围岩,围岩变形特征分析

8.3.1 围岩变形时空分布特征 8.3.1.1 围岩变形位移-时间特征 根据隧道不同地段在监测历经时间内围岩变形的发展过程，可将其划分为“S”型、“N(Normal)”型、“L(Line)”型三种曲线类型。其中“S”型又可分为“S1”、“S2”两种亚类型；“N”型也可分为“N1”型和“N2”型两种亚类型。每种亚类型又可分为不同的阶段。 8.3.1.1.1 隧道进、出口浅埋段 隧道进口、出口浅埋段围岩变形位移-时间分布特征不一致，其量值也有差别。从断面拱顶下沉位移-时间特征来看，曲线总体呈“S”型，与浅埋段隧道开挖后，围岩应力、应变调整过程相对应。据其变形速率的不同，又可分为“S1”、“S2”两种类型(图8-3)。 图8-3 浅埋段拱顶下沉位移-时间曲线 Fig.8-3 Subsidence displacement-time curves of arch crown in shallowly covered section of the tunnel 进口(东口)“S1”型(K259+47.4，K259+48.9)可划分为三个阶段：①相对缓慢增长阶段，持续时间6～32d，平均变形速率0.475～1.52mm/d；②快速增长阶段，持续时间19d，增长速率达5.58～5.73mm/d；③渐趋稳定阶段，持续时间31～45d，变化速率为0.15～0.369mm/d。 出口(西口)“S2”型(K263+142，K263+162)可划分为四个阶段：①急剧增长阶段，持续时间1～2d，平均变化速率15～22mm/d；②缓慢增长阶段，持续时间35～48d，平均变化速率0.31～0.40mm/d；③快速增长阶段，持续时间30～37d，平均变化速率1.51～1.73mm/d；④趋向稳定阶段(表8-3)。 图8-4 浅埋段周边收敛位移-时间曲线 Fig.8-4 Convergence displacement-time curves of the shallow buried sections 依据西口周边收敛位移-时间特征(图 8-4)可分为“S1”、“N1”两种类型，每种类型可划分为三个阶段。 “S1”型：①缓慢增长阶段，持续时间30d，平均变化速率0.108mm/d；②急剧增长阶段，持续时间8d左右，平均变化速率1.71～5.30mm/d；③缓慢趋向稳定阶段，持续时间50～96d，平均变化速率0.071～0.108mm/d。 “N1”型(K263+102，K263+162)：①快速增长阶段，持续时间13～30d，平均变化速率1.954～2.79mm/d；②缓慢增长阶段，持续时间29～63d，平均变化速率0.173～0.148mm/d；③趋向稳定阶段，持续时间12～56d，平均变化速率0.001～0.017mm/d。 8.3.1.1.2 断层及其影响带 依据断层带周边收敛位移-时间特征(图8-5)，可把位移随时间的变化特征划分为“N1”、“N2”、“L”三种类型。 “N1”型(K261+345，K262+460)可分为三个阶段：①增长和急剧增长阶段，持续时间2～8d，平均变化速率为0.80～2.52mm/d；②缓慢增长阶段，持续时间10～23d，平均变化速率0.25～0.387mm/d；③趋向稳定阶段，持续时间36～39d，平均变化速率0.017～0.04mm/d。 “N2”型(K262+638)可分为增长和相对缓慢增长两个阶段，持续时间分别为30d和43d，相应的变化速率为0.476mm/d和0.09mm/d。 “L”型(K261+295)可分为两个阶段，持续时间分别为5d和108d，变化速率为0.35mm/d和0.113mm/d(表8-3)。表明目前围岩变形还没有趋于稳定的迹象，处于等速变形阶段。 图8-5 断层带周边收敛位移-时间曲线 Fig.8-5 Displacement-time curves of side wall convergence around fault zones 图8-6 断层带拱顶下沉位移-时间曲线 Fig.8-6 Subsidence displacement-time curves of arch top in the fault zones 如图8-6所示，断层带拱顶下沉位移-时间特征(K262+638，K262+828)近似呈“N2”型，可进一步划分为快速增长和渐趋稳定两个阶段，持续时间分别为34～43d和23～39d，相应的平均变化速率分别为1.265～0.93mm/d和0.10～0.087mm/d。 