摘要：層狀巖體受結(jié)構(gòu)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(wěn)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(jié)論如下：水平層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素主要有地質(zhì)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(yōu)先出現(xiàn)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(tài)。

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(xiàn)圍巖大變形、支護破壞等問題。目前，國內(nèi)外學者對地下工程圍巖穩(wěn)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(tài)及成因，總結(jié)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(chǎn)狀對圍巖穩(wěn)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(jié)構(gòu)面走向、傾角和層厚及與工程結(jié)構(gòu)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(wěn)定性；高燕等人[4]通過模型試驗，得到了連續(xù)介質(zhì)條件下隧道圍巖的破壞模式。張建聰?shù)热薣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(shù)值模擬的方法研究了不同傾角下節(jié)理巖體穩(wěn)定性；王華[7]研究了大斷面黃土隧道圍巖穩(wěn)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(wěn)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(zhì)泥巖為主，泥晶結(jié)構(gòu)，薄層狀，局部中厚層狀構(gòu)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(zhì)較硬，呈塊狀。

2水平層狀圍巖穩(wěn)定性

2.1影響層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性的因素

圍巖穩(wěn)定對保證地下工程安全至關重要，圍巖穩(wěn)定不僅受巖石性質(zhì)、巖體、結(jié)構(gòu)與構(gòu)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(wěn)定性因素包括地質(zhì)因素、施工因素因素2種，具體如下。

2.1.1地質(zhì)因素

（1）巖石的物理力學性質(zhì)。

巖體由天然應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷰r應力狀態(tài)過程中的應力釋放和應力調(diào)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(jié)理裂隙發(fā)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(jié)理的存在，會導致巖體發(fā)生錯動和滑移，給圍巖的穩(wěn)定帶來不利影響。

（2）巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。

巖體的變形特性既受到巖體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征，導致其相對于其他類型巖體具有較強的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形的差異，并導致巖層間的變形不協(xié)調(diào)。

2.1.2施工因素

在施工過程中，常常存在著操作不規(guī)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(guī)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(jié)構(gòu)施工質(zhì)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(chǎn)生過大變形，導致支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(chǎn)生臨空面，導致圍巖應力發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生拉裂破壞，按拉裂破壞發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)分析時，可將拱頂圍巖近似簡化成梁結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)首先在跨中部位產(chǎn)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(chǎn)生張拉裂縫，隨著巖層撓度的增加，裂縫不斷向上發(fā)展，直至穿破整個巖層，巖層產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)擠，當應力超過巖體抗拉強度，邊墻部位產(chǎn)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(chǎn)生臨空面后，會在拱肩部位和洞室兩側(cè)壁產(chǎn)生斜板張拉破壞。當圍巖壓力較大時，巖層將發(fā)生指向隧道臨空面彎曲內(nèi)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(chǎn)生張拉彎折破壞。

2.2.2滑移破壞

受到構(gòu)造應力的影響，層狀圍巖會沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)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(chǎn)生沿著結(jié)構(gòu)面的滑移，從而產(chǎn)生滑移破壞。按破壞發(fā)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(fā)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(chǎn)生滑移破壞，造成圍巖失穩(wěn)，產(chǎn)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(xiàn)象。因此，隧道拱頂受力由通常的壓力拱受力轉(zhuǎn)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(fā)生彎曲變形，拉裂破壞，進一步發(fā)生垮塌破壞，并且破壞會逐漸向圍巖內(nèi)部漸進循環(huán)發(fā)展，直至達到應力平衡狀態(tài)，形成一個新的平衡結(jié)構(gòu)。

對于水平層狀圍巖來說，隧道拱頂?shù)乃涫加诠绊斒讓訋r層，然后逐漸向上、向圍巖內(nèi)部發(fā)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(jié)構(gòu)的特殊性，導致其力學特性呈現(xiàn)出明顯的各向異性和非連續(xù)特性?？逅晒绊斒讓娱_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(chǎn)生—彎曲拉裂—層狀垮塌—形成平頂”的演變過程將循環(huán)出現(xiàn)，逐層向上發(fā)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生朝向臨空面的擠壓變形，主要表現(xiàn)為拱頂沉降，如果支護不夠及時或不夠充分，層間節(jié)理發(fā)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(zhì)力學的角度看，層狀巖體和其他非層狀巖體，不同之處表現(xiàn)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(jié)構(gòu)方面的撓曲變形。這種結(jié)構(gòu)不是巖體的微觀結(jié)構(gòu)，而是上述提到的層狀巖體所形成的工程結(jié)構(gòu)。層狀巖體的結(jié)構(gòu)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(jīng)常可以看到洞頂?shù)膹澢?，地板鼓起，?cè)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(jié)構(gòu)變形破壞特點，以對變形破壞進行客觀分析。

4"結(jié)語

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

（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(fā)生剪切滑移破壞，并且?guī)r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(fā)展，最終形成梯形拱破壞輪廓。

參考文獻

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