薄層軟弱巖體流變研究

劉 從 友

(中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222)

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薄層軟弱巖體流變研究

劉 從 友

(中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222)

結合某隧道內裂隙的發育特征，并根據軟巖的流變機理，通過有限元分析軟件，研究了隧道圍巖的整體應力及變形的趨勢，為以后軟巖隧道的設計和施工提供了參考依據。

隧道，軟弱巖體，裂隙，流變機理

0 引言

隧道的開挖貫通是多種因素耦合作用下復雜、動態和連續的地質環境演化過程，開挖使得原本處于一定平衡應力狀態下周圍巖體發生卸荷回彈和應力重分布，尤其在泥巖、頁巖等軟弱巖體中，由于巖石強度較低，以及結構面的切割和初始地應力的作用，巖體向開挖臨空面發生變形，是一個應力二次調整的動態過程[1-4]。

軟巖隧道的穩定性主要受圍巖強度和初始應力的控制，表現為隧道圍巖的變形，但巖體的變形只是圍巖變形的宏觀表現，它刻畫的是圍巖的運動方式的改變，未能反映圍巖內部結構的變化，其次，隧道圍巖的變形反映出圍巖—支護系統表層的運動狀態，而未能反映深部圍巖的運動方式[1]，因此，在圍巖流變機理的基礎上研究整體圍巖的變化趨勢和變形狀態。

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知性和復雜多變性，目前對于軟巖的流變機理和理論模型并沒有一個統一的認識[1,3,4]。基于此，通過研究巖體的流變機理，對結構體進行安全性分析，為以后軟巖隧道的設計和施工提供參考依據。

1 工程概況

隧道所處工程區地形復雜，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，該區域由于受新構造運動和長期侵蝕、剝蝕、堆積等外動力地質作用，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造剝蝕基巖低中山區，全長約2 200 m，埋深最大約為290 m。隧道圍巖由寒武系灰巖、奧陶系下統灰巖、第三系上新卵礫石土、第四系中更新統離石組黃土、上更新統馬蘭組黃土組成。其中寒武系灰巖強度較低，巖層近水平發育，產狀為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，巖體同時發育縱向泥質充填結構面，延伸較長，該組結構面主要對巖體起切割作用。

隧道工程整體位于地震動峰值加速度0.15g范圍內，附近區域有記錄的破壞性6級以上地震5次，5級以上地震8次，且地震帶震源淺、強度大，對隧道工程有一定的影響。

2 裂隙發育情況

通過對隧道中二次襯砌裂隙進行統計與分析(見圖1)，結果發現裂隙發育類型主要有環向型、縱向型和預留洞室型。環向型裂隙的形成原因多為受力不均，由于襯砌施工時澆筑不均，當出現脫空或不密實現象時，由于密實處先于脫空處承受荷載，造成襯砌受力不均，使得密實處變形較大，形成不均勻沉降。

縱向型裂隙主要分布在兩側邊墻起拱線和拱頂，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，支護強度不足，在拱頂和起拱線處承擔較大的拉力，形成拉裂縫。預留洞室型主要由于在預留處應力集中，從應力集中點(見圖1預留洞室拐角處)發生拉裂，形成剪裂縫，向兩側延伸，呈“X”共軛剪切裂隙。

3 流變機理

隧道開挖之前，巖體處于初始應力狀態。隧道開挖后，巖體的初始應力狀態遭到破壞，巖體應力在隧道外一定范圍內產生了重新分布。隧道支護后，隧道圍巖應力狀態再次發生調整，從而在圍巖內形成三次應力狀態。在隧道開挖后的二次、三次應力調整過程中，由于圍巖未能得到及時有效支護，巖體便產生臨空的塑性變形。在洞周出現應力集中，使隧洞周邊一定范圍內的圍巖處于破壞狀態，在剪應力作用下出現向洞內擠入的剪切滑移、底鼓及洞徑縮小。

地下工程圍巖的變形破壞通常是累進性發展的。由于圍巖內應力分布的不均勻性以及巖體結構、強度的不均一性及各向異性，在應力集中程度高，而結構強度又相對較低的部位往往是累進性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩定性的情況下，這些應力強度關系中的最薄弱部位就可能發生局部破壞，并使應力向其他部位轉移，引起另外一些次薄弱部位的破壞，如此逐漸發展，連鎖反應，終導致大范圍圍巖的失穩破壞。

該隧道中，由于開挖作用打破了初始應力平衡，巖體在近臨空面處形成塑性松動圈，巖體發生掉塊、坍塌等現象，通過對隧道進行有限元模擬，從結果中可以看出，隧道開挖后，在拱頂及兩側拱腰處產生塑性松動區，在支護施工完成后，由于支護強度不足以完全抵消由于圍巖擠壓引起的變形，致使二次襯砌的預留洞室等應力集中點發生拉裂現象。預留洞室型裂隙見圖2。

4 變形分析

在隧道工程中，軟巖流變的根本表現是圍巖變形。如果變形過大直接影響隧道結構體的安全。依據彈塑性力學理論，隧道開挖后二次應力狀態下直徑為r處的位移為：

(1)

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

施工二次襯砌后的三次應力狀態下位移為：

(2)

表1 二次應力及三次應力狀態下不同深度徑向變形

表1表明在無支護條件下，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，變形僅為洞周的19.7%；在有支護條件下，洞周徑向變形為1.48 cm，同比無支護時減小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力及三次應力下的變形計算，對信息化隧道施工起到了指導作用。

5 結語

隧道內各部分由于承受荷載不同，主要發育環向型、縱向型和預留洞室型三種類型裂隙。同時通過有限元分析，發現在拱腰處產生較大塑性松動區，使得拱腰處預留洞室等應力集中點出現拉裂現象。同時對二次應力、三次應力下不同深度的徑向變形進行了對比分析，變形主要發生在洞周2倍半徑范圍內，從洞周向外逐漸減小。

[1] 楊重存，劉 高，趙志福，等.復雜地質條件下公路隧道信息化施工技術研究[M].蘭州：蘭州大學出版社，2005.

[2] 劉 高.高地應力區結構性流變圍巖穩定性研究[D].成都：成都理工大學，2001.

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

[4] 邵祥澤，潘志存，張培森.高地應力巷道圍巖的蠕變數值模擬[J].采礦與安全工程學報，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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