劉 從 友

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222)

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薄層軟弱巖體流變研究

劉 從 友

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222)

結(jié)合某隧道內(nèi)裂隙的發(fā)育特征，并根據(jù)軟巖的流變機(jī)理，通過有限元分析軟件，研究了隧道圍巖的整體應(yīng)力及變形的趨勢(shì)，為以后軟巖隧道的設(shè)計(jì)和施工提供了參考依據(jù)。

隧道，軟弱巖體，裂隙，流變機(jī)理

0 引言

隧道的開挖貫通是多種因素耦合作用下復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和連續(xù)的地質(zhì)環(huán)境演化過程，開挖使得原本處于一定平衡應(yīng)力狀態(tài)下周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布，尤其在泥巖、頁巖等軟弱巖體中，由于巖石強(qiáng)度較低，以及結(jié)構(gòu)面的切割和初始地應(yīng)力的作用，巖體向開挖臨空面發(fā)生變形，是一個(gè)應(yīng)力二次調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程[1-4]。

軟巖隧道的穩(wěn)定性主要受圍巖強(qiáng)度和初始應(yīng)力的控制，表現(xiàn)為隧道圍巖的變形，但巖體的變形只是圍巖變形的宏觀表現(xiàn)，它刻畫的是圍巖的運(yùn)動(dòng)方式的改變，未能反映圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，其次，隧道圍巖的變形反映出圍巖—支護(hù)系統(tǒng)表層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而未能反映深部圍巖的運(yùn)動(dòng)方式[1]，因此，在圍巖流變機(jī)理的基礎(chǔ)上研究整體圍巖的變化趨勢(shì)和變形狀態(tài)。

由于軟弱巖體流變受多種因素的影響，且由于圍巖自身的不可預(yù)知性和復(fù)雜多變性，目前對(duì)于軟巖的流變機(jī)理和理論模型并沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[1,3,4]。基于此，通過研究巖體的流變機(jī)理，對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行安全性分析，為以后軟巖隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

隧道所處工程區(qū)地形復(fù)雜，溝壑縱橫，高差懸殊大，地形切割劇烈，東部為廣靈盆地，西部為渾源盆地，中部為恒山山脈及六棱山，該區(qū)域由于受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和長期侵蝕、剝蝕、堆積等外動(dòng)力地質(zhì)作用，地表溝壑縱橫，新生界地層堆積較厚。

隧道穿越廣靈斷陷盆地中的構(gòu)造剝蝕基巖低中山區(qū)，全長約2 200 m，埋深最大約為290 m。隧道圍巖由寒武系灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r、第三系上新卵礫石土、第四系中更新統(tǒng)離石組黃土、上更新統(tǒng)馬蘭組黃土組成。其中寒武系灰?guī)r強(qiáng)度較低，巖層近水平發(fā)育，產(chǎn)狀為NE70°∠7°，層面間距較小，平均約10 cm～20 cm，局部最小為1 cm，充填褐黃色泥質(zhì)，巖體同時(shí)發(fā)育縱向泥質(zhì)充填結(jié)構(gòu)面，延伸較長，該組結(jié)構(gòu)面主要對(duì)巖體起切割作用。

隧道工程整體位于地震動(dòng)峰值加速度0.15g范圍內(nèi)，附近區(qū)域有記錄的破壞性6級(jí)以上地震5次，5級(jí)以上地震8次，且地震帶震源淺、強(qiáng)度大，對(duì)隧道工程有一定的影響。

2 裂隙發(fā)育情況

通過對(duì)隧道中二次襯砌裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析(見圖1)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂隙發(fā)育類型主要有環(huán)向型、縱向型和預(yù)留洞室型。環(huán)向型裂隙的形成原因多為受力不均，由于襯砌施工時(shí)澆筑不均，當(dāng)出現(xiàn)脫空或不密實(shí)現(xiàn)象時(shí)，由于密實(shí)處先于脫空處承受荷載，造成襯砌受力不均，使得密實(shí)處變形較大，形成不均勻沉降。

縱向型裂隙主要分布在兩側(cè)邊墻起拱線和拱頂，呈近直線延伸，多延伸較長，但張開較小。由于圍巖的變形較大，支護(hù)強(qiáng)度不足，在拱頂和起拱線處承擔(dān)較大的拉力，形成拉裂縫。預(yù)留洞室型主要由于在預(yù)留處應(yīng)力集中，從應(yīng)力集中點(diǎn)(見圖1預(yù)留洞室拐角處)發(fā)生拉裂，形成剪裂縫，向兩側(cè)延伸，呈“X”共軛剪切裂隙。

