岩爆与大变形6_1_[1].1

σ cm = Nc = p0 γH
Jethwa等(1984)提出挤压变形分类的公式及划分标准 指标 岩体强度应力比 大变形分级 高度挤压 <0.2 中等挤压 0.2~0.4 微弱挤压 0.4~1.0 无挤压 >1.0
σ cm
②极限变形量/相对变形量法 Aydan等(1993)认为,只要岩体没有完全饱和,围岩大变形不可能完全由矿 物的膨胀引起,认识到日本原来认为是膨胀诱发的隧道围岩大变形实际上 大部分是挤压变形.并根据岩土材料应力—应变曲线中应变硬化阶段,屈 服阶段,应变软化阶段的极限应变与弹性极限应变的比值作为预测挤压变 形严重程度的评判标准,与实际量测得到的洞周相对切向应变比较.
如何进行大变形的预测和程度分级? 如何进行大变形的预测和程度分级?
从预测方法上:经验方法和半定量半经验方法 经验方法和半定量半经验方法.前者本质上是基于岩石质量分 经验方法和半定量半经验方法 类来进行的,后者则使用圆形隧道静水压力条件下的解析解及经验统计分析, 提出估计预期变形量的方法.
1)经验方法 ① Singh等(1992)提出根据Q值预测挤压变形的临界隧道埋深的公式:
观测或预期变形率 u a / a SI = = 极限应变 ε cr
分级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 挤压程度描述 无挤压 轻度挤压 一般挤压 严重挤压 非常严重挤压
ε cr = 5.84
0 σ ci.88
Q 0.12 Ei0.63
SI
SI<1.0 1.0<SI<2.0 2.0<SI<3.0 3.0<SI<5.0 5.0<SI
研究意义
同时,金属和煤炭矿山开采深度越来越大, 以煤矿为例,目前我 国煤矿开采深度以每年8~12m的速度增加,未来20年我国很多煤 矿将进入1000~1500m深度,我国埋深在1000m以下的煤炭储量为 2.95万亿吨,占煤炭总储量的53%.金属矿方面: 南非金矿>1000m,最大3700m; 印度Kolar金矿区,3个>2400m,最大3260m; 俄罗斯克里沃罗格铁矿区,8个~900m; 我国铜陵狮子山铜矿~1100m; 山东玲珑金矿~800m; 抚顺红透山铜矿~900-1100m;湘西金矿>850m.
深埋长大交通,水利隧道和矿山巷道施工和运营中, 经常出现大变形,岩爆,塌方,突涌水等地质灾害.
而目前对于深埋隧道围岩大变形,岩爆等施工地质灾害 变形机制,防治方法等研究尚不足.
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一,深部隧道围岩的大变形
什么是软岩? 什么是围岩挤压大变形? 围岩挤压大变形的预测和分级 围岩大变形的机理 兰武二线乌鞘岭隧道F7围岩大变形 南山集团柳海煤矿巷道大变形
③应力应变强度等多指标结合法 Hoek最初也使用岩体强度应力比作为隧道潜在挤压问题的预测因子,但是在 Hoek & Marinos(2000) 吸收了Sakurai(1983)的思想,将强度应力比与应变率 (即隧道侧壁位移与隧道半径之百分比)结合起来,隧道围岩挤压变形的严 重程度初步预测.
Hoek & Marinos (2000)的挤压变形分级和建议采用支护类型
什么是挤压性围岩? 什么是挤压性围岩?国内外学者从不同角度进行了不同定 义.国外对挤压性围岩的研究比较早也比较系统: 国外对挤压性围岩的研究比较早也比较系统:
1. Terzaghi (1946)—挤压性岩石仅仅指那些含有相当多粘土的岩石 含有相当多粘土的岩石,粘土可 含有相当多粘土的岩石 能是原生的如页岩内的,也可以是蚀变产物.这类岩石可能主要是高岭土类, 或者蒙脱石类的.因此,挤压性岩石范围可能很宽.挤压性岩石缓慢地向隧 道内移动,但并没有明显的体积增加.挤压的首要条件是云母类矿物或粘土 矿物含量高但膨胀能力却很低. 2. Gioda(1982)—挤压意味着时间相依性的变形 时间相依性的变形,是由开挖空间周围的剪应 时间相依性的变形 力集中造成的.偏应变和体积变形都可能出现,后者与岩土介质的膨胀有关. 3. Tanimoto(1984)则假设挤压变形现象是围岩的一种弹塑性行为 弹塑性行为,并认为当 弹塑性行为 岩石应变到其残余塑性状态 残余塑性状态时将发生挤压变形 残余塑性状态 4. O'Rourke(1984)—挤压性地层是指因荷载强度超过其强度 荷载强度超过其强度而在隧道附近出 荷载强度超过其强度 现时间相依性变形 时间相依性变形的地层.挤压性地层的结果是隧道支护结构将在数周甚至 时间相依性变形 数月内经受比初始荷载高数倍的不断增加的荷载.
