地下洞室围岩大变形分类研究

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摘要：围岩大变形是隧道常见病害之一。基于围岩应力-应变曲线，将围岩大变形分为正常弹性变形、轻微变形、显著变形、严重变形以及剧烈变形。根据工程经验将工程中的围岩大变形分为硬质岩类大变形以及软质岩类大变形，并指出这些分类的基本特征。

关键词：隧道工程；分类研究；大变形；围岩；隧道

1 引言

隧道围岩大变形是一类危害程度大、整治费用高的地质灾害，据统计，国内外已发生大变形的隧道工程有20余座，大变形灾害不仅延误工期，而且造成工程费用的急剧增加，如南昆线家竹箐铁路隧道长390m的大变形洞段，工期延误达四个半月之久，据计算整治消耗自进式锚杆10万余米[1]，如果将所有整治费用加在一起，损失十分惊人。目前已完成土建工程的鹧鸪山公路隧道也因施工过程发生围岩大变形不得不加强初期支护，增加工程的投入。根据大量文献检索结果显示，隧道工程围岩大变形已困扰地下工程界的一个重大问题。19世纪中叶，铁路隧道底鼓、仰拱破坏就已经出现并引起人们的关注（Pressel和Kauffmann，1860），但首例严重的交通隧道软弱围岩大形应该是1906年竣工的长19.8km的辛普伦Ⅰ线隧道。此后，国外如日本的惠那山（Enasan）公路隧道、奥地利的陶恩（Tauern）隧道、阿尔贝格（Arlberg）隧道等都是典型的隧道围岩大变形灾害工程事例[2]。我国国内如青藏线4.0km长的关角隧道、宝中线3.136km长的大寨岭隧道及1.904km长的堡子梁隧道、南昆线上的穿越煤系地层的家竹箐铁路隧道、在建的国道317线鹧鸪山公路隧道（4.442km），以及铁山隧道（2.099km）等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，给工程建设造成极大的困难。

本文根据围岩大变形特性对大变形分类进行研究，研究成果有助于围岩工程分级及工程施工指导。

2 大变形分类研究

2.1 理论曲线分类

由于各种岩石的弹性模量、受荷状态不同，所形成的变形量有很大差异。即使在相同的应力状态下，对于弹性模量不同的岩石变形显然是不同的。变形有大小之分，而对于那些产生小变形的岩石在工程中是允许的甚至是可以忽略的。我们所需要研究的是岩石产生的较大变形，但不同性质的岩体它所具有的变形量亦相差很大，如对于软质岩体，即使在小应力下，在长期受荷状态下也会产生较大的变形。而对于硬质岩体在强应力状态下还没有产生较大的变形就已经发生破坏。因此为适用于工程应用和区别，基于岩体受荷破坏变形过程提出理论大变形和工程应用大变形。

通过岩石应力-应变曲线将应力应变过程大致分为压密阶段、弹性阶段、稳定破裂阶段、不稳定破裂阶段（累进破坏阶段）和强度丧失阶段。如图1所示，从应力应变曲线中可以看出，最能反应变形变化率的是变形的切线斜率，因此基于变形的过程变化速率对应力应变曲线弹性变形阶段取切线变形，切线变形表达式为

累进破坏阶段曲线取最大切线变形重新划分区段①、②、③、④、⑤区段，如图1所示。

理论大变形指当岩石在单向受压或三向应力状态下，岩石变形超过 进入③、④、⑤阶段而强度其尚未完全丧失，或岩石受单向受拉超过弹性变形阶段而未达到峰值阶段的变形，此时的围岩还具有自稳能力，但发展下去就会发生较大的变形。因此把变形分为以下几种：

1）正常弹性变形： ，即变形在①阶段，变形为弹性变形；

2）轻微变形： ，即变形进入②区段，变形为稳定破坏，基本为塑性变形；

3）显著变形： ，即变形进入③区段，变形为累进破坏；

4）严重变形： ，即变形进入④区段，应力急剧减小，强度基本丧失，变形速度较快。

5）剧烈变形： ，即变形进入⑤区段，强度完全丧失，变形最大。

应指出，理论大变形是工程大变形的必要条件，只有形成了理论大变形，才有可能会出现工程大尺度变形。理论大变形和工程大变形都可作为大变形的标准尺度，理论大变形对于受力状态强、弹性模量大的岩体是非常明显的，而工程大变形对于受力状态弱、弹性模量小的软质岩体显得尤为重要。

2.2 工程分类

工程大变形，指岩石具有一定自稳能力的工程大尺度变形。一般岩石受拉时表现为脆性断裂破坏，变形量较小，因此一般只有软质岩体或软岩才回在持续拉伸作用下发生工程大尺度变形。

工程应用大变形进一步分为以下大变形：

a 硬质岩类大变形

断裂区大变形：主要有块裂状、碎裂状、碎屑状。主要是因为强应力作用和应力集中导致岩体破碎变形。

高应力区大变形：主要是灰岩、砂岩、白云岩等硬质岩体的弹性变形，在长期荷载下表现为蠕变。

高围压高温区大变形：亦称软岩的塑性流动和挤出。

b 软质岩类大变形

主要是软质的泥岩、泥灰岩、页岩、粘土性岩体等软质岩体的变形，有软岩的挤出、膨胀性变形、塑性楔体、结构性流变、差异性松脱、围岩梁板弯曲等。

3 结论

（1）基于围岩应力-应变曲线，将围岩大变形分为正常弹性变形、轻微变形、显著变形、严重变形以及剧烈变形。

（2）根据工程经验将工程中的围岩大变形分为硬质岩类大变形以及软质岩类大变形，并指出这些分类的基本特征。

参考文献：

[1] 李永林，冯学钢，姜云，何川.隧道工程围岩大变形及预测预报研究[J].现代隧道技术，2005，42（5） ：46-51，59.

[2] 姜云，李永林等.隧道工程围岩大变形类型与机制研究[J].地质灾害与环境保护，2005，12（4）：46-51.