8.3.1.1.3 正常地段 正常地段是指不受卸荷作用影响(进入洞口一定深度)、不受构造改造(断裂)影响的地段。综合分析发现，东、西正常地段的围岩变形位移-时间特征基本一致(图8-7，8-8)，可认为是同一种类型即“N1”型，都可划分为相对快速增长、相对缓慢增长和趋向稳定三个阶段。只是量值有差别，东段明显小于西段。 因周边收敛和拱顶下沉的位移-时间曲线具有类似特征，这里只对东、西正常地段的周边收敛位移-时间特征进行分析，每个阶段的持续时间和平均变化速率如表8-3所示。 8.3.1.2 围岩变形位移沿洞轴线方向变化特征 研究过程中，对隧道围岩变形沿隧道水平深度的变化规律进行了综合分析。从周边收敛、拱顶下沉位移-洞深变化曲线(图8-9，8-10)可以看出，围岩变形位移沿洞深具有如下特征：①在隧道进、出口浅埋段周边收敛、拱顶下沉位移都很大；②洞深300～500m区段位移较大；③受断层影响的地段，位移变化也较大；④正常地段围岩中，由于东段为逆向坡，西段为顺向坡，致使东段位移明显小于西段，但又有其一定的变化规律。东段周边收敛位移呈近于负指数曲线形递减，拱顶下沉除个别地段较大外呈近于平稳分布。西段周边收敛位移跳跃性较大，预测拱顶下沉位移变化特征同周边收敛类似。 表8-3 二郎山隧道主洞不同地段围岩变形位移-时间特征　Tab.8-3 The time-dependent deformation features in surrounding rocks of the main tunnel 续表 图8-7 隧道东段周边收敛位移-时间曲线 Fig.8-7 Convergence displacement-time curves around east sections of the tunnel 图8-8 隧道西段周边收敛位移-时间曲线 Fig.8-8 Convergence displacement-time curves around west sections of the tunnel 8.3.2 围岩变形与主要因素的相关性 隧道围岩变形位移的时空分布特征表明，其主要与以下因素有关。 8.3.2.1 与围岩类别的关系 隧道围岩变形与围岩类别有一定的关系。一般而言，随围岩类别(Ⅴ→Ⅵ→Ⅲ→Ⅱ)依次降低，围岩变形位移愈大，其位移相对稳定时间也愈长(图8-11)。 图8-9 周边收敛位移随洞深变化曲线((b)图为(a)图的局部放大) Fig.8-9 The convergence displacement-horizontal distance curves((b)is the magnifying part of(a)) 图8-10 拱顶下沉位移随洞深变化曲线((b)图为(a)图的局部放大) Fig.8-10 Subsidence displacement-horizontal distance curves((b)is the magnifying part of(a)) 8.3.2.1.1 变形位移量与围岩类别的关系 二郎山公路隧道周边收敛、拱顶下沉位移与围岩类别有一定的对应关系。从统计结果(表8-4)来看，随着隧道围岩类别的降低(Ⅴ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ)，对应的周边收敛(拱顶下沉)位移平均依次为1.90(13.65)→4.472(17.49)→25.24(32.96)→27.55(47.70)mm。由此可见，高地应力区隧道围岩类别的位移判据大致为：①Ⅴ类围岩，收敛位移＜2mm，拱顶下沉位移＜15mm；②Ⅳ类围岩，收敛位移为2～5mm，拱顶下沉位移为15～20mm；③Ⅲ+Ⅱ类围岩，收敛位移一般为25～30mm，拱顶下沉位移为30～50mm。当然，这一位移判据是根据高地应力区二郎山隧道特定条件提出的，其推广应用还有待实践检验。 图8-11 收敛位移与围岩类别的关系 Fig.8-11 The relation between convergence displacement and surrounding rock grade 8.3.2.1.2 变形速率与围岩类别的关系 综合分析研究表明，隧道围岩类别不同，其变形速率及速率变化过程也不一样。