隧洞開挖圍巖變形與破壞的分析

金 剛

（遼寧省水利水電勘測設計研究院勘察分院，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

該隧道工程總長97.543km，設計為圓形，成洞洞徑8.0m。其中樁號81+000～97+543，洞長約16.5km，穿越的地層巖性為青白口系釣魚臺組石英砂巖、侏羅系上統果松組中酸性火山碎屑巖及早元古代侵入巨斑狀花崗巖，地質條件相對較復雜，采用鉆爆法施工。

果松組火山碎屑巖類為一套中酸性火山熔巖及沉積碎屑巖組成的復合巖體，具體可細分為安山巖、凝灰巖、火山角礫巖、酸性熔巖及角礫熔巖等，且凝灰巖又可細分為：巖屑凝灰巖、含礫凝灰巖、安山質凝灰巖、紫紅色凝灰巖等，由于巖性的多變性，造成圍巖變形與破壞的形式也各不相同，該段隧洞穿越各地層主要巖石物理力學性質指標見表1。

2 巖石變性破壞特點

2.1 整體狀和塊狀巖體圍巖

1）巖體具有很高的力學強度和抗變形能力，主要結構面是節理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學屬性上可視為均質、各向同性、連續的線彈性介質，應力應變呈近似直線關系。

2）圍巖具有很好的自穩能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。其中塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結構面切割而成的不穩定塊體滑出的形式出現。其破壞規模與形態受結構面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關系控制。

表1 隧洞穿越各地層主要巖石物理性質指標

3）這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。

2.2 層狀巖體圍巖

1）常呈軟硬巖層相間的互層形式。結構面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結構面發育。

2）變形破壞主要受巖層產狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內鼓等。

3）變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學中的壓桿平衡理論來分析。

4）在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產生下沉彎曲、開裂。

5）在傾斜層狀圍巖中，沿傾斜方向一側巖層彎曲塌落。另一側邊墻巖塊滑移，形成不對稱的塌落拱。

6）直立層狀圍巖中，當天然應力比值系數λ＜1/3時，洞頂發生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側墻因壓力平行于層面，發生縱向彎折內鼓，危及洞頂安全。

2.3 碎裂狀巖體圍巖

1）碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化破碎加次生夾泥的巖體。

2）變形破壞形式常表現為塌方和滑動。

3）用松散介質極限平衡理論來分析。

4）在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規模塌方。

5）圍巖中含泥量很高時，由于巖塊間不是剛性接觸，易產生大規模塌方或塑性擠入。

3 隧洞開挖巖體實際破壞形式及支護

3.1 整體狀和塊狀巖體圍巖

1）圍巖變形破壞特點。該段巨斑狀花崗巖及果松組安山巖、角礫熔巖、酸性熔巖及火山角礫巖均屬整體和塊狀巖體，巖石強度較高，均為硬質巖，巖體的完整性則決定了節理的發育程度，而各組節理的組合關系則決定了圍巖的破壞特點。

2）圍巖破壞形式。節理組合契形體沿節理面滑落或脫落。

3）支護方式。沿近垂直節理面方向布置錨桿，長度一般2.5m，局部采用長度3.5m。

3.2 層狀巖體圍巖

1）圍巖變形破壞特點。紫紅色凝灰巖，具層理構造，與隧洞斜交，傾角較緩，屬軟質巖，洞頂部位受層理控制較強，圍巖不穩定，且該巖石極易風化變形，一般為3～7d。

石英砂巖，灰白色，硅質膠結，巖石硬度大，層理走向與洞走向近平行，傾角近直立，控制隧洞兩側成形，且層理構造炭化帶沿洞頂延伸，寬度約30cm，構成軟硬互層，影響洞頂穩定。

2）圍巖破壞形式。紫紅色凝灰巖段，洞頂局部沿層面拉裂成板狀塌落或成貝殼狀崩落；直立石英砂巖段，兩側及拱肩巖體沿層面脫落或滑落，沿頂局部巖體沿炭化帶掉落。

3）支護方式。紫紅色凝灰巖段，開挖后及時支護，采用拱頂掛網，濕噴混凝土8～10cm；直立石英尖巖段，兩側拱肩采用錨桿支護，洞頂局部采用掛網支護。

3.3 碎裂狀巖體圍巖

1）圍巖變形破壞特點。F12斷層與隧洞近直交，斷層寬10m，組成物質可見有斷層泥、斷層碎塊巖及斷層碎裂巖等，斷層碎塊巖為泥質膠結，地下水呈線流狀，在地下水作用下，斷層泥及泥質斷層碎塊巖軟化速度較快，圍巖失穩及塌方短時間內發生。

2）圍巖破壞形式。沿斷層下盤，在地下水軟化作用下巖體發生滑塌，塌方高度達5m，形成一個口小肚大的塌腔。

3）支護方式。塌腔位置立副拱，配合系紡錨桿及鋼筋網，最后濕噴混凝土15cm；未開挖斷層部位采用超前小導管固結灌漿結合鋼拱架、系紡錨桿及鋼筋網，最后濕噴混凝土15cm。

4 結語

1）圍巖的變形破壞是漸進式逐次發展的，開挖→應力調整→變形、局部破壞→再次調整→再次變形→較大范圍破壞。

2）對不同圍巖的變形破壞，采取及時有效的支護，即可起到防止變形的進一步擴大，保證隧洞的正常開挖。

3）一些特殊巖體，變形破壞發生時間短，一旦揭露，龍其是在某些外力作用下，比如說地下水，瞬間超越強度極限，且破壞強度及范圍很大，且最后處理難度大，嚴重影響施工工期。近幾年來，各種超前地質預報如雨后竹筍般發展起來，且取得了一定的績效，這也是控制降低大型斷層構造對隧洞的危害唯一的方法。