水平层状围岩变形规律及渐进破坏机理研究

王喜明 吕行 梁媚 蒙俊宁

摘要：层状岩体受结构面影响，其破坏模式和破坏机制明显不同于其他岩体。在层状岩体中修建隧道，围岩稳定性问题比较突出。以东风路隧道为背景，针对层状岩体隧道围岩的破坏模式及渐进变形破坏机制进行了研究，结论如下：水平层状岩体隧道围岩稳定性影响因素主要有地质因素、施工因素、工程因素；水平层状岩体的变形破坏模式主要为顺层滑移破坏和弯折破坏；层状围岩渐进变形破坏具有典型的逐层递进性演化特征，靠近初始临空条件的岩层优先出现离层，随后逐层垮塌破坏，垮塌破坏的跨度则逐层减小，直至平衡后，最终形成梯形拱的破坏形态。

关键词：层状岩体 隧道围岩 破坏模式 破坏机理

Research on the Deformation Law and Progressive Failure Mechanism of Horizontal Layered Surrounding Rock

WANG Ximing1  LYU Xing2  LIANG Mei3  MENG Junning2

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

Abstract ： The layered rock mass is affected by the structural plane， and its failure mode and failure mechanism are obviously different from other rock masses. The stability of surrounding rock is a prominent problem when constructing a tunnel in the layered rock mass. Taking the Dongfeng Road Tunnel as the background， the failure mode and progressive deformation and failure mechanism of the surrounding rock of the tunnel in the layered rock mass are studied. Conclusions are as follows; the influence factors of the stability of the surrounding rock of the tunnel in the horizontal layered rock mass mainly include geological factors， construction factors and engineering factors; the deformation and failure modes of the horizontal layered rock mass are mainly bedding slip failures and bending failures; the progressive deformation and failure of layered surrounding rock have typical layer-by-layer progressive evolution characteristics： the rock strata near the initial free condition preferentially separates and then collapses layer by layer， and the span of the collapse failure decreases layer by layer until equilibrium and finally forms the failure mode of the trapezoidal arch.

Key Words ： Layered rock mass; Tunnel surrounding rock； Failure mode; Failure mechanism

在层柱岩体中开挖隧道，常常出现围岩大变形、支护破坏等问题。目前，国内外学者对地下工程围岩稳定性影响因素及破坏机理的研究取得了一定的成果。于学馥等人[1]按照围岩破坏过程、破坏形态及成因，总结了围岩的破坏的六种类型；樊纯坛等人[2]基于HC分类法，重点考虑层状岩体的层厚与产状对围岩稳定的影响，对层状岩体地下洞室施工阶段的围岩进行了精细化分级; 王尚[3]考虑层状岩体结构面走向、倾角和层厚及与工程结构物的不同空间位置关系，建立隧洞三维有限元计算模型，分析了隧洞围岩的稳定性；高燕等人[4]通过模型试验，得到了连续介质条件下隧道围岩的破坏模式。张建聪等人[5]基于对大型洞室群围岩破坏模式的研究，提出了大型洞室群围岩破坏模式的分类方法。张斌等人[6]采用数值模拟的方法研究了不同倾角下节理岩体稳定性；王华[7]研究了大断面黄土隧道围岩稳定性。

对于地下工程围岩的破坏机理，许多专家学者进行了大量研究，并取得一些成果，但专门针对层状岩体隧道围岩变形破坏的研究还比较有限。因此，本文依托东风路隧道对水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理进行研究，以期为类似工程建设提供借鉴。

1工程概况

东风路隧道以硅质泥岩为主，泥晶结构，薄层状，局部中厚层状构造，风化程度可分为全风化层、风化层、中风化层，全风化层主要为密实碎石，强风化层呈碎石、角砾状，中风化层岩质较硬，呈块状。

2水平层状围岩稳定性

2.1影响层状岩体隧道围岩稳定性的因素

围岩稳定对保证地下工程安全至关重要，围岩稳定不仅受岩石性质、岩体、结构与构造等自然因素的影响，而且受开挖方式、支护形式和时间的影响。影响层状岩体隧道围岩稳定性因素包括地质因素、施工因素因素2种，具体如下。

2.1.1地质因素

（1）岩石的物理力学性质。

岩体由天然应力状态转变为围岩应力状态过程中的应力释放和应力调整引起的围岩变形。当层状岩体隧道处于完整性较好的坚硬岩层中时，隧道开挖导致的围岩变形量较小；当围岩较破碎、节理裂隙发育、整体性较差时，隧道开挖围岩变形则较大。同时，由于层状岩体特殊节理的存在，会导致岩体发生错动和滑移，给围岩的稳定带来不利影响。

