高等岩石力学 高地应力区隧道岩体工程问题 邓荣贵(4)

2019-04-17 14:42

孔径,使用小药卷和高端毫秒雷管,降低同段起爆药量,尽量消除隧道内爆破作业诱发岩爆的因素,并使开挖掌子面周边基本圆顺,减少隧道壁上岩体表面聚能结构的数目,尤其要避免出现棱角状突起或凹面,以防止产生新的局部应力和能量的聚集。并对于隧道壁中己经松动的岩块基石清除,减少岩爆岩块的数量。

3高地应力区软弱围岩隧道工程大变形问题

隧道工程围岩大变形作为一种严重的地质灾害,对隧道工程建设产生严重的影响,一旦发生围岩大变形,将给工程建设带来相当大的损失,引起了国内外学者的广泛关注,国内外学者在理论和生产实践中做了不少的探索工作,但由于现场地质岩体状况复杂性,大变形理论的研究不尽成熟,目前的研究工作主要在以下方面。

3.1 大变形现象

对于大变形的定义,徐则民等根据大变形的6个特征对大变形进行了概括描述,何满潮认为大变形可分为弹性大变形和塑性大变形,软岩的大变形问题是一个塑性大变形问题,塑性大变形区别于弹性大变形和小变形的显著标志是前者与过程紧密相关,喻渝从围岩变形量上给大变形作了界定,认为围岩变形量超过正常规定的2倍,围岩变形为大变形。然而翁汉民认为,不能从变形量的绝对值大小来定义大变形问题,而其本质是由剪应力产生的岩体的剪切变形发生错动、断裂分离破坏,岩体将向地下空洞方向产生压挤推变形来定义大变形。张祉道认为当采用常规支护的隧道由于地应力较高而使其初期支护发生程度不同的破坏且位移值与洞壁半径之比达到一定值时,就叫发生了大变形。Saari也是根据隧道的切向收敛值与隧道初始轮廓线的比值,即用隧道的相对变形量来定义大变形,并提出了评价标准。

由此,可以看出,对于围岩大变形的定义国内外还并没有完全统一的定义,笔者认为,定义大变形应该同时考虑围岩的绝对变形量和相对变形量,绝对的变形量应该与隧道的不同建筑限界的要求而定,而相对变形量可以考虑隧道的变形与洞径的关系,这样才能更好地为大变形预测和设计提供依据。

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3.2 大变形的机理与分类研究

现有的研究表明,发生大变形的围岩一般被称为软岩、挤出性围岩或膨胀岩。相应的分类主要体现在以下几个方面:软岩在高地应力作用下的挤出剪切变沁,膨胀性岩石在遇水条件后发生膨胀变形后挤出变形,施工期的大变形及长期的结构流变。

张祉道认为大变形的机理是在软岩中开挖隧道后应力发生重分布,在应力调整过程中其应力水平大于围岩体的强度后发生塑性剪切变形。刘泉声等根据Terzighi的有效应力原理认为深部岩体处于很高的水头压力作用下,围岩体内渗透压力很高。在断层、破碎带及节理裂隙发育地段,由于巷道开挖后形成出水口,致使巷道表面一定深度范围内水流速度大大加快,孔隙压力降低幅度很大,围岩体内有效应力大大提高,因而使得这些地段本来就软弱的岩体产生破坏失稳。卿三惠等根据乌鞘岭特长隧道大变形的实例分析认为大变形与高地应力、围岩强度、支护措施及施工方法等因素有关。认为围岩压力超过岩石(岩体)的极限抗压强度时,岩石(岩体)将发生变形破坏。并认为,深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内因,初期支护力度不足及施工方法不当等是外因,两者共同作用产生了隧道围岩大变形。何满潮等根据各种类型的大变形总结后认为其变形机理是围岩与支护结构强度和刚度不祸合,大变形失稳是一个渐近过程,是先从一个或几个关键部位发生变形破坏,再逐渐扩展到整个工程破坏。提出应将软岩从地质软岩和工程软岩分别定义。并按照软岩产生塑性变形的机制不同将软岩分为膨胀性软岩(或称低强度软岩)、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩,并在此基础上又分了13种亚类。张志强、王明华等也对含软弱夹层岩体对洞室稳定性影响进行了分析。

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。郭敲良等通过对乌鞘岭隧道变形情况进行研究后,认为隧道围岩大变形是在较高的构造应力与上覆重力共同作用下,软弱围岩不能承受该作用力,由于软弱岩层的自身承载强度很低,而高压作用下的流变性较强,因而导致持续性的大变形。姜耀东等根据现场观测、物理模拟和数值模拟总结出软岩巷道底鼓的机理为:整个巷道都位于松软碎裂的岩体内时,由于围岩应力重新分布和远场应力的作用,底板破碎岩体的挤压流动性底鼓或在高应力下使底板岩层