隧道Ⅱ、Ⅲ类围岩(不包括浅埋段)周边收敛位移速率(v，单位为mm/d)与时间(d，单位为d)呈负对数关系，如图8-12、8-13、8-14所示。 二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题 监测前期阶段(一般20d左右)位移速率下降很快，最大达1.2mm/d左右。历经60～80d，位移速率已趋于零。Ⅳ、Ⅴ类围岩周边收敛速率与时间呈较复杂的非线性关系。如K261+953段Ⅴ类围岩周边收敛位移速率与时间(d)呈下式关系： v=-4E·07d3+8E·0.5d2-0.0057d+0.1655，R2=0.70 (8-2) 式中E为弹性模量。 Ⅳ类围岩，初期阶段位移速率下降也较快，历经80d左右则渐趋稳定或基本稳定；Ⅴ类围岩，变形位移速率曲线相对平缓得多，但趋于稳定的时间较长。 8.3.2.2 与岩体结构的关系 岩体结构是岩体质量的评价标准之一，随隧道围岩岩体结构从整体结构→砌体结构→镶嵌结构→碎裂结构的变化，围岩变形位移增大。东段主要由志留系纱帽组中段(S2s2)石英砂岩岩组，罗惹坪组上段(S1l2)白云岩岩组，泥盆系平驿铺组上段、下段(D1p3，D1p1)石英砂岩岩组等极硬、硬质岩组及纱帽组下段(S2s1)泥岩软质岩组组成。西段主要由泥盆系甘溪组下段(D1g1)泥岩软质岩组及其上段(D1g2)粉砂岩与泥岩软硬相间岩组组成。隧道东西两段，工程地质岩组的不同，决定了岩石的强度及岩体结构的差异。在相同地质条件下，围岩岩石强度越高，变形就越小，因此，隧道东段围岩变形位移明显小于西段。 表8-4 隧道主洞典型地段围岩变形位移与围岩类别的关系　Tab.8-4 Displacement character of surrounding rock in the typical sections of the main tunnel 图8-12 隧道东段典型断面周边收敛速率-时间变化曲线 Fig.8-12 Convergence displacement rate-time curves in the typical sections of the east tunnel 图8-13 隧道西段典型断面周边收敛速率-时间变化曲线 Fig.8-13 Convergence displacement rate-time curves in the typical sections of the west tunnel 8.3.2.3 与原始地应力场及弹性模量的关系 隧道围岩的变形位移与地应力和弹性模量关系密切。当以垂直地应力为主时，拱顶下沉位移受其影响较大；当以水平地应力为主时，特别是地应力方向与工程轴线方向垂直时收敛位移受其影响较大。岩石弹性模量是岩石在弹性极限内的应力与应变的比值，反映材料的刚度，是度量物体在弹性范围内受力时变形大小的常数，在相同应力条件下，岩石(体)的弹性模量越大，应变越小，二者呈反比(μ=σ/E)。将其应用于隧道围岩的收敛位移分析，同时考虑到其他因素的影响，得出收敛位移与围岩岩体弹性模量近似成反比的结论。 图8-14 断层(影响)带周边收敛速率-时间变化曲线 Fig.8-14 Convergent rate-time curves in the fault zone of the tunnel 为了进一步研究水平地应力σh和弹性模量E对隧道收敛位移的影响，我们进行了有限元数值模拟。 结合二郎山隧道已有资料，以埋深500m、3倍隧道跨度为边界，建立有限元分析模型，取定两参数的变化范围，分别为E=(0.3～6)×104MPa和σh=0.5～36.5MPa。分别逐次调整E和σh值，计算出水平方向变形位移u，并由此绘出u-E曲线和u-σh曲线，如图8-15和图8-16所示，其结果令人满意。 图8-15 u-E曲线 Fig.8-15 u-E curve 图8-16 u-σh曲线 Fig.8-16 u-σhcurve 依据曲线的形态，用曲线拟合法，建立u与E及u与σh的函数关系：u=f(E)和u=f(σh)即： u=f(E)=7.449E-1.026 (8-3) u=f(σh)=0.4678σh-0.3864 (8-4) 由曲线u-E和u-σh可了解系统特性位移u对参数E、σh变化的敏感性。