水平层状围岩离层特征及离层影响因素研究

吴盛发 周旺 施作伟 隆家锟

摘要：以南宁市东风路水平层状岩体隧道为背景，通过理论分析和现场试验，研究了水平层状围岩的离层特征及离层影响因素。离层的形成，是由于相邻岩层间的不协调变形引起的。当相邻岩层的层厚或力学性质差异较大时，隧道围岩离层便会产生。此外，离层的产生还受到岩体结构、围岩力学特性、地应力以及洞室尺寸等因素的影响。离层的产生及发展范围还受到关键层所在位置的影响，关键层距开挖断面越近，受到关键层的支撑和阻挡作用，离层所能影响范围越小，当围岩中不存在关键层时，离层影响范围大致为洞室跨度的一半。研究对类似工程具有借鉴意义。

关键词：水平层状 岩体隧道 离层特征 关键层

中图分类号：U451.2

Research on the Characteristics and Influencing Factors of the Separation Layer of Horizontal Layered Surrounding Rock

WU Shengfa1  ZHOU Wang2  SHI Zuowei3  LONG Jiakun3

（1.The Fifth Construction Co.， Ltd. of China Tiesiju Civil Engineering Group， Jiujiang， Jiangxi province， 332000 China;2.Guangxi Communications Design Group Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530000 China;3.Nanning Wuxiang Jinzhong Investment Co.， Ltd.， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530000 China）

Abstract ： Taking the tunnel of the Dongfeng Road in the horizontal layered rock mass in Nanning City as the background， the characteristics and influencing factors of the separation layer of horizontal layered surrounding rock are studied through theoretical analysis and field tests. The formation of the separation layer is caused by the uncoordinated deformation between adjacent strata. When the thickness or mechanical properties of adjacent rock strata are quite different， the separation layer of the surrounding rock of the tunnel will occur. In addition， the generation of the separation layer is also affected by factors such as the rock mass structure， the mechanical properties of surrounding rock， ground stress and the cavern size. The generation and development range of the separation layer is also affected by the location of the critical layer： the closer the critical layer is to the excavation section， the smaller the influence range of the separation layer is due to the support and blocking by the critical layer， and when there is no critical layer in surrounding rock， the influence range of the separation layer is roughly half of the span of the cavern. The study has reference significance for similar projects.

Key Words ： Horizontal layered; Rock mass tunnel; Separation layer characteristics; Critical layer

随着工程建设步伐的不断加快，地下工程逐渐在层状岩体中扎根。由此，层状围岩的稳定性问题日益凸显，引发了国内外学者和相关从业者的广泛关注与深入研究。孙广忠等人[1]通过研究表明，层状围岩的破坏主要是由于隧道周围岩径向应力释放，切向应力集中所致。在洞周形成单向压应力区，单向压应力区应力集中，使洞周切向压应力超过了岩层的抗弯强度，围岩沿着软弱结构面产生滑移、离层，导致围岩发生弯曲变形，进而折断破坏。林崇德[2]通过数值模拟和相似模型试验，并结合现场勘探，对水平层状围岩隧道拱顶围岩的变形破坏机制进行了详细地分析。得到，水平压应力导致了拱顶层状围岩的离层和弯曲变形破坏，而非传统意义上的受垂直压应力影响而导致的承载梁形式破坏。刘高[3]在研究结构面较发育的坚硬围岩的动态变形破坏机制时，特别针对层状围岩的隧道进行了深入探讨。研究表明，此种类型的隧道变形破坏机制是挠曲引发的。隧道开挖后，围岩径向应力不断释放，而切向应力的不断增加，层状岩体在水平压力的作用下，产生板状挠曲变形。层状围岩的变形破坏是多种因素综合作用的结果，不仅受到岩体结构特性的影响，还受到地应力[4]和隧道开挖尺寸[5]等实际施工条件的制约。例如，一些研究者[6-7]强调，应力水平对水平不同层状围岩的变形破坏模式和破坏特征不同，应力水平对层状围岩的变形破坏特征有重要影响。以上研究为深入理解层状围岩的变形破坏机制提供了坚实的理论基础和实践指导。

1层状围岩变形中的关键层

钱鸣高院士提出了地下洞室上覆岩层的关键层理论，称为托板理论[8]。该理论提出，在地下洞室的上覆层状围岩中，存在着一层坚固且有一定厚度的岩层。这层岩层凭借其卓越的刚度特性，在水平应力的作用下能够保持稳定，不易发生弯曲变形。因此，关键层在地质结构中发挥着举足轻重的作用，它有效地将上覆岩层与下覆岩体分隔开来，形成两个相对独立的系统。鉴于关键层的重要性，对其的识别和定位成为了分析离层影响区域不可或缺的重要一环。

基于水平层状围岩受力特点，假设岩板在x方向上受到的水平压力为，y方向上受到的水平纵压为，假定，如图1所示。

要使得式（3）恒成立，需要和中至少有一项为零。当为零时，挠度w恒为零，此时岩板处于平面平衡状态，不产生结构性变形；当为零时，该情况下岩板可能出现压曲结构性变形，因而有

