挤压性围岩隧道变形破坏力学机制及控制技术

2023-09-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图3.11薄层炭质板岩及其变形示意图本节以兰渝铁路挤压性围岩典型隧道——新城子隧道为例对其变形破坏力学机制从以下几个主要方面进行如下初步探索。新城子隧道和兰渝铁路其他典型挤压性围岩隧道的现场量测和室内试验都表明，其流变属性是非常显著的。

隧道围岩大变形是围岩体在地应力、工程扰动和地下水活动等环境条件下，围岩岩体的一种变形破坏现象，其实质是由于围岩开挖引起的地应力重分布超过岩体的屈服强度而使其发生塑性变形，围岩自承能力丧失或部分丧失，变形得不到有效的约束，围岩发生塑性变形破坏，从而使围岩支护遭到不同程度的破坏。

目前，关于软岩挤压大变形发生的力学机理解释还不尽一致，为更好地克服高地应力条件下的挤压大变形地质灾害，软岩大变形描述及其预测呼唤新理论。本节通过对其发生大变形的主要力学机理进行剖析，以弄清其挤压变形的机制和规律，进而有效实施控制。

陈宗基教授认为围岩收敛变形机理应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲五个方面。何满潮等将深部软岩(深度大于500 m)按变形力学机制归为3类，即物化膨胀类(Ⅰ)、应力扩容型类(Ⅱ)和结构变形类(Ⅲ)，共13个亚类。刘高则提出了围岩结构性流变的观点，认为高应力区完整性差的坚硬或较坚硬岩体内，由于工程开挖，结构面依应力状态而发生一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应，使工程岩体表现出显著的流变现象或过程。

Andan等对挤出与膨胀进行了区分，认为挤出现象在力学上可以看成在原地应力作用下围岩介质的弹、黏、塑性的表现，只发生在随着隧道开挖地应力重分布使围岩发生屈服的时候，是一种物理过程，并包含岩石的膨胀过程。而膨胀现象则是化学过程，包含矿物质与水之间的离子交换，膨胀现象的发生与挤出情况相比要花费更长的时间。挤压现象可能导致的隧道围岩破坏模式概分为以下3种，如图3.10所示。

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图3.10　蠕变挤压性隧道破坏模式

(1)纯剪切破坏[图3.10(a)]

隧道洞周岩体因受过大剪应力作用而破坏，剪切破坏区形成环形塑性区，其中剪切过程的产生伴随有围岩的滑移和突然分离。在连续的塑性岩体或有大间隙的不连续岩体中都可看到这种现象。典型例子是Orizume隧道挤出区段，其围岩是泥岩，单轴抗压强度为0.7～1.2 MPa，隧道埋深100 m，围岩坚固系数为0.3～0.5，隧道向内闭合量达1 600 mm。

(2)弯曲破坏[图3.10(b)]

具有节理或层状岩石的弯曲破坏，此种破坏常发生于变质岩(如千枚岩云母片岩)及薄层状且具有延性的沉积岩(如泥岩、页岩、砂岩、粉岩及蒸发岩)。Enrei隧道挤出段岩层变形严重，围岩是薄层泥岩，单轴强度为4～4.2 MPa，隧道埋深110～130 m，围岩坚固系数为1.3～1.6，隧道向内闭合量达1 000 mm以上。

毛羽山隧道出口围岩变形剧烈段为薄层状炭质板岩，[图3.11(a)]层厚1～5 cm，层面平直光滑，层间结合较差，岩层倾角70°～90°，走向与隧道轴线平行，是一个典型的陡倾层状岩体洞室稳定问题。在层状岩体，特别是高地应力区的薄层状岩体，开挖洞室导致围岩的径向应力降低而切向应力增高，层状岩体以板的方式在横弯或纵弯作用下发生挠曲变形以至破坏。因此，层状岩体洞室围岩的变形破坏机制多用挠曲加以解释。

从图3.11(b)层状岩体洞室围岩变形情况可以看出，在工程开挖后，边墙直立层状岩体在洞室临空面法线方向失去支撑力，由三维应力变为二维应力。边墙围岩受水平径向卸荷回弹和顶部围岩卸荷应力回弹在直立方向被压缩，使边墙板层状岩体向巷道临空方向弯曲鼓出。

(3)张裂、剪力及滑动破坏[图3.10(c)]

此种破坏模式主要发生于厚层沉积岩中，隧道两侧岩壁因受挤压而沿层面产生滑动现象，进而导致张裂破坏;顶部及仰拱部分岩体则因承受过大剪应力而破坏。在开挖Navajo Irrigation 3号引水隧洞期间以及煤层中开挖隧道的模拟试验中都曾报道过这种破坏。

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图3.11　薄层炭质板岩及其变形示意图

本节以兰渝铁路挤压性围岩典型隧道——新城子隧道为例对其变形破坏力学机制从以下几个主要方面进行如下初步探索。

①高地应力、软岩是挤压性变形的内因。

兰渝铁路深埋隧道的一个主要特征就是高地应力，由于隧道埋深较大，其上覆岩体自重应力随深度增加而增加，而且深部岩体在地质构造中也蕴含了较高的封闭构造应力于岩体中，开挖扰动引起岩体中原有的较高应变能被快速释放，对于坚硬的围岩体会发生岩爆现象，对于软岩则表现为挤压变形。另外，软岩由于具有较低的岩体抗压强度和弹性模量等物理力学参数，层理比较发育，长期强度低等特点，泥质成分和结构面控制了软岩工程力学特性，受力容易产生显著黏塑性大变形。隧道的开挖，使变形能以变形的形式释放，宏观上表现为围岩的应力扩容。兰渝铁路新城子隧道经历了复杂的地质构造运动，岩松散破碎，岩性软弱，属于软岩或极软岩，在高地应力作用下会发生挤压性变形。

②工程扰动力是挤压性变形的外因。

隧道开挖前，岩体处于三向受力的高地应力环境，处于稳定平衡状态。隧道开挖以后，岩体原有天然应力状态遭到破坏，引起围岩应力状态重新分布，一部分地应力以变形能的形式释放，另一部分则向围岩深部转移，发生应力重分布和局部区域应力集中，并不断调整以期达到与当前环境相适应的新平衡状态。开挖卸荷导致洞壁围压急剧降低，无论从弹性理论还是黏弹塑性理论上分析，洞室开挖后，切向应力增大而径向应力减小，引起应力集中，并在洞壁上达到极限值。当应力水平超过岩体屈服强度和流变下限阀值时，引起围岩塑性和黏性流动，产生随时间增长的变形，随着变形不断增加而围岩进入黏塑性应变软化阶段，长期强度值降低，又进一步加剧了隧道变形。

③挤压现象实质是一种变形速率快而收敛速率慢的岩体非线性流变。

新城子隧道和兰渝铁路其他典型挤压性围岩隧道的现场量测和室内试验都表明，其流变属性是非常显著的。挤压性岩体的典型蠕变曲线如图3.12所示，蠕变变形随时间而增长，蠕变曲线的形态与应力水平有很大关系。除弹性应变外，阶段Ⅰ为衰减蠕变ε1，蠕变速率由于材料硬化而随时间逐渐减缓;阶段Ⅱ为定常蠕变εⅡ，蠕变速率近似且保持常值不变;阶段Ⅲ为加速蠕变εⅢ，此时蠕变速率随时间急剧增大，并最终导致材料破坏。但是，并非任何材料在任何应力水平都存在蠕变三个阶段。不同应力水平，岩体蠕变曲线将呈现不同的形态，当应力幅值低于阀值σ≤σ1时，蠕变变形将不会发展。蠕变速率与作用荷载间具有很大的相关性。如图3.13所示，b点为起始流变应力点，c点为等速流变起始应力点，d点为加速流变起始点，e点称为瞬间破坏应力点。

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图3.12　典型蠕变曲线

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图3.13　流变速度与作用荷载的关系

在研究岩石流变时，常采用线性流变理论进行研究。然而，对于挤压性岩体而言，其并非是一种线性流变体，而是一种非线性流变体，它的应力和应变呈非线性关系。此时，黏滞系数就不再仅仅是时间的函数，它还与应力水平和应力状态(承压、承剪、承弯)有关，即η=η[t，σ( pagenumber_ebook=74,pagenumber_book=66 )，Ω]，呈非线性。

新城子隧道高地应力软岩地段，在初始地应力场和工程扰动力的共同作用下，洞周围岩体应力水平超过岩体流变下限，引起挤压性软弱岩体流变。而且，初始地应力水平高，开挖后洞周应力集中程度严重，围岩二次应力水平较高，导致变形速率较快，变形发展较大，持续时间较长，如不及时支护，流变变形将最终引起洞室失稳。尤其对于断层带挤压性岩体，其流变性态主要受到围岩中泥质成分和岩体结构面控制，岩体单轴抗压强度低，相应围岩流变下限也很低，开挖卸载产生的应力集中会引起挤压性岩体塑性状态下的高速流变，即挤压变形为黏塑性变形。同时，需要指出的是，实际中发生的是岩体流变而不是岩石流变，变形包括软岩本身随时间而发展的变形，以及软岩节理面填充材料流变变形和节理面间的张闭、错动变形三部分，而且三者在变形过程中相互影响、相互制约。

应该说，固体静力学所研究的软岩的弹性、弹塑性及塑性变形并不是挤压性岩体大变形的核心问题。软岩变形基本可以分为弹性、塑性和流变三个阶段。显然，弹、塑性理论只能涉及其中的弹性和塑性阶段，但软岩的弹性和塑性变形量相对较小，而流变产生的变形才是最主要的。因此，高地应力挤压大变形可归属于一种变形速率快而收敛速率慢的岩体非线性蠕变研究范畴。

④黏塑性变形导致应变软化，岩体长期强度值降低。

挤压性围岩隧道变形破坏经验表明，挤压性岩体塑性应变软化是其黏塑性变形发展到一定阶段后才开始出现的，并且导致岩体屈服强度降低。

隧道开挖后，围岩随时间变形的过程中，岩体内部颗粒相互间的剪切滑移减小了原先的静止内摩擦系数和黏聚力，引起岩体长期强度不断降低。此外，开挖形成洞周临空面，原来岩体的三向应力状态蜕变为单向或双向应力状态，岩体的有效强度也将比原先的值进一步降低。挤压性围岩黏塑性变形发展导致其抗剪强度参数取值减小，即黏塑性应变软化或强度恶化，从而使其后继屈服强度(长期强度)值不断降低，反过来又加剧了挤压性围岩黏塑性位移的发展。

⑤高地应力软岩应力扩容膨胀是挤压变性的重要组成部分。

事实上，软岩发生挤压性大变形应满足两个基本条件:第一，重分布后的地应力足以引起围岩的屈服流动;第二，围岩屈服伴随有显著剪胀。对于大多数深埋软岩，尤其是深埋极软岩，第一个条件一般都是能够被满足的，但是屈服与塑性软化并不一定伴随显著的剪胀，这也许就是隧道工程中，软岩常见，但挤压性大变形却不多见的根本原因。当软岩发生屈服，但无剪胀或无明显剪胀发生时，高应力承载环向外扩展到一定程度后，其扩展速度会显著降低，甚至从工程的角度看，可以认为已经停止扩展。这时，围岩不仅不会发生大变形，而且可能处于(相对)稳定状态。因此，只有具有剪胀特性的深埋软岩才会发生挤压性变形。

高地应力区挤压性围岩，岩体节理、裂隙等结构面在初始应力状态下压缩紧密，随着开挖卸荷，部分节理裂隙张开，在剪应力作用下岩体结构面表现出张开、滑移、剪切、爬坡错动等扩容现象，岩石内部晶粒也随着应力的逐步释放而重新分布、组合，晶粒内部之间发生滑移、转动、错动等运动，宏观表现为挤压性围岩体积随时间而膨胀的应力扩容现象。同时，应力扩容随时间的发展，导致围岩强度进一步恶化，从而引发更深的应力膨胀。

⑥水的弱化作用不可忽视。

水能够对挤压性岩体起到软化效应。第2章中厚层炭质板岩在不同含水量条件下的试验结果，其规律性表现为含水量越多，力学性质越差。在挤压性地层中开挖隧道，改变了地层中渗流路径，而且施工作业用水也改变了围岩含水量，随着洞周汇水效应的加强，软弱岩体含水量增加，岩石抗压强度和弹性模量呈指数形式降低，而泊松比则增长，表现出岩体被软化，相应承载能力降低，挤压性变形增大的趋势。

⑦支护强度不足、施工方法不当是产生挤压大变形的直接原因。

国内外许多工程实例表明，由于设计施工初期对高地应力条件下软岩挤压性变形认识不足，导致了许多工程变形超限，甚至大变形引起坍塌失稳，而不得不重新进行拆换初支、扩挖等处理。新城子隧道工程施工中，由于前期对挤压性围岩特性和变形规律认识不足，采用的传统锚喷复合式衬砌结构导致围岩变形发展大，致使初期支护在支护强度不足情形下产生大变形，这也是产生挤压大变形的直接原因。

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