隧道工程软弱围岩大变形控制体系分析

隧道工程软弱围岩大变形控制体系分析【摘要】21世纪可谓是地下工程和隧道工程突飞猛进发展的时代，世界各国不断的开发利用地下空间进行城市地铁、水利水电工程以及交通运输的建设。当今时代隧道工程已经进入了快速发展的阶段，我国的隧道工程也在不断的发展，随着青藏铁路、南水北调工程、海底隧道工程的建设，我国在隧道工程的研究方面已经处于世界的前列，但是，越来越多的挑战也是我国隧道工程必须积极面对的，例如对隧道工程软弱围岩大变形控制体系的研究方面。本文针对隧道工程软弱围岩大变形控制体系进行了分析研究。

【关键词】隧道工程；软弱围岩；大变形；控制体系分析

1 前言

近年来，随着西部大开发的逐步推进以及中国基础建设事业蓬勃迅速的发展，中国的地下工程、铁路工程、公路工程正在突飞猛进的发展，长大、深埋的隧道工程越来越多。当隧道遇到软弱围岩体或必须穿越高低应力区的时候，软弱围岩大变形等严重的地质灾害时常发生，如何有效合理的控制与防治隧道软弱围岩大变形已经成为当今一项重要的课题。

2 隧道工程软弱岩大变形的类型

通过对围岩变形机制的深入研究，再结合受控条件将隧道围岩大变形分为三大类，即受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制、人工开采扰动影响。

2.1 受围岩的岩性控制

软弱围岩类型主要有：具有膨胀性的软岩、泥灰岩、砂质泥岩和泥质页岩等，此类型围岩一般来说可以保持其原有的结构。然而，当围岩受到高应力时，其岩体就会出现塑性变形或流动现象，有时甚至会受到地下水的作用则会出现岩体软化流动现象。如果在围岩内存在大量膨胀性矿物质，极易出现膨胀变形。由此看来，我们可以结合围岩各种结构面的发育特点，把软弱围岩分成多个类型，例如：膨胀性软弱岩、层状软弱型、均质软弱型等。弯曲变形、塑性流动为主要的围岩变形破坏模式。

2.2 受岩体结构控制分析

一般来说，围岩变形发生在受浅表生改造与受构造改造类型的岩体内。由于不同类型的岩体其结构形成机制也是有很大区别的，我们可以将其分为两大类，即浅表生该中心与构造改造型。然而，由于改造的程度不一致，又可以把受岩体结构进行深入划分，碎块状结构型与块裂状结构两大类型。

2.2.1 浅表生改造型

受浅表生改造作用的巨大影响，当近地表岩体达到一定深度时，围岩会受来自侧向与垂向卸荷的影响，尽管围岩会被改造，但是，有时围岩会出现破碎现象，由于改造程度的不同，其破碎程度也是有很大不同的。一般来说，根据破碎程度将其分为两种类型，即碎块状结构和块裂状结构。如果受浅表生作用影响，那么围岩就会被改造成块状型。一直以来，围岩都发生在不断的改造过程中。另外，受侧向卸荷的影响，使岩体会发生移动，围岩就会形成另外一个新

结构面，这时，地应力也是非常集中的。

浅表生改造型大变形的特点主要包含以两点：一方面，围岩受浅表生改造影响，不会产生非常大的地应力。然而，在岩体局部地应力是比较集中。另一方面，由于破碎围岩的大变形会在地表发生移动，而且表现为散体结构。由于这些结构没有支护保护，这样一来，便会逐渐的积累，进一步扩大围岩的松动圈，以至于会产生更大的变形，因此，围岩发生的变形会始终贯穿在地表形成过程中。

