第二節(jié)　圍巖變形及失穩(wěn)

一、軟弱圍巖變形機理初步分析

隧洞開挖后與硬質巖體相比，軟弱圍巖是容易產(chǎn)生大變形的，其中包括彈性變形、塑性變形、流塑變形等。隧洞開挖后形成臨空面，地應力被釋放，地下水向洞內排泄，軟弱圍巖狀態(tài)很快發(fā)生變化，引起大變形。其特點是圍巖變形迅速、變形面積大、變形量大及變形持續(xù)時間長，工程處理難度大。

軟巖發(fā)生大變形的控制和影響因素較多，巖體的結構特征、力學性質、原地應力狀態(tài)、地下水滲透特性、地下洞室的截面形狀以及開挖方式等因素都在一定程度上構成了隧洞產(chǎn)生大變形的要素。其中，巖體的應力狀態(tài)和巖石的力學性質（即巖體軟弱）起主要的控制作用。對該隧洞工程來說具有以下特征。

（1）巖體結構特征：白堊系泥巖以薄層或極薄層狀為主，第三系泥巖以厚層為主，巖層產(chǎn)狀平緩。

（2）地下水活動對圍巖的影響，主要是使得泥巖強度降低。

（3）地下洞室的截面形狀為馬蹄形，可能產(chǎn)生較大的應力集中。

（4）隧洞開挖方式采用鉆爆法，由于不用光面爆破或炸藥量過多以及層狀結構面膠結弱等原因，開挖斷面往往很不規(guī)整。

（5）根據(jù)工程區(qū)地應力測量結果（見本篇第四章地應力測試），得到了兩個鉆孔不同深度的原地應力狀態(tài)，三向主應力的關系基本表現(xiàn)為最大水平應力SH＞垂向應力Sv＞最小水平應力Sh，表明隧洞附近水平應力占主導地位，施加于洞壁的最大正應力（σm）即為水平正應力。

根據(jù)極限平衡準則，將施加于洞壁的最大正應力（σm）與巖石的抗壓強度（σc）之比（也稱臨界應力比）作為判斷軟巖隧洞有無擠壓變形及變形程度劃分原則。巖體強度通常可用巖塊飽和單軸抗壓強度乘以巖體完整性系數(shù)（kv）來表示，利用實測彈性波速求得。根據(jù)國內外一些工程實例統(tǒng)計，對軟巖變形程度一般認為：

kvσc/σm＜4　會出現(xiàn)應力超限，形成塑性區(qū)，圍巖穩(wěn)定性差；

kvσc/σm＜2　圍巖不穩(wěn)定，變形顯著

為了計算圍巖的水平正應力，首先需要作一定假設，將引水隧道的橫截面抽象為受兩向正應力作用的平面應變模型。兩向正應力其中之一為上覆巖石自重作用引起的垂向應力（Sv），其二為水平向正應力，它是根據(jù)實測的原地應力狀態(tài)（SH、Sh以及SH的方向）利用線彈性理論公式計算得出。計算公式如下

在得到σn后，根據(jù)《寧夏中南部地區(qū)城鄉(xiāng)飲水安全水源工程工程地質勘察報告》物理力學指標表中對應部位的巖石抗壓強度值（σc）計算出強度應力比（kvσc/σm），據(jù)此對該處的變形可能性做出初步的分析和判斷。

以7號（大彎）隧洞某分段為例，各段強度應力比計算結果見表1－3－2。

由表1－3－2中的計算結果可以看出，第三系砂質泥巖各種狀態(tài)的強度應力比均小于4，按照以上所述的判斷標準，該地層洞段內發(fā)生圍巖擠壓變形的可能性大。白堊系（K1n）泥巖在天然狀態(tài)下，部分洞段圍巖強度應力比小于4；飽和狀態(tài)的強度應力比均小于2，可以認為該段隧洞飽水圍巖可產(chǎn)生擠壓變形。

當本隧洞以垂向（巖體自重）應力為主時，由于巖層平緩，傾角多在8°～15°間，初步推測洞頂可出現(xiàn)頂板下沉、彎曲等形式的變形。

需要指出的是，上述變形分析中，給出的一些假定條件與實際情況可能有一些偏差，相應地，會在一定程度上影響穩(wěn)定性的分析結果。因此，在施工開挖過程中，需要結合各種影響因素對軟巖變形做進一步的研究和進行判斷。

二、隧洞開挖后圍巖主要變形、破壞形式

（1）隧洞圍巖主要由薄層狀泥巖夾薄層泥灰?guī)r組成，巖層平緩，傾角一般小于15°，層面膠結強度低。隧洞開挖后拱頂巖體下部臨空，受卸荷、自重及爆破影響巖層易發(fā)生彎曲、松動、折斷（見圖1－3－3），再被高傾節(jié)理裂隙相互切割，層層剝落式掉塊及坍塌現(xiàn)象較普遍。

（2）隧洞多位于地下水位以下，部分洞段地下水豐富，飽和狀的泥巖軟化現(xiàn)象明顯，強度低，自穩(wěn)能力差，在沒有支護情況下具備發(fā)生塑性變形或失穩(wěn)的條件，施工開挖中有時發(fā)生小規(guī)模塌方或塊體塌落，坍塌部位主要在洞頂及洞壁起拱處。圖1－3－4為2號隧洞開挖后洞頂坍塌情況。

（3）受區(qū)域地質構造及附近潛在斷層影響，隧洞巖體中發(fā)育一些次級斷層構造，由于這些破碎帶分布于相對完整的掌子面后方，不易被發(fā)現(xiàn)，因此未能采取超前支護措施，實施爆破作業(yè)后往往發(fā)生突發(fā)性垮塌。

表1－3－2列出了4號隧洞開挖中遇到的斷層特征，從表中可以看到斷層破碎帶寬度一般數(shù)米至近十米，多由擠壓破碎的碎塊巖、碎石、角礫及巖屑等構成，斷層走向大角度斜交洞軸線，構造面多呈高傾角。

此外，泥巖中發(fā)育一些層間擠壓破碎帶，寬度一般0．3～0．8m，最寬的1～2m，帶內充填塊石、碎石、角礫及片狀巖，呈囊狀或透鏡體狀分布于相對完整巖體中。

圖1－3－5為4號隧洞開挖時在樁號29＋820發(fā)生的斷層破碎帶塌方。塌方往往造成頂拱高3～7m、寬4～8m的空腔。發(fā)生塌方的破碎帶內巖石一般具強烈擠壓特征，巖石極度破碎，呈塊石、角礫及碎屑狀。

（4）圍巖支護不力，僅采用錨噴支護，沒有與鋼筋網(wǎng)或鋼拱架等形成完整的支護體系，圍巖緩慢變形，使支護結構承受壓力，表現(xiàn)為頂拱噴層開裂或剝落，甚至坍塌等形式。圖1－3－6為8號隧洞初期支護洞段坍塌情況。