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形成剪切破坏楔块的剪切错动性底鼓和底板为膨胀岩时,遇水膨胀的膨胀性底鼓。吴和平等认为在软弱岩层或不良岩层中开挖隧道或巷道,软岩本身存在流变变形的特性,失稳破坏与时间因素有关,是软岩蠕变导致岩体内裂缝扩展,最终导致围岩的破坏失稳。

郭富利等结合宜万铁路堡镇隧道分析了含有软弱夹层围岩变形破坏的原因,认为大变形破坏的机理是软弱夹层与较好岩体的弹性模量、厚度不同,弯曲程度不同,导致两种岩层发生离层,在高地应力的作用下,最终发生破坏。

李永林润对二郎山隧道的大变形分析后认为大变形与小变形破坏的区别在变形破坏机理上就存在性质差别,大变形的机理是隧道开挖后软弱围岩从弹性状态向弹塑性状态发展,在高应力作用下再出现破碎台降和剪切台阶并最终导致大变形失稳。

由此可以看出,大变形产生机理主要有膨胀性围岩遇水膨胀剪切挤出作用、高地应力作用下软岩塑性变形和局部水压及气压力的作用,或是单因素的作用,或是多因素的共同作用。可以说岩性条件是发生大变形的内因,而地应力条件及开挖卸荷作用是外因。

大变形都是发生在软岩隧道或相对软岩隧道中,但是,至今岩石工程学界仍未就软岩的概念达成共识,软岩的定义有十几种之多。有的指岩石,如国际岩石力学学会定义的软岩是指单轴抗压强度为0.5~25MPa的一类岩石,如泥岩、砂页岩及泥灰岩和变质岩类的片岩、板岩、千枚岩、蛇纹岩、页岩、煤系地层等类岩石称之为软岩;有的指岩体,如1984年煤矿矿压名词讨论会(昆明)将软岩定义为“强度低、空隙大、胶结程度差、受结构面切割及风化影响或含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层(体)”。有的学者定义的软岩除了强度低的岩体外还包括了高度碎裂化岩体,如断层破碎带岩体等。

大变形是相对正常变形而言的,不同的国家规定了设计的预留变形量,如表3-1所示,有的国家和地区还基于此提出了大变形的分级标准。

表3-1 挤压性隧道的大变形预留变形量

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喻渝从变形量出发,取预留变形量的0.8倍作为正常变形值的上限,取上述正 常值的2倍作为大变形的上限。刘志春的分级标准考虑的因素较全面,结合乌鞘岭隧道的特点将大变形分级标准分为设计和施工两个阶段,在设计阶段根据围岩力学参数及地应力测试结果,确定了大变形的分级标准如表3-2所示,在施工阶段结合围岩物理力学指标、现场量测及理论分析结果,分别考虑相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量、综合系数及围岩支护特征采用综合指标确定大变形标准如表3-3所示。

表3-2 设计阶段大变形分级标准

国内外的学者从影响大变形的多种因素出发,根据预测的大变形特征进行了多种分类标准,主要的分级标准如表3-4表3-7,但是本人认为,大变形的分级应该与大变形的定义统一,应该与隧道的建筑限界要求为参考进行分类。

表3-3 施工阶段大变形分级标准

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3.3 大变形预测

围岩大变形的预测是大变形研究中最重要的内容,尽管在这方面的研究己经积累了一些研究成果,然而,这方面的研究仍然是大变形研究领域中最薄弱的环节。导致围岩大变形的主要因素是岩石物理力学特性、岩体结构和围岩应力集中程度,其中软弱岩体,或者断层岩及破碎带,并且围岩集中应力较高的围岩容易出现大变形。基于此,隧道围岩大变形可能性的预测分析主要有两种方法:一是根据隧道围岩类别及其力学特性和围岩应力集中值,利用塑性理论和流变理论分析围岩流动变形量值,预测围岩产生大变形的可能性;二是建立软弱围岩及其附近相对坚硬围岩共同构成的结构力学模型,利用弹塑性和粘弹塑性数值模拟计算围岩流动变形量值,预测围岩产生大变形的可能性。大变形的预测方法总结起来可分为挤出预测和膨胀预测两大类。 3.3.1 挤出预测

Muirwood提出用坚固系数来预测隧道围岩稳定性(挤出),坚固系数被定义为单轴抗压强度和上覆围岩自重应力?H的比值。后来,这一参数在日本被用以进行软岩隧道围岩切应力或垂直土应力与单轴抗压强度的比值。

Saari把挤出现象视为岩石的弹—粘—塑性行为,并以此为基础进行了一些数值分析,对某些特殊情况给出了收敛解,提出用隧道的切应变??来识别和预测岩石挤出,发生挤出的临界应变值为1%。

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