同时也可看出，参数对系统的敏感度不同。如E较小时曲线变化急剧，E的微小变化将引起u的较大变化，即u对E很敏感；而E较大时，曲线平缓，E在较大范围内变化，u却变化不大，即u对E不敏感。在实际系统中，决定系统特性的各因素往往是不同的物理量，为了对各因素之间的敏感速度进行比较，采用了无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子，即将系统特性u的相对误差δu=|Δu|/u与参数αk的相对误差δαk=|Δαk|/αk的比值，即敏感度函数Sαk来分析。 二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题 在|Δαk|/αk较小的情况下，Sαk可近似地表示为： 二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题 据此，可得到敏感函数SE和Sσh的关系： 二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题 据式(8-7)、式(8-8)可得出(E，σh)的敏感函数曲线SE-E和Sσh-σh(图817、图818)。取αk= ，可得到参数αk的敏感度因子 二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题 由弹性模量敏感度函数SE≈1.026可看出，不论弹性模量E的基准值为何值，其敏感因子都恒为 ≈1.026。Sσh是一个递减函数，σh值较低时，敏感度较高，随着σh值提高，敏感度逐渐降低，其极限为：limSσh=1。针对二郎山隧道特定工程，取基准值 =10.0，20.0，30.0MPa代入式(88)，即得出参数σh对应的敏感度因子 =1.09，1.042，1.028。 图8-17 SE-E曲线 Fig.8-17 SE-E curve 图8-18 Sσh-σh曲线 Fig.8-18 Sσh-σhcurve 由此可以看出，σh与E的敏感度因子较高，对围岩变形位移影响大。因此，对水平向地应力σh和岩体弹性模量E的计算值的选取应特别慎重，以减少相对误差。 8.3.2.4 与构造改造(断裂)的关系 隧道局部围岩变形位移的大小与构造改造有十分密切的关系。在隧道中部F5、F6断层及其影响带，围岩变形位移大，且位移稳定时间长。在进口端洞深700m的F11断层带及出口端洞深450～500m左右的F14、F7、F9断层带围岩变形位移都较大。 8.3.2.5 与浅表生改造的关系 浅表生改造对一定范围内的围岩变形也具有很大的影响作用，它使在距边坡一定深度范围内形成一定程度的松动带，隧道开挖后，围岩变形位移较大，且呈“S”型，与开挖后围岩应力应变调整过程相对应。 8.3.2.6 与施工状况的关系 目前的隧道施工多采取双向施工方式，如果岩层产状不同，也会影响围岩的变形。由于隧道地层为单斜地层，东段为逆向坡，西段为顺向坡，加之地层层面是主要的结构面，无论是从施工的角度，还是从岩体力学角度分析，在重力作用下，西段围岩变形位移都要比东段大，尤其是拱顶下沉位移更应如此。

围岩稳定性研究对象是岩体，因此，首先要对岩体的基本力学属性特点有正确的认识。早期的岩体力学把岩体视为一种材料，看成连续介质，应用材料力学理论研究的是岩体的力学性质。类似于其他工程材料，岩体力学性质研究主要是测量岩石块体的强度、变形性质参数等指标，忽略了岩体中赋存的节理裂隙等不连续面的作用。到20世纪60年代末70年代初，人们才开始认识到岩体的裂隙性，认识到岩体内存在着大量的各种尺度的裂隙，这些裂隙对岩体性质有极大影响。在此方面萨茨堡学派做了大量的研究工作，缪勒（L.Muller）等在《岩石力学》文集中提出了此方面的研究方向、方法和基本课题。1974年，L.Broili对岩体的力学属性进行了归纳，主要观点是强调岩体的结构控制效应，如：他认为岩体结构对岩体力学性质的影响大于岩石材料，岩体的强度、变形和应力分布取决于岩体结构特征[17]。谷德振教授在《岩体工程地质力学基础》中对岩体结构类型进行了划分，并总结了岩体结构特征。