拉裂破壞和邊墻張拉破壞。

（1）拱頂張拉破壞。

對于呈水平狀或近似水平狀的巖層，其張拉破壞主要發生在拱頂和拱肩位置。對于在水平巖層中開挖的隧道，在進行結構分析時，可將拱頂圍巖近似簡化成梁結構，承擔來自上部的荷載，受到開挖臨空面和上部圍巖壓力的影響，巖層結構首先在跨中部位產生彎曲，當彎曲應力超過巖層抗拉強度時，巖層跨中底部首先產生張拉裂縫，隨著巖層撓度的增加，裂縫不斷向上發展，直至穿破整個巖層，巖層產生張拉斷裂破壞。

（2）邊墻張裂剝落破壞。

對于巖層呈垂直狀或近似垂直狀的隧道，受到隧道開挖應力擾動后，在平行于洞壁方向上會產生較大的拉應力，而在垂直洞壁方向，應力相對較小，因此，邊墻部位巖體會向隧道臨空面內擠，當應力超過巖體抗拉強度，邊墻部位產生張拉剝裂破壞，巖體剝落。

（3）斜板張拉破壞。

對于巖層呈傾斜狀的隧道，隧道開挖產生臨空面后，會在拱肩部位和洞室兩側壁產生斜板張拉破壞。當圍巖壓力較大時，巖層將發生指向隧道臨空面彎曲內鼓，隨著彎曲變形不斷增大，超過巖體的抗拉強度時，巖體將產生張拉彎折破壞。

2.2.2滑移破壞

受到構造應力的影響，層狀圍巖會沿著結構面產生滑移，因此，對于巖層傾角較大的隧道，隧道開挖后，當巖層間的剪應力超過巖層的抗剪強度時，會在拱肩、邊墻或拱頂部位產生沿著結構面的滑移，從而產生滑移破壞。按破壞發生的位置不同，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，在應力擾動、圍巖壓力的影響下，當層里面剪應力超過巖體的抗剪強度時，巖體會發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，會沿著層里面產生滑移破壞，造成圍巖失穩，產生較大塌方破壞。

3水平層狀圍巖隧道漸進破壞機理

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平面，稱為平頂現象。因此，隧道拱頂受力由通常的壓力拱受力轉變成平面板支撐受力。因此，層狀圍巖矩形洞室開挖后，如若支護強度不足或支護不及時，圍巖容易發生彎曲變形，拉裂破壞，進一步發生垮塌破壞，并且破壞會逐漸向圍巖內部漸進循環發展，直至達到應力平衡狀態，形成一個新的平衡結構。

對于水平層狀圍巖來說，隧道拱頂的塌落始于拱頂首層巖層，然后逐漸向上、向圍巖內部發展。由于受到兩拱肩的固定作用，巖層的垮塌不是隧道整個開挖斷面的寬度，而是在兩端會保留一部分，兩端保留的懸挑部分會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，每層巖層垮塌時都會遺留一部分，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，垮塌的跨度會不斷減小，最終會形成一個梯形拱。層狀圍巖由于其結構的特殊性，導致其力學特性呈現出明顯的各向異性和非連續特性。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“離層產生—彎曲拉裂—層狀垮塌—形成平頂”的演變過程將循環出現，逐層向上發展，直至形成穿插型塌方。

當水平應力分量超過層狀圍巖的層間抗剪強度時，巖層會向臨空面產生剪切滑移變形，這也是在隧道兩端的拱肩和拱腳處常常出現開裂和鋼拱架彎曲等大變形災害的原因。因此，層狀隧道圍巖的變形主要特征為：在開挖擾動應力的影響下，水平巖層迅速產生朝向臨空面的擠壓變形，主要表現為拱頂沉降，如果支護不夠及時或不夠充分，層間節理發生破壞，繼而導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度的薄弱面，即層理面的法線方向。

從工程地質力學的角度看，層狀巖體和其他非層狀巖體，不同之處表現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，往往還有結構方面的撓曲變形。這種結構不是巖體的微觀結構，而是上述提到的層狀巖體所形成的工程結構。層狀巖體的結構變形破壞往往比巖石材料本身的變形破壞更嚴重。在地下工程中則經常可以看到洞頂的彎曲，地板鼓起，側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，必須充分考慮巖石的物理力學特性以及巖層的結構變形破壞特點，以對變形破壞進行客觀分析。

4"結語

（1）影響水平層狀巖體隧道圍巖穩定性主要因素有地質因素、施工因素。而地質因素中，最重要的影響因素為巖塊的堅硬程度、結構面發育程度、軟弱結構面性質。

（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，可將拱頂巖體簡化成固端梁進行分析，當剪應力大于固端梁的抗剪強度時，將發生剪切滑移破壞，并且巖層越薄，剪應力越大；巖梁中點下部拉應力隨著巖層厚度的減少而增大，拱頂拉應力越大，越容易導致彎折破壞。

（4）巖層垮塌后會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，離層逐層遞進發展，最終形成梯形拱破壞輪廓。

參考文獻

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