H = 350 Q
1/ 3
其中,H为隧道顶拱埋深(m),Q为Barton的Q值. ② Goel等(1995)根据99个隧道的跨度(B),岩体质量数(N)和隧道埋深(H)的统 计数据,提出的如下经验公式:
H = 275 N 0.33 B 1 N = (Q )SRF =1
2)半经验半定量方法 可根据所设定的判定标准差异,分为3类:单纯强度应力比法 极限变形量 单纯强度应力比法,极限变形量 单纯强度应力比法 极限变形量/ 相对变形量法,及应力应变强度等多指标结合法 应力应变强度等多指标结合法. 相对变形量法 应力应变强度等多指标结合法 ①强度应力比法 Muirwood(1972)首先建议使用能力因子(Competency factor)即岩石单轴抗压强 度与垂直应力的比值来评价隧道的稳定性.Nakano (1979)利用该参数来认识 日本软岩隧道的挤压变形潜势.其后,Jethwa等(1984),Singh等(1992) , Hoek (2000) 等学者均根据岩体强度与应力的比值来量化隧道围岩的"挤压变 形潜势".
挤压性围岩应具有下列特征: 挤压性围岩应具有下列特征:
a-只要应力和材料特性的特殊组合使隧道周围的某些区域超过蠕 变开始所需的临界剪应力,任何岩土介质中均可发生挤压现象; b-隧道挤压收敛变形量,变形速率,洞周塑性区范围,取决于地 质条件,强度应力比,地下水流量,孔隙水压力以及岩体性质; c-在节理化岩体中可能发生因为支护能力不足的,局限于顶部和 侧墙的大变形不包括在挤压变形范畴内; d-与时间相关的变形也可能发生在膨胀岩体中,挤压变形通常不 意味着体积增加; e-挤压变形与隧道开挖和支护技术及步序密切相关,若支护滞后, 岩体将向洞内移动并造成应力重分布,相反,若岩体变形被抑制, 挤压将导致支护结构遭受长期加载.
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深部隧道围岩的大变形和岩爆
研究和探讨
研究意义
近年来,我国高速公路,高速铁路,大型水电站工程及长距离调水 等工程建设的快速发展,深埋长大隧道将越来越多. 根据我国《中长期高速公路发展规划》,预计到2020年我国高速 公路将形成7条放射线,9条南北纵线,18条东西横线,17条纵向联 络线和19条横向联络线,运营里程将达到8.5万公里; 根据我国《中长期铁路发展规划(2008版)》,预计到2020年我 国时速≥200公里的高速铁路建设里程将超过1.8万公里,届时省会及 主要城市之间都将建成客运专线或城际铁路; 目前在建的锦屏二级水电站工程包括2条交通隧洞,1条排水隧洞和 4条引水隧洞,每条隧洞长度均超过16公里; 目前处于项目建议书阶段的我国南水北调西线一期工程,输水隧洞 长达540多公里,穿越青藏高原东部高山峡谷地区,最长的4#隧洞长 达72.4公里.