孙广忠教授在其专著《岩体力学基础》和《岩体结构力学》中系统地提出了岩体结构控制论的观点，认为岩体结构控制着岩体的变形机制、破坏机制和力学性质，提出了岩体结构力学的5个基本观点[18,19]: （1）岩体是经过变形、遭受过破坏、有一定的岩石成分组成、具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时岩体再变形和再破坏的科学。 （2）岩体在结构面控制下形成自己独特的不连续结构。岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构控制作用远远大于岩石材料的作用。 （3）“岩体结构控制论”是岩体力学基础理论，“岩体结构力学效应”是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法是岩体力学研究的基本方法。 （4）岩体赋存于一定的地质环境中。岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩体力学性能。 （5）在岩体结构、岩石及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种力学介质和多种力学模型构成的力学体系。 孙广忠将岩体结构类型划分为完整结构、碎裂结构、板裂结构、块裂结构和散体结构，板裂结构在许多文献中称为层状结构。 岩体结构控制论分为两个层次，如下框图所示（孙广忠）。 基于岩体结构分析的煤巷锚杆支护技术 第一个层次是岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的控制作用，这是岩体力学的基本规律，也是研究地下工程围岩稳定性必须掌握的核心规律，是出发点；第二个层次是应用，是以岩体结构控制论研究岩体力学试验方法、进行岩体力学分析、指导岩体改造和岩体工程设计。 1.2.1.1　岩体变形 虎克定律可以描述处于弹性变形阶段的连续材料（介质）变形规律，而岩体内含有大量的结构面，岩体变形是岩体材料变形与岩体结构变形共同组成的，这与一般材料有着本质上的区别，因此虎克定律一般不适用于描述岩体的变形规律。孙广忠归纳出各种结构岩体变形构成如表1.1所示。 表1.1　各种结构岩体变形成分 岩体材料变形由岩石材料变形和坚硬结构面材料变形构成。岩石材料变形即是岩石块体（结构体）的变形，分为两种：一是弹性变形，可以用虎克定律来描述变形规律；二是黏性变形，可用黏性变形定律描述。坚硬结构面材料变形分为闭合变形和错动变形，在垂直结构面压力作用下形成闭合变形，在剪力作用下形成错动变形。 岩体结构变形是岩体变形的主要组成部分，是结构体位置的移动和行状的改变，是一种大变形，要用结构力学理论来研究。工程中常见的结构变形为4种：第一种是软弱结构面的滑移变形，它是在剪力作用下形成的；第二种是软弱夹层的挤出，在地下工程开挖中常遇到，施工人员称之为吐舌头，是软弱夹层在压力作用下的塑性流动现象；第三种是结构体的滚动，在剪力作用下，结构体产生转动，竖向变形首先表现为升起，然后再下降；第四种是层状结构体弯曲变形，是层状结构体在轴向力作用下形成的弯曲变形。 岩体变形包含材料变形和结构变形，但主要是结构变形，因此，在地下工程围岩变形分析中只计算材料变形是远远不够的。这正是一般的计算方法所得结果与实际变形差距很大的原因。 1.2.1.2　岩体破坏机制 孙广忠将岩体破坏定义为岩体结构改组、结构联结丧失，如碎裂结构岩体在环境应力改变时失去平衡，碎裂结构转变为散体结构，这是岩体结构的改组，再如完整结构岩体在应力作用下被压碎了，形成碎裂结构或者散体结构，原来的联结丧失了，这些都是岩体破坏。这个定义是岩体结构控制岩体破坏机制的具体诠释。对各类结构岩体的破坏机制归纳为表1.2所示。 表1.2　岩体破坏机制 由表1.2可见，完整结构岩体破坏机制分为两种，一种是张破裂，一种是剪破裂。如果岩石是坚硬脆性的，在拉应变作用下形成张破裂，破裂面与第一主应力方向一致。如果岩石比较软弱，在压应力作用下某斜截面的剪应力超过截面抗剪强度形成剪切破坏。碎裂结构岩体破坏机制较为复杂，结构体张破裂和结构体剪破坏属于材料破坏，其余4种破坏形式是结构破坏。表中列举的层状结构岩体3种破坏形式是结构破坏，倾倒破坏出现于顺层边坡中，在地下工程中常见的是溃屈破坏和弯折破坏。块裂结构岩体的破坏是结构体沿软弱结构面的滑动，滑落的结构体在衬砌上形成松动地压。在剪应力作用下，细碎屑散体结构岩体的破坏属于剪破坏，粗碎屑散体结构则以块体错动为主。