2.2.2 构造改造型

通常情况下，围岩体表现出非常坚硬的特性，也可以说，围岩的结构特点能够影响围岩的强度，如果围岩应力较大，那么围岩会发生形变。然而，如果在围岩应力差偏大，同时压力减小的情况下，会使围岩的结构面产生不定向的滑移，这样一来，会使围岩的强度大大降低，另外，其具有的结构流变的特征也显著的表现出来了。累进性和渐进性发展为围岩变形破坏演化机制的特点，结构流变、塑性楔体挤出等现象为其变形破坏模式的表现。

2.3 受人工采掘扰动控制

由于采煤活动而在煤层采空区形成的变形就是所谓的人工扰动影响。如果一定要经过采空区，那么，由于采空区的岩体发生移动、变形等而使隧道衬砌结构发生变化。然而，我们可以结合隧道和采空区岩层的方向将其分成两大形态，即：水平型、倾斜性。

3 围岩大变形的机理

围岩发生变形这主要是因为围岩的性质所决定的，主要包含岩

体的结构特点、岩性。另外，围岩的环境条件主要有水资源分布、地应力等内容，这样一来，也会导致围岩发生变形。除此之外，围岩变形和支护措施也有紧密的联系。我们通过大量实验将围岩大变形的机理分成多个方面进行讨论：

3.1 软岩的塑流

受隧道工程的开挖影响，会适当的调整围岩的应力，这样一来，变会使围岩出现扩容的现象，其中，岩体的结构面呈现闭合状态，由于扩容的影响，从而使岩体发生移动，导致岩体发生破裂。如果同时改变岩体的强度与应力状态，那么地下水就会出现软化与渗流的现象，从而使围岩发生塑性流动，进一步增大围岩的收敛位移。例如：鹧鸪山隧道工程的地下水渗出，从而使工程的边墙内鼓，可以说软弱围岩的塑流就是因应力强度较大而引起的。

3.2 软岩的膨胀变形

膨胀性岩石、应力和水是岩石发生膨胀现象的必要条件。膨胀性岩石中具有大量的片状膨胀性矿物，包括高岭石、绿泥石和蒙脱石等。若地下工程处于膨胀岩地区，径向应力由于开挖卸荷的影响而大大降低，若没有支护的条件下，也就是在洞壁附近，围岩膨胀的应力条件就得到了满足；除此之外，由于爆破作用而使裂隙产生、发生张开滑移的原有裂隙、由于应力调整造成了新裂隙生产，所有这些裂隙都是水进入围岩内部的渠道。同时受这两方面的影响，很快就会出现膨胀变形，从而使支护上的荷载大大增大。

3.3 对围岩板梁的弯曲变形分析

假设地下洞室处于层状岩体中，那么弯曲可以解释其变形破坏机制。尤其是在高地应力地段，如果使荷载减小，那么岩体出现弯曲变形的几率会更大，情况严重的可能会彻底破坏围岩。除此之外，洞壁切向应力的增加和径向应力的减小等都会使层状岩体发生挠

曲变形，这是在纵弯或横弯作用下以板的方式发生的。由于洞室开挖的影响，会使应力重新分布，从而导致层状岩体发生了弯曲，而且也会使洞壁在侧向产生一定的变形。然而，对于洞顶与板底来说，由于水平应力的影响，会在垂直方向上发生弯曲，最终导致了底鼓和压顶现象。

3.4 塑性楔体

既有结构面受到节理化岩体塑性变形的影响出现了滑移面。然而，这些滑移面能够在洞室围岩空间中形成塑性楔体，除此之外，还可以深入向洞内剪切滑移。这主要是因为侧压力系数与主应力方向有很大的不同，在洞周不同的部位可以出现塑性楔体，最终破坏了支护结构以及这些部位围岩。

3.5 结构性流变

对于很多地下工程，特别是开挖的地下洞室处在高地应力裂隙化岩体中，根据长期的检测资料对围岩大变形特征的研究发现，洞室自开挖开始的几个月或者几年内，随着时间的变化围岩的应力分布和变形也发生着不断的变化，其表现出来的时间效应特征是非常明显的，结构性流变围岩的最主要特征就是时间效应。

3.6 累进松脱扩展