长期以来,国内对软岩和弱岩的定义存在较大争议: 长期以来,国内对软岩和弱岩的定义存在较大争议:
软岩一般指岩石(intact rock),即单轴抗压强度为0.5～20MPa的岩石 (ISRM,国际岩石力学学会),或单轴抗压强度小于17MPa的岩石, 或饱和单轴抗压强度小于30MPa的岩石(工程岩体分级标准-1994,岩 挤压大变形隧道则主要出现在以泥岩,泥质砂岩/粉砂岩 粉砂岩, 挤压大变形隧道则主要出现在以泥岩,泥质砂岩 粉砂岩, 土工程勘察规范-2004). 粘土岩,泥灰岩,煤系地层,复理石为主的沉积岩, 粘土岩,泥灰岩,煤系地层,复理石为主的沉积岩,以 Hoek & Marinos (2000)将完整岩块(即岩石)单轴抗压强度<25MPa 定义为弱岩(Weak rock). 页岩,片岩,泥质板岩,千枚岩,蛇纹岩, 页岩,片岩,泥质板岩,千枚岩,蛇纹岩,片麻岩等为 我国煤矿系统在1984年12月的昆明会议上将松软岩层定义为"强度低, 空隙大,胶结程度差,受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀 主的变质岩等这些传统软岩中. 主的变质岩等这些传统软岩中.断层破碎带岩体与传统 粘土矿物成分的松,散,软,弱岩层",显然这里的软岩是岩体,是 软岩相比, 软岩相比,大变形本质相同但影响因素和过程却存在着 松散软弱岩层的简称. E. Hoek (1998)对弱岩体进行了如下定义 "弱岩体是由构造运动造成 显著差别. 显著差别. 的,微观表现为原岩受到了剪切和压碎,原联结结构受到了扰动,工 程特点表现为岩体强度非常低,隧道或边坡开挖很容易诱发失稳破 坏". 顾宝和等(2006)将断层破碎带岩体归为具有不良地质特性并易引发工 程事故的"劣质岩"之一.
喻渝(1998)认为挤压性围岩就是指高地应力下的软弱围岩(包括 断层破碎带岩体),挤压变形的发生的两个必要条件是高地应力和 高地应力和 围岩软弱,充分条件是支护刚度不足 支护刚度不足. 围岩软弱 支护刚度不足 赵旭峰(2007)提出挤压现象是一种在隧道开挖过程中与时间有关 的大变形,与岩体的弹粘塑性时效力学行为具有相当程度的关联性, 表现为在工程扰动力作用下,当岩体所承受的剪应力超过某极限值 时,所发生的随时间发展的显著粘弹塑性变形 随时间发展的显著粘弹塑性变形. 随时间发展的显著粘弹塑性变形
Goel & Singh(1999) 根据相对变形对围岩挤压变形程度进行了分级. 指标 相对变形/u/r% 大变形分级 Ⅰ微弱挤压 1.0~3.0 Ⅱ中等挤压 3.0~5.0 Ⅲ高度挤压 >5.0
Singh等(2007)认为极限应变值的确定应当取决于岩块和岩体的性质,并将 隧道周边切向应变的经验值,可通过数值模拟或现场监测分析得 其定义为隧道周边切向应变的经验值 隧道周边切向应变Байду номын сангаас经验值 到,然后监测得到的应变值与极限应变值之比可被用来量化挤压变形潜势 和修改支护设计.
5. Singh(1992)—挤压意味着岩体应力过大引起的与体积膨胀有关的破坏. 挤压条件下隧道收敛可能长期持续,有时超过1年. 超过极限剪应力而产生的蠕变,只要应 6. Einstein(1990)—挤压本质上是因超过极限剪应力而产生的蠕变 超过极限剪应力而产生的蠕变 力和材料特性的特殊组合使隧道周围的某些区域超过蠕变开始所需的临界剪 应力,任何岩土介质中均可发生挤压现象 任何岩土介质中均可发生挤压现象.挤压机制是岩土体中完整材料颗 任何岩土介质中均可发生挤压现象 完整材料颗 颗粒边界的蠕变,沿着大型不连续面 大型不连续面如层面, 粒的蠕变或/和沿着完整材料颗粒边界 颗粒边界 大型不连续面 片理面,节理和断层的蠕变 7. Kovari(1998)—岩石对开挖的挤压响应意味着:地层大变形造成隧道截面 收缩,变形持续很长时间,如果变形收到抑制,地层压力可能增大,有时导 致支护系统破坏.并且指出,持续大变形通常不是膨胀的结果,在节理化岩 体中发生的,因为支护能力不足的,且局限于顶部和侧墙的大变形不是挤压 变形,岩爆与挤压不是同一类. 8. 国际岩石力学协会(ISRM,1995)—"Squeezing of rock is the time dependent large deformation which occurs around the tunnel and is essentially associated with creep caused by exceeding a limiting shear stress. Deformation may terminate during construction or continue over a long time period."
Hoek(2000) 通过有限元分析,给出了隧道掌子面和侧壁的应变率与初始地 应力,支护阻力之间的近似关系式: