地下洞室圍巖大變形機(jī)制研究

摘要：基于地下洞室危巖大變形工程特性，揭示了圍巖大變形卸荷作用機(jī)制，并介紹了卸荷作用過程及圍巖變形特性;提出了瞬時(shí)—彈性—塑性—流變變形機(jī)制，其機(jī)制包括瞬時(shí)變形、彈性變形階段、塑性變形階段、流變變形階段;解譯了弱面剪切機(jī)制，并給出弱面剪切機(jī)制的強(qiáng)度準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：地下工程;大變形機(jī)制;圍巖;地下洞室

1"引言

近年來，隨著中國(guó)隊(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度的逐漸加大，鐵路、公路隧道工程的建設(shè)規(guī)模得到了迅猛發(fā)展，隧道工程施工的機(jī)械化程度和施工技術(shù)水平也得到了很大的提高。目前，在中國(guó)路網(wǎng)主骨架“八縱八橫”總體戰(zhàn)略實(shí)施過程中，鐵路、公路隧道已經(jīng)向長(zhǎng)、大、深埋方向發(fā)展[1，2]，因此隧道穿越高應(yīng)力、軟弱破碎圍巖條件及復(fù)雜惡劣地質(zhì)環(huán)境的情況不可避免，與此同時(shí)，隧道圍巖大變形問題也凸顯出來。

本文介紹了地下洞室圍巖大變形的卸荷作用機(jī)制、瞬時(shí)—彈性—塑性—流變變形機(jī)制、弱面剪切機(jī)制等機(jī)制，研究成果對(duì)于深入了解圍巖大變形機(jī)理具有積極意義。

2"地下洞室圍巖大變形機(jī)制研究

2.1"卸荷作用機(jī)制

地下洞室?guī)r體開挖后，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，如圖1所示，應(yīng)力跡線巖體應(yīng)力在沒開挖前平面上受豎向均布荷載，開挖后被開挖的洞室?guī)r體產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力跡線在洞室周圍由直線變?yōu)榛⌒吻€，越靠近洞室周壁應(yīng)力變化越顯著。因此洞室開挖后巖體由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，即在洞室周圍形成側(cè)向臨空面，而臨空面的形成伴隨著而瞬間卸荷作用的產(chǎn)生。巖石的卸荷破壞變形主要是因卸荷導(dǎo)致的破裂前的擴(kuò)容作用和宏觀剪切破壞。從巖石三軸和單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力——應(yīng)變曲線可以看出當(dāng)巖體受荷達(dá)到某一值時(shí)巖石體積膨脹，這是由應(yīng)力差急劇變化引起的變形破壞，此后巖體進(jìn)入累進(jìn)破壞階段，最終完全破裂。

圖1"圍巖應(yīng)力集中極限變化圖

卸荷變形破壞作用機(jī)制過程：

1）卸荷初始階段，巖體基本保持原狀，但巖體內(nèi)有微小裂縫的形成;

2）卸荷達(dá)到一定程度后，側(cè)向臨空面處巖體處于平面應(yīng)力狀態(tài)，即拉—壓作用，受拉—壓作用微小裂縫尖端應(yīng)力集中而張拉擴(kuò)展，由卸荷巖體應(yīng)力—應(yīng)變曲線可知，此時(shí)側(cè)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變基本相等，但由側(cè)向應(yīng)變曲線和軸向應(yīng)變曲線的切線斜率知側(cè)向應(yīng)變速率明顯大于軸向應(yīng)變速率，并處于加速增長(zhǎng)狀態(tài)。

3）卸荷作用繼續(xù)發(fā)展，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，對(duì)于硬質(zhì)巖體由于拉——壓作用裂縫部分貫通并表現(xiàn)為豎向裂縫的增多和側(cè)向巖體的鼓起，裂縫表現(xiàn)為追蹤效應(yīng)，應(yīng)力——應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)變的急劇增大，變形速率趨于穩(wěn)定并有減緩的趨勢(shì)，但側(cè)向變形速率仍大于軸向變形速率。對(duì)于軟質(zhì)巖體隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)為一定的流變特性，巖體變形曲線為近于平行。

4）卸荷作用最后階段對(duì)于硬質(zhì)巖體裂縫完全貫通破裂，破裂面形成，表現(xiàn)為剪切破壞，巖體較為破碎，并且豎向裂隙比較集中，并伴有顯著的豎向破裂面。對(duì)于軟質(zhì)巖體流變使變形緩慢進(jìn)行，表現(xiàn)為側(cè)向擠出和塑性流變。

2.2"瞬時(shí)—彈性—塑性—流變變形機(jī)制

1）瞬時(shí)變形

瞬時(shí)變形是巖體開挖應(yīng)力釋放后瞬間產(chǎn)生的變形量，與巖體性質(zhì)、巖體初始應(yīng)力場(chǎng)、地下水、巖體構(gòu)造等有關(guān)，是一種非線性變形機(jī)制，變形伴隨巖體的張裂，一般變形量較小。

2）彈性變形階段

彈性變形是巖體進(jìn)入線彈性變形階段產(chǎn)生的變形量，此階段彈性模量（E）為一常數(shù)，應(yīng)力和應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，表達(dá)式如下："""""""""""""""""""""""（1）

式中——應(yīng)力值——變形量

對(duì)于硬質(zhì)巖體彈性變形時(shí)間較長(zhǎng)，但變形量較小，對(duì)于許多處于高應(yīng)力區(qū)的硬質(zhì)巖體開挖后一般處于彈性變形階段;對(duì)于軟質(zhì)巖體，彈性變形很快結(jié)束進(jìn)入屈服階段，但變形量較硬質(zhì)巖體大。

3）塑性變形階段

塑性變形是巖體卸荷后受拉壓作用使巖體超過屈服強(qiáng)度后產(chǎn)生的不可逆的變形量。對(duì)于硬質(zhì)巖體，變形進(jìn)入此階段，巖體變形急劇增大并趨于峰值。對(duì)于軟質(zhì)巖體或處于高溫高壓作用下的硬質(zhì)巖體塑性變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，表現(xiàn)為塑性變形和側(cè)墻的巖體擠出，如圍巖頸縮、底鼓、側(cè)向突出等。現(xiàn)有的彈塑性機(jī)制彈性階段在應(yīng)力應(yīng)變圖上為線性變化，而對(duì)塑性變形有線性、冪指數(shù)型等變化。

4）流變變形階段

此階段對(duì)于一般硬質(zhì)巖體不存在，只有對(duì)于高應(yīng)力高溫條件下的硬質(zhì)巖體或軟質(zhì)巖體才會(huì)出現(xiàn)流變變形。流變指巖體應(yīng)力超過流變極限或達(dá)到長(zhǎng)期強(qiáng)度后或地溫釋放使溫度增加而使變形隨時(shí)間持續(xù)增加的變形過程。巖體開挖后一段時(shí)間，巖體應(yīng)力重分部后處于新的應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)基本不變，巖體逐漸達(dá)到長(zhǎng)期強(qiáng)度，軟質(zhì)巖體的在新的穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)下發(fā)生隨時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)的變形，如地下洞室圍巖初期支護(hù)后仍發(fā)生較大的變形。

2.3"弱面剪切機(jī)制

弱面有軟巖夾層、破碎夾層和泥化夾層，弱面強(qiáng)度和參數(shù)一般比原巖要低地多，且易發(fā)生塑性變形。巖體開挖后由于卸荷作用使巖體破碎并產(chǎn)生許多剪切破裂面，破裂面中的粘土礦物與水接觸膨脹變軟，使巖體繼續(xù)開裂，并且?guī)r體在上覆荷載作用下產(chǎn)生的下滑力會(huì)使巖體沿著軟弱面發(fā)生變形，當(dāng)巖體上覆荷載產(chǎn)生的下滑力大于弱面的抵抗力時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)生弱面剪切破壞。由Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則知：""""""""""""""""（2）

式中為最大剪應(yīng)力;為正應(yīng)力;為內(nèi)摩擦角;為粘聚力。

當(dāng)上覆巖體產(chǎn)生的剪應(yīng)大于時(shí)，巖體產(chǎn)生弱面剪切。影響若面剪切的因素有巖體中的粘土礦物、巖體內(nèi)摩擦角、巖體的粘聚力、地下水等。弱面剪切位移變化一般易于監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)可獲得位移與時(shí)間的關(guān)系，從而通過位移曲線的變化判別位移大小和弱面剪切破壞的發(fā)生。

3"結(jié)論

（1）揭示了圍巖大變形卸荷作用機(jī)制，并介紹了卸荷作用過程及圍巖變形特性。

（2）提出了瞬時(shí)—彈性—塑性—流變變形機(jī)制，其機(jī)制包括瞬時(shí)變形、彈性變形階段、塑性變形階段、流變變形階段。

（3）解譯了弱面剪切機(jī)制，并給出弱面剪切機(jī)制的強(qiáng)度準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶波，伍法權(quán)，郭啟亮，等.高地應(yīng)力環(huán)境下烏鞘嶺深埋長(zhǎng)隧道軟弱圍巖流變規(guī)律實(shí)測(cè)與數(shù)值分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（9）：1828-1834.

[2]陳建勛，李建安.公路隧道二次襯砌厚度的優(yōu)化[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6（3）：68-72.