围岩应力引起的变形和破坏类型

在围岩应力作用下,围岩变形和破坏的主要类型有张裂塌落、劈裂剥落、碎裂松动、弯折内鼓、岩爆、塑性挤出、膨胀内鼓等。

(1)张裂塌落

在厚层状或块体状围岩的洞室拱顶部,当产生拉应力集中,其值超过围岩抗拉强度时,拱顶围岩将发生垂直张裂破坏。尤其是当有近于垂直的构造节理发育时,拱顶张拉裂缝易沿垂直节理发展,使被裂缝切割的岩体在自重作用下变得不稳定。此外,当岩石在垂直方向抗拉强度较低,或有近于水平方向的软弱结构面发育时,往往也容易造成拱顶塌落。

傍河隧洞或越岭隧洞进出口段,常因岩体侧向卸荷影响,岩体内侧压力系数较低,加之这些地段通常节理较为发育,所以,拱顶经常会发生严重的张裂塌落,有时甚至一直塌到地表。故在这类地区,隧洞应尽量避开卸荷影响带。

(2)劈裂剥落

过大的切向压应力可使厚层状或块体状围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行破裂将围岩切割成几厘米到几十厘米厚的薄板,这些薄板常沿壁面剥落,其破裂范围一般不超过洞室的半径。当切向压应力大于劈裂岩板的拉弯强度时,这些劈裂板还可能被压弯、折断,并造成塌方。

(3)碎裂松动

碎裂松动是硬质岩因多组节理发育呈镶嵌碎裂状时围岩变形和破坏的主要形式。洞室开挖后,如果围岩应力超过围岩的屈服强度,这类围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛,并围绕洞室形成一个碎裂松动带或松动圈。这类松动带或松动圈本身是不稳定的,当有地下水活动参与时,极易导致拱顶坍塌和边墙失稳。松动带或松动圈的厚度会随时间的推移而逐步增大。因此,该类围岩开挖后应及时支护加固。

(4)弯折内鼓

在薄层脆性围岩中,岩体的变形和破坏主要表现为层状岩层以弯折内鼓的方式破坏。破坏成因有两种:一种是卸荷回弹造成的;另一种是切向压应力超过薄层状岩层的抗弯强度造成的。

在卸荷回弹造成的破坏中,破坏主要发生在地应力较高的岩体内(如深埋洞室或水平应力高的洞室),并且总是在与岩体内初始最大应力垂直相交的洞壁上表现得最为强烈。故当薄层状岩层与初始最大应力近于垂直时,在洞室开挖后,就会在回弹应力作用下发生弯曲、拉裂和折断,最终被挤入洞内而坍倒。当以垂直应力为主时,水平岩层在洞顶易产生弯折;当以水平应力为主时,竖直岩层在洞壁易产生弯折。

当洞室侧壁有平行断层通过时,将加强洞壁与断层之间薄层状岩体内的应力集中,从而更易产生弯折内鼓。

(5)岩爆

岩爆是高地应力区修建于较完整脆性岩中的隧道及其他地下工程中常见的一种地质灾害。在高地应力区地下洞室开挖中,围