地下洞室围岩大变形机制研究

地下洞室围岩大变形机制研究

发表时间：2015-10-08T13:12:07.820Z 来源：《基层建设》2015年5期供稿作者：罗荣辉[导读] 四川公路桥梁建设集团有限公司华东机华分公司四川成都隧道穿越高应力、软弱破碎围岩条件及复杂恶劣地质环境的情况不可避免，与此同时，隧道围岩大变形问题也凸显出来。罗荣辉

四川公路桥梁建设集团有限公司华东机华分公司四川成都 610200 摘要：基于地下洞室危岩大变形工程特性，揭示了围岩大变形卸荷作用机制，并介绍了卸荷作用过程及围岩变形特性；提出了瞬时—弹性—塑性—流变变形机制，其机制包括瞬时变形、弹性变形阶段、塑性变形阶段、流变变形阶段；解译了弱面剪切机制，并给出弱面剪切机制的强度准则。

关键词：地下工程；大变形机制；围岩；地下洞室1 引言

近年来，随着中国队基础设施建设投资力度的逐渐加大，铁路、公路隧道工程的建设规模得到了迅猛发展，隧道工程施工的机械化程度和施工技术水平也得到了很大的提高。目前，在中国路网主骨架“八纵八横”总体战略实施过程中，铁路、公路隧道已经向长、大、深埋方向发展[1，2]，因此隧道穿越高应力、软弱破碎围岩条件及复杂恶劣地质环境的情况不可避免，与此同时，隧道围岩大变形问题也凸显出来。

本文介绍了地下洞室围岩大变形的卸荷作用机制、瞬时—弹性—塑性—流变变形机制、弱面剪切机制等机制，研究成果对于深入了解围岩大变形机理具有积极意义。

2 地下洞室围岩大变形机制研究2.1 卸荷作用机制地下洞室岩体开挖后，产生应力重分布，如图1所示，应力迹线岩体应力在没开挖前平面上受竖向均布荷载，开挖后被开挖的洞室岩体产生应力集中，应力迹线在洞室周围由直线变为弧形曲线，越靠近洞室周壁应力变化越显著。因此洞室开挖后岩体由三向应力状态变为平面应力状态，即在洞室周围形成侧向临空面，而临空面的形成伴随着而瞬间卸荷作用的产生。岩石的卸荷破坏变形主要是因卸荷导致的破裂前的扩容作用和宏观剪切破坏。从岩石三轴和单轴压缩试验应力——应变曲线可以看出当岩体受荷达到某一值时岩石体积膨胀，这是由

应力差急剧变化引起的变形破坏，此后岩体进入累进破坏阶段，最终完全破裂。卸荷变形破坏作用机制过程：1）卸荷初始阶段，岩体基本保持原状，但岩体内有微小裂缝的形成；2）卸荷达到一定程度后，侧向临空面处岩体处于平面应力状态，即拉—压作用，受拉—压作用微小裂缝尖端应力集中而张拉扩展，由卸荷岩体应力—应变曲线可知，此时侧向应变和轴向应变基本相等，但由侧向应变曲线和轴向应变曲线的切线斜率知侧向应变速率明显大于轴向应变速率，并处于加速增长状态。3）卸荷作用继续发展，裂缝继续扩展，对于硬质岩体由于拉——压作用裂缝部分贯通并表现为竖向裂缝的增多和侧向岩体的鼓起，裂缝表现为追踪效应，应力——应变曲线上表现为应变的急剧增大，变形速率趋于稳定并有减缓的趋势，但侧向变形速率仍大于轴向变形速率。对于软质岩体随着时间的推移表现为一定的流变特性，岩体变形曲线为近于平行。4）卸荷作用最后阶段对于硬质岩体裂缝完全贯通破裂，破裂面形成，表现为剪切破坏，岩体较为破碎，并且竖向裂隙比较集中，并伴有显著的竖向破裂面。对于软质岩体流变使变形缓慢进行，表现为侧向挤出和塑性流变。

2.2 瞬时—弹性—塑性—流变变形机制1）瞬时变形

瞬时变形是岩体开挖应力释放后瞬间产生的变形量，与岩体性质、岩体初始应力场、地下水、岩体构造等有关，是一种非线性变形机制，变形伴随岩体的张裂，一般变形量较小。2）弹性变形阶段弹性变形是岩体进入线弹性变形阶段产生的变形量，此阶段弹性模量（E）为一常数，应力和应变呈现线性关系，表达式如下：（1）式中，——应力值；——变形量对于硬质岩体弹性变形时间较长，但变形量较小，对于许多处于高应力区的硬质岩体开挖后一般处于弹性变形阶段；对于软质岩体，弹性变形很快结束进入屈服阶段，但变形量较硬质岩体大。3）塑性变形阶段塑性变形是岩体卸荷后受拉压作用使岩体超过屈服强度后产生的不可逆的变形量。对于硬质岩体，变形进入此阶段，岩体变形急剧增大并趋于峰值。对于软质岩体或处于高温高压作用下的硬质岩体塑性变形持续时间较长，表现为塑性变形和侧墙的岩体挤出，如围岩颈缩、底鼓、侧向突出等。现有的弹塑性机制弹性阶段在应力应变图上为线性变化，而对塑性变形有线性、幂指数型等变化。4）流变变形阶段

此阶段对于一般硬质岩体不存在，只有对于高应力高温条件下的硬质岩体或软质岩体才会出现流变变形。流变指岩体应力超过流变极限或达到长期强度后或地温释放使温度增加而使变形随时间持续增加的变形过程。岩体开挖后一段时间，岩体应力重分部后处于新的应力场，应力场基本不变，岩体逐渐达到长期强度，软质岩体的在新的稳定应力场下发生随时间持续增长的变形，如地下洞室围岩初期支护后仍发生较大的变形。

2.3 弱面剪切机制

弱面有软岩夹层、破碎夹层和泥化夹层，弱面强度和参数一般比原岩要低地多，且易发生塑性变形。岩体开挖后由于卸荷作用使岩体破碎并产生许多剪切破裂面，破裂面中的粘土矿物与水接触膨胀变软，使岩体继续开裂，并且岩体在上覆荷载作用下产生的下滑力会使岩体沿着软弱面发生变形，当岩体上覆荷载产生的下滑力大于弱面的抵抗力时，岩体就会发生弱面剪切破坏。由Mohr-Coulomb强度准则知：（2）

式中，为最大剪应力；为正应力；为内摩擦角；为粘聚力。

当上覆岩体产生的剪应力大于时，岩体产生弱面剪切。影响若面剪切的因素有岩体中的粘土矿物、岩体内摩擦角、岩体的粘聚力、地下水等。弱面剪切位移变化一般易于监测，通过监测可获得位移与时间的关系式，从而通过位移曲线的变化判别位移大小和弱面剪切破坏的发生。

3 结论

（1）揭示了围岩大变形卸荷作用机制，并介绍了卸荷作用过程及围岩变形特性。

（2）提出了瞬时—弹性—塑性—流变变形机制，其机制包括瞬时变形、弹性变形阶段、塑性变形阶段、流变变形阶段。

（3）解译了弱面剪切机制，并给出弱面剪切机制的强度准则。

参考文献：

[1]陶波，伍法权，郭啟亮，等.高地应力环境下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律实测与数值分析研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（9）：1828-1834.

[2]陈建勋，李建安.公路隧道二次衬砌厚度的优化[J].交通运输工程学报，2006，6（3）：68-72.

作者简介：

罗荣辉，1989.12，助理工程师，四川省成都市双流县东升镇花月街8号，四川公路桥梁建设集团有限公司华东机华分公司，邮编610200。