（2）岩体结构与构造。

岩体的变形特性既受到岩体结构特征的影响也受到岩体材料特性的影响，层状围岩由于其特殊的岩体结构特征，导致其相对于其他类型岩体具有较强的结构变形特征，同时，由于层状岩体各岩层的层厚、岩性的差别，以及边界条件和力学特性的差异，进一步导致了各岩层结构变形的差异，并导致岩层间的变形不协调。

2.1.2施工因素

在施工过程中，常常存在着操作不规范和施工工艺流程不完善的情况。

（1）喷射混凝土的强度和韧性不满足要求，厚度没有达到设计要求。

（2）锚杆的直径和长度不满足要求，以及可能存在未及时注浆和注浆浆液不满足规范要求，并且在锚杆布置方面，可能存在布置密度不够。

（3）钢支撑型号不合适，导致强度、刚度不满足要求。形状不满足要求，导致不能紧贴围岩，以及可能存在未设置锁脚锚杆，或锁脚锚杆焊接不合格。钢支撑布置间距过大，过于稀疏。

以上各种施工因素综合作用，导致支护结构施工质量不合格，不能达到设计要求，导致围岩应力没有得到很好的释放或应力释放不均匀，产生过大变形，导致支护结构产生破坏进而引起塌方等破坏问题，影响施工进度。

2.2水平层状围岩破坏模式分析

按照应力控制类型的不同，水平层状围岩的破坏模式主要分为张拉破坏和滑移破坏两种。

2.2.1 张拉破坏

隧道开挖产生临空面，导致围岩应力发生重分布，受到应力传递和重力作用的双重影响，层状围岩产生弯曲变形，随着弯曲变形的不断增加，当围岩的弯曲变形超过围岩的抗拉强度时，岩石产生拉裂破坏，按拉裂破坏发生的位置不同，分为拱顶拉裂破坏和边墙张拉破坏。

（1）拱顶张拉破坏。

对于呈水平状或近似水平状的岩层，其张拉破坏主要发生在拱顶和拱肩位置。对于在水平岩层中开挖的隧道，在进行结构分析时，可将拱顶围岩近似简化成梁结构，承担来自上部的荷载，受到开挖临空面和上部围岩压力的影响，岩层结构首先在跨中部位产生弯曲，当弯曲应力超过岩层抗拉强度时，岩层跨中底部首先产生张拉裂缝，随着岩层挠度的增加，裂缝不断向上发展，直至穿破整个岩层，岩层产生张拉断裂破坏。

（2）边墙张裂剥落破坏。

对于岩层呈垂直状或近似垂直状的隧道，受到隧道开挖应力扰动后，在平行于洞壁方向上会产生较大的拉应力，而在垂直洞壁方向，应力相对较小，因此，边墙部位岩体会向隧道临空面内挤，当应力超过岩体抗拉强度，边墙部位产生张拉剥裂破坏，岩体剥落。

（3）斜板张拉破坏。

对于岩层呈倾斜状的隧道，隧道开挖产生临空面后，会在拱肩部位和洞室两侧壁产生斜板张拉破坏。当围岩压力较大时，岩层将发生指向隧道临空面弯曲内鼓，随着弯曲变形不断增大，超过岩体的抗拉强度时，岩体将产生张拉弯折破坏。

2.2.2滑移破坏

受到构造应力的影响，层状围岩会沿着结构面产生滑移，因此，对于岩层倾角较大的隧道，隧道开挖后，当岩层间的剪应力超过岩层的抗剪强度时，会在拱肩、边墙或拱顶部位产生沿着结构面的滑移，从而产生滑移破坏。按破坏发生的位置不同，分为拱顶滑移破坏和边墙滑移破坏。

（1）边墙滑移破坏。

在岩层较倾斜隧道的边墙部位，隧道开挖后，在应力扰动、围岩压力的影响下，当层里面剪应力超过岩体的抗剪强度时，岩体会发生沿着层里面指向隧道临空面的楔形剪切滑移破坏。

（2）拱顶滑移破坏。

在岩层倾角接近垂直的隧道拱顶部位，隧道开挖后，在重力荷载以及围岩压力的影响下，会沿着层里面产生滑移破坏，造成围岩失稳，产生较大塌方破坏。

3水平层状围岩隧道渐进破坏机理

与其他岩体隧道开挖后容易形成拱形塌落不同，水平层状岩体在洞室开挖后拱顶容易脱落形成一个平面，称为平顶现象。因此，隧道拱顶受力由通常的压力拱受力转变成平面板支撑受力。因此，层状围岩矩形洞室开挖后，如若支护强度不足或支护不及时，围岩容易发生弯曲变形，拉裂破坏，进一步发生垮塌破坏，并且破坏会逐渐向围岩内部渐进循环发展，直至达到应力平衡状态，形成一个新的平衡结构。

对于水平层状围岩来说，隧道拱顶的塌落始于拱顶首层岩层，然后逐渐向上、向围岩内部发展。由于受到两拱肩的固定作用，岩层的垮塌不是隧道整个开挖断面的宽度，而是在两端会保留一部分，两端保留的悬挑部分会给其上部岩层提供支撑，其上部岩层的受力跨度为下部遗留悬挑部分之间的距离，以此类推，每层岩层垮塌时都会遗留一部分，并作为其上一岩层的支撑，因此，随着隧道拱顶岩层的不断向上垮塌，垮塌的跨度会不断减小，最终会形成一个梯形拱。层状围岩由于其结构的特殊性，导致其力学特性呈现出明显的各向异性和非连续特性。垮塌由拱顶首层开始，逐层向上传递，并且上层的垮塌特征受到下层围岩的影响。上述拱顶围岩的“离层产生—弯曲拉裂—层状垮塌—形成平顶”的演变过程将循环出现，逐层向上发展，直至形成穿插型塌方。

当水平应力分量超过层状围岩的层间抗剪强度时，岩层会向临空面产生剪切滑移变形，这也是在隧道两端的拱肩和拱脚处常常出现开裂和钢拱架弯曲等大变形灾害的原因。因此，层状隧道围岩的变形主要特征为：在开挖扰动应力的影响下，水平岩层迅速产生朝向临空面的挤压变形，主要表现为拱顶沉降，如果支护不够及时或不够充分，层间节理发生破坏，继而导致岩层最终受剪切力作用而破坏。层状围岩变形主要集中在围岩强度的薄弱面，即层理面的法线方向。

从工程地质力学的角度看，层状岩体和其他非层状岩体，不同之处表现为在一定的荷载作用下，层状岩体不但有岩石材料方面的压缩、拉伸和剪切变形破坏等，往往还有结构方面的挠曲变形。这种结构不是岩体的微观结构，而是上述提到的层状岩体所形成的工程结构。层状岩体的结构变形破坏往往比岩石材料本身的变形破坏更严重。在地下工程中则经常可以看到洞顶的弯曲，地板鼓起，侧墙弯折以及岩柱拱曲变形破坏等。层状岩体是一种比较特殊的岩体类型，其变形破坏也具有特殊性，因此在分析层状岩体的变形破坏时，必须充分考虑岩石的物理力学特性以及岩层的结构变形破坏特点，以对变形破坏进行客观分析。

4 结语

（1）影响水平层状岩体隧道围岩稳定性主要因素有地质因素、施工因素。而地质因素中，最重要的影响因素为岩块的坚硬程度、结构面发育程度、软弱结构面性质。

（2）水平层状岩体的变形破坏模式主要为顺层滑移破坏和弯折破坏。

（3）水平层状围岩隧道开挖后形成临空面，可将拱顶岩体简化成固端梁进行分析，当剪应力大于固端梁的抗剪强度时，将发生剪切滑移破坏，并且岩层越薄，剪应力越大；岩梁中点下部拉应力随着岩层厚度的减少而增大，拱顶拉应力越大，越容易导致弯折破坏。

（4）岩层垮塌后会在拱顶两端各遗留一部分悬挑岩体，因此，岩层的垮塌范围逐层减小，离层逐层递进发展，最终形成梯形拱破坏轮廓。

参考文献

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• 王尚. 层状岩体引水隧洞围岩稳定性分析及分级中结构面产状评分细化[D].兰州：兰州交通大学，2023.
• 高燕，吴晓东，田嘉逸.岩土力学参数的空间变异性对地面沉降的影响[J].隧道与地下工程灾害防治，2023，5（1）：18-31.
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• 张斌，李英杰，穆鹏华，等.不同节理倾角下隧道围岩变形特征研究[J].地下水，2022，44（6）：174-175.
• 王华.大断面黄土隧道施工关键技术[J].科技资讯，2016，14（20）：47-48.