3 流變機(jī)理

隧道開挖之前，巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)。隧道開挖后，巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，巖體應(yīng)力在隧道外一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了重新分布。隧道支護(hù)后，隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)再次發(fā)生調(diào)整，從而在圍巖內(nèi)形成三次應(yīng)力狀態(tài)。在隧道開挖后的二次、三次應(yīng)力調(diào)整過程中，由于圍巖未能得到及時(shí)有效支護(hù)，巖體便產(chǎn)生臨空的塑性變形。在洞周出現(xiàn)應(yīng)力集中，使隧洞周邊一定范圍內(nèi)的圍巖處于破壞狀態(tài)，在剪應(yīng)力作用下出現(xiàn)向洞內(nèi)擠入的剪切滑移、底鼓及洞徑縮小。

地下工程圍巖的變形破壞通常是累進(jìn)性發(fā)展的。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的不均一性及各向異性，在應(yīng)力集中程度高，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又相對(duì)較低的部位往往是累進(jìn)性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系中的最薄弱部位就可能發(fā)生局部破壞，并使應(yīng)力向其他部位轉(zhuǎn)移，引起另外一些次薄弱部位的破壞，如此逐漸發(fā)展，連鎖反應(yīng)，終導(dǎo)致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。

該隧道中，由于開挖作用打破了初始應(yīng)力平衡，巖體在近臨空面處形成塑性松動(dòng)圈，巖體發(fā)生掉塊、坍塌等現(xiàn)象，通過對(duì)隧道進(jìn)行有限元模擬，從結(jié)果中可以看出，隧道開挖后，在拱頂及兩側(cè)拱腰處產(chǎn)生塑性松動(dòng)區(qū)，在支護(hù)施工完成后，由于支護(hù)強(qiáng)度不足以完全抵消由于圍巖擠壓引起的變形，致使二次襯砌的預(yù)留洞室等應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生拉裂現(xiàn)象。預(yù)留洞室型裂隙見圖2。

4 變形分析

在隧道工程中，軟巖流變的根本表現(xiàn)是圍巖變形。如果變形過大直接影響隧道結(jié)構(gòu)體的安全。依據(jù)彈塑性力學(xué)理論，隧道開挖后二次應(yīng)力狀態(tài)下直徑為r處的位移為：

(1)

φ——內(nèi)摩擦角； ξ——圍巖塑性系數(shù)，ξ=(1+sinφ)(1-sinφ)。

施工二次襯砌后的三次應(yīng)力狀態(tài)下位移為：

(2)

表1 二次應(yīng)力及三次應(yīng)力狀態(tài)下不同深度徑向變形

表1表明在無支護(hù)條件下，隧道徑向變形在洞周為2.64 cm，隨著距離的不斷增加，變形逐漸減小，在深度為25 m時(shí)，變形僅為洞周的19.7%；在有支護(hù)條件下，洞周徑向變形為1.48 cm，同比無支護(hù)時(shí)減小44.0%，而深度為25 m的變形為0.29 cm，同比減小44.2%，僅為洞周變形的19.6%。通過隧道開挖后二次應(yīng)力及三次應(yīng)力下的變形計(jì)算，對(duì)信息化隧道施工起到了指導(dǎo)作用。

5 結(jié)語

隧道內(nèi)各部分由于承受荷載不同，主要發(fā)育環(huán)向型、縱向型和預(yù)留洞室型三種類型裂隙。同時(shí)通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)在拱腰處產(chǎn)生較大塑性松動(dòng)區(qū)，使得拱腰處預(yù)留洞室等應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)二次應(yīng)力、三次應(yīng)力下不同深度的徑向變形進(jìn)行了對(duì)比分析，變形主要發(fā)生在洞周2倍半徑范圍內(nèi)，從洞周向外逐漸減小。

[1] 楊重存，劉 高，趙志福，等.復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道信息化施工技術(shù)研究[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2005.

[2] 劉 高.高地應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)性流變圍巖穩(wěn)定性研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2001.

[3] 張向東，李永靖，張樹光，等.軟巖蠕變理論及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(10)：1635-1639.

[4] 邵祥澤，潘志存，張培森.高地應(yīng)力巷道圍巖的蠕變數(shù)值模擬[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23(2)：245-248.

Study on thin-layer soft-weak rock mass rheology

Liu Congyou

(The First Harbour Engineering Investigation and Design Institute of China Communication, Tianjin 300222, China)

Combining with the internal tunnel cracks developing features, according to soft-weak rock rheology mechanism, through finite element analysis software, the paper studies integral stress and deformation tendency of the tunnel surrounding rock, which has provided some guidance for soft-weak rock tunnel design and construction in future.

tunnel, soft-weak rock mass, cracks, rheological mechanism

1009-6825(2016)30-0081-02

2016-08-19

劉從友(1984- )，男，碩士，工程師

TU452

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