隧洞开挖围岩变形与破坏的分析

金 刚

（辽宁省水利水电勘测设计研究院勘察分院，辽宁 沈阳 110006）

1 工程概况

该隧道工程总长97.543km，设计为圆形，成洞洞径8.0m。其中桩号81+000～97+543，洞长约16.5km，穿越的地层岩性为青白口系钓鱼台组石英砂岩、侏罗系上统果松组中酸性火山碎屑岩及早元古代侵入巨斑状花岗岩，地质条件相对较复杂，采用钻爆法施工。

果松组火山碎屑岩类为一套中酸性火山熔岩及沉积碎屑岩组成的复合岩体，具体可细分为安山岩、凝灰岩、火山角砾岩、酸性熔岩及角砾熔岩等，且凝灰岩又可细分为：岩屑凝灰岩、含砾凝灰岩、安山质凝灰岩、紫红色凝灰岩等，由于岩性的多变性，造成围岩变形与破坏的形式也各不相同，该段隧洞穿越各地层主要岩石物理力学性质指标见表1。

2 岩石变性破坏特点

2.1 整体状和块状岩体围岩

1）岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。

2）围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。其中块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。

表1 隧洞穿越各地层主要岩石物理性质指标

3）这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。

2.2 层状岩体围岩

1）常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。

2）变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。

3）变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。

4）在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。

5）在倾斜层状围岩中，沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移，形成不对称的塌落拱。

6）直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙因压力平行于层面，发生纵向弯折内鼓，危及洞顶安全。

2.3 碎裂状岩体围岩

1）碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。

2）变形破坏形式常表现为塌方和滑动。

3）用松散介质极限平衡理论来分析。

4）在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。

5）围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入。

3 隧洞开挖岩体实际破坏形式及支护

3.1 整体状和块状岩体围岩

1）围岩变形破坏特点。该段巨斑状花岗岩及果松组安山岩、角砾熔岩、酸性熔岩及火山角砾岩均属整体和块状岩体，岩石强度较高，均为硬质岩，岩体的完整性则决定了节理的发育程度，而各组节理的组合关系则决定了围岩的破坏特点。

2）围岩破坏形式。节理组合契形体沿节理面滑落或脱落。

3）支护方式。沿近垂直节理面方向布置锚杆，长度一般2.5m，局部采用长度3.5m。

3.2 层状岩体围岩

1）围岩变形破坏特点。紫红色凝灰岩，具层理构造，与隧洞斜交，倾角较缓，属软质岩，洞顶部位受层理控制较强，围岩不稳定，且该岩石极易风化变形，一般为3～7d。

石英砂岩，灰白色，硅质胶结，岩石硬度大，层理走向与洞走向近平行，倾角近直立，控制隧洞两侧成形，且层理构造炭化带沿洞顶延伸，宽度约30cm，构成软硬互层，影响洞顶稳定。

2）围岩破坏形式。紫红色凝灰岩段，洞顶局部沿层面拉裂成板状塌落或成贝壳状崩落；直立石英砂岩段，两侧及拱肩岩体沿层面脱落或滑落，沿顶局部岩体沿炭化带掉落。

3）支护方式。紫红色凝灰岩段，开挖后及时支护，采用拱顶挂网，湿喷混凝土8～10cm；直立石英尖岩段，两侧拱肩采用锚杆支护，洞顶局部采用挂网支护。

3.3 碎裂状岩体围岩

1）围岩变形破坏特点。F12断层与隧洞近直交，断层宽10m，组成物质可见有断层泥、断层碎块岩及断层碎裂岩等，断层碎块岩为泥质胶结，地下水呈线流状，在地下水作用下，断层泥及泥质断层碎块岩软化速度较快，围岩失稳及塌方短时间内发生。

2）围岩破坏形式。沿断层下盘，在地下水软化作用下岩体发生滑塌，塌方高度达5m，形成一个口小肚大的塌腔。

3）支护方式。塌腔位置立副拱，配合系纺锚杆及钢筋网，最后湿喷混凝土15cm；未开挖断层部位采用超前小导管固结灌浆结合钢拱架、系纺锚杆及钢筋网，最后湿喷混凝土15cm。

4 结语

1）围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的，开挖→应力调整→变形、局部破坏→再次调整→再次变形→较大范围破坏。

2）对不同围岩的变形破坏，采取及时有效的支护，即可起到防止变形的进一步扩大，保证隧洞的正常开挖。

3）一些特殊岩体，变形破坏发生时间短，一旦揭露，龙其是在某些外力作用下，比如说地下水，瞬间超越强度极限，且破坏强度及范围很大，且最后处理难度大，严重影响施工工期。近几年来，各种超前地质预报如雨后竹笋般发展起来，且取得了一定的绩效，这也是控制降低大型断层构造对隧洞的危害唯一的方法。