超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验分析

蒋小能

【摘要】超大断面隧道在软弱破碎围岩的施工中具有很大的难度，软弱破碎围岩的不良地质条件，加上隧道断面的扩大，极大的影响了隧道的稳定性。软弱破碎围岩的渐进破坏过程，由最初的开挖改变围岩应力重分布的情况，可以发展到应变弱化过程中逐渐发生破坏。本文采用三维地质力学模型，从模拟试验的建立、相似材料的选择等方面着手，对超大断面隧道软弱破碎围岩的渐进破坏过程进行了试验分析。

【关键词】隧道；破碎围岩；渐进破坏过程；三维地质力学模型

一、三维地质力学模型试验内容

（一） 实验参数

本文选取某隧道工程为试验背景，该隧道的主要特征是，穿过极破碎地层，薄片状岩层在节理表现上呈碎块状，并伴有少量裂隙出水现象，隧道开挖后，岩层粉末化。同时，围岩岩体破碎完整性较差，还会在与水接触时松散软化，稳定性较差，容易发生坍塌。本研究将所选取的隧道工程相关工程数值与相关规范进行对比，统计了该隧道软弱破碎围岩的基本物理力学参数：

（二）模型初设

选取尺寸为 2.0 m长×2.4 m宽×2.4 m高的三维三维地质力学模型，其应力相似比、几何相似比为 1∶50。使模型边界满足相关条件，在模型的中间位置进行开挖，其实际的开挖面积为 110m2 ，为超大断面铁路隧道。模拟试验的开挖长度为2米，由台阶法支护试验、全断面支护试验、全断面无支护试验以及掌子面保留超载段四个阶段组成。四个阶段中按顺序依次开挖，有效进行超载破坏试验。

二、三维地质力学模型模拟材料选择

模拟材料应该与实际的修筑情况较为相似，模拟材料包括锚杆、初喷混凝土等支护结构以及软弱破碎围岩所采用的材料。

（1）支护体系相似模拟材料

尽可能通过相似材料的选用，避免出现混凝土与围岩间不良特殊效应，保障模拟试验与实际的隧道施工中混凝土初喷的原料情况相近。因为实际的隧道施工混凝土的来源是爆破围岩碎石，可以选取C 2 5初喷混凝土，其抗拉强度、抗压强度以及弹性模量较为相似。根据隧道刚度与面积要求，首先让聚四氟乙烯满足锚杆的基本物理条件要求，其次将胶结剂涂抹在聚四氟乙烯材料的表面，最终与黏结石、英砂共同完成围岩的模拟，这一过程有效实现锚杆模拟材料。以初喷混凝土相似材料举例来说，其力学参数对比表如下：

（2） 软弱破碎围岩相似模拟材料

本次三维试验的隧道，其主要的岩层构成为炭质千枚岩、上统千枚岩，整体岩质都较容易破碎，而且具有一定程度的流变性，即其岩层的状态容易受到外力的作用而改变。根据这种情况，模拟试验可以采用重晶石粉、精铁粉、石英砂，结合以松香溶液胶结剂进行相似材料的配偶。并通过相应的流变装置对其力学参数进行有效的测验，测试结果表明，当情况为过载时，慢速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变是相似材料的三个变形过程，最终会出现破坏现象；当情况为小额载荷时，也就是受低应力影响下，相似材料有慢速蠕变和稳定蠕变两个变形过程。与此同时，针对千枚岩，相似材料在蠕变测试中，压缩应力增大，其蠕变性随之增强，这一测试表明，千枚岩软弱破碎围岩同样具有蠕变性。

三、三维地质力学模型试验

三维地质力学模型试验中隧道的修筑方法为夯实填筑法，首先依照科学的等比进行材料配置，并保证材料能充分满足试验需要，搅拌均匀后在模型框架内从下往上进行分层铺设，在设计方案的标高部位预设测量仪器，之后继续填铺，到模型顶部后停止铺设。隧道模拟试验的埋深为200米左右，模型开挖步骤为：先从隧道口开始每隔0.5米连续进行台阶法支护开挖、全断面支护开挖、全断面无支护开挖，之后在掌子面的前0.5米处进行超载破坏试验，对不同围岩段的渐进破坏现象进行观察分析。4阶段的深挖中围岩都受到有規律的破坏：当埋深增加至400米时，局部的拱顶围岩有拉剪破坏，且最早出现裂缝甚至掉块现象的是掌子面邻近的全断面无支护开挖段，一般是在隧道拱顶集中表现；当埋深增加至700米时，拱顶、边墙都有大量的材料脱落与破坏现象；当埋深增加至800米时，台阶法支护开挖方法下，局部拱顶支护材料出现开裂与破坏；当埋深增加至1000米时，支护与围岩均出现大面积破坏现象，隧道面临整体坍塌。

四、分析结果

超载情况下，围岩的破坏区域会随着开挖深度的增加渐进扩大，最早发生破坏的是全断面无支护段周边围岩，然后是全断面支护段与台阶法支护段的初喷混凝土。拱顶上方区域是主要的破坏集中区，既是衬砌结构出现破坏的主要源头，也是造成围岩坍塌的主要原因；隧道侧部的边墙也有局部的破坏，破坏程度从边墙的上部到边墙的拱脚逐渐加剧。同时，随着埋深的增加，无支护段围岩位移增长情况多于支护段围岩位移增长情况，说明支护结构具有明显的承载力，这一过程中荷载与应力的增长呈反向；随着围岩破坏深度的增加，拱部出现变化性的压力拱现象，这说明在顶部进行加固有一定可行性，是改善超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏现象的有效探索方向。

结束语

采用三维地质力学模型试验对在隧道逐渐深挖过程中软弱破碎围岩的渐进破坏情况进行试验，所展现的超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏全过程与实际情况极为贴近，有利于掌握超大断面施工过程中可能出现的问题，为提高隧道稳定性的方法探究提供有效的参考依据。

参考文献：

[1]李利平，李术才，赵勇，王汉鹏，刘钦，原小帅，赵岩，张骞. 超大断面隧道极软弱破碎围岩空间变形机理与荷载释放演化规律[A]. 中国岩石力学与工程学会.第十二次全国岩石力学与工程学术大会会议论文摘要集[C].中国岩石力学与工程学会：，2012：01（12）：59-60.

[2]王庆磊. 软弱围岩隧道施工过程及渐进性破坏试验研究[D].石家庄铁道大学，2014，05（11）：156-157.

[3]罗晶，张林，陈媛，董建华. 地质力学模型试验中变温相似材料的应用与温度影响行为分析[J]. 四川水力发电，2010，01（09）：84-87.

[4]施大堃. 基于三维地质模型和岩石应变软化的隧道围岩稳定性分析[D].南京理工大学，2010，（09）07：15-16.