式（4）中，可分别取不同整数，当m、n的取值满足条件时，对应的即为关键层岩层所要满足的弯曲刚度，即

若要求关键层岩层最小刚度，则令[10]，同时令，则可得到关键层的最小刚度为

2离层范围与特征

由于关键层具有出色的刚度特性，使其不易发生压曲变形。因此，其上方的岩层变形极其微小，能够与关键层保持高度同步、协调的变形状态。然而，由于缺乏关键层的支撑作用，关键层下方的岩层在洞室临空面处容易出现弯曲、下沉、甚至坍塌等变形破坏现象。显然，由于关键层的存在，其上方的岩层中不会产生离层现象，因此，离层的主要影响范围为关键层下方的岩体。

对于隧道拱底的围岩，若存在一层厚岩层，其刚性足以抵抗外部力的冲击，从而保持形态稳定，防止其上部岩体向临空面弯曲变形，这样的岩层称为洞底关键层。值得特别关注的是，当拱顶或拱底的首层岩层为关键层时，由于它的强大支撑作用，围岩中将不会出现离层变形现象。

基于上述分析，可以从拱顶或拱底的首层岩层开始分析，逐层深入检查围岩情况。当发现某一层岩层的厚度和弯曲刚度相比其他岩层比较大，并且能够抵御水平应力的作用而不发生弯曲变形，即满足式（6）所规定的弯曲刚度条件时，便可确定该层为关键层。

假设第n层岩层满足式（6），那么它就被视为关键层。根据关键层理论，对于洞室顶部的岩层来说，离层将会出现在关键层与其下方岩体的交界处，也就是第n层与第n-1层岩层之间。同理，对于洞室底部的岩层来说，离层将会出现在关键层与其上方岩层的交界面。

对于第1层到第n-1层之间的围岩离层分布情况，它们受到各相邻岩层弯曲变形程度的影响。具体来说，在洞室顶部，当下层岩层的结构性弯曲变形大于上层岩层时，相邻岩层间便会出现离层；而在洞室底部，则是当下层岩层的结构性弯曲变形小于上层岩层时，才会产生离层。这些特点为深入分析和预测离层现象提供了重要的依据。

3离层产生的影响因素3.1地应力

地应力是导致围岩变形破坏不可忽视的重要因素。对于层状围岩而言，地应力的大小直接决定了岩层是否会发生压曲或弯曲变形。离层的形成，往往源于各岩层在受到地应力作用时，其结构性变形的不协调。尤其是存在临空面的情况下，一旦地应力超越了岩层的压曲变形临界值，岩层便会开始发生压曲现象。

3.2围岩的岩体结构

围岩的岩体结构在控制其变形行为中扮演着至关重要的角色。例如：岩层的厚度受层面发育间距的直接影响，进而影响离层的发育程度和分布特征。此外，岩板的边界约束条件是由结构面对岩层的切割状态所决定的，这些约束条件进一步影响着层状围岩的弯曲变形特性。

3.3 洞室的规模

洞室规模的扩大通常意味着对围岩变形控制的难度也会相应增加。当隧道开挖断面较小时，隧道拱顶层状围岩的临空面尺寸相对较小，这时围岩的支撑条件较好，不易产生弯曲变形，因此离层现象相对较少。然而，随着大断面隧道不断出现，隧道开挖断面的不断增大，对于层状围岩来说，拱顶岩板的临空面尺寸也相应增大，此时层状岩板弯曲应力增大，拱顶围岩更容易发生向临空面的弯曲下沉变形，从而为离层的产生创造有利条件，加速了离层的产生和发展。

综上所述，离层在地应力条件、层状围岩的力学性质、岩体结构特征以及洞室的规模和形状等多因素综合作用下产生的。这些因素共同导致了岩层非连续、非协调的结构变形。对于水平层状围岩，其变形破坏过程受岩体结构的影响很大，并展现出逐层递进性破坏的特征。在层里面和水平压应力的共同影响下，在岩层刚度差异较大岩层接触面首先发生分离，形成离层。随后，随着离层变形的不断发展，岩层的结构性弯曲变形逐渐加大，最终超过岩层的抗拉强度，导致岩层弯曲拉裂破坏，进而会引发岩层层状垮塌破坏。

4结语

（1）基于岩层压曲条件的深入分析，得到了围岩中关键层判定强度的条件。关键层所处位置直接影响离层范围的大小，关键层距离临空面越近，离层范围则越小；反之，离层范围则越大。基于岩层的结构性弯曲变形特性及离层产生的条件，得到离层产生受地应力水平、围岩的物理力学性质、岩体结构特征以及洞室规模的影响。

（2）离层破坏过程呈现出明显的逐层递进性演化特征，其过程可概括为：首先岩层发生结构性弯曲变形，随后产生离层，接着岩层发生弯曲拉裂，最终导致岩层垮塌。进一步提出了岩层弯曲拉裂破坏的力学判据，并详细描述了在这一破坏过程中裂缝的产生与发展特点。

（3）岩层垮塌后，会在拱顶两端留下一部分悬挑岩体，这使得岩层的垮塌跨度逐层减小。最后这一系列的垮塌过程会形成梯形拱的破坏轮廓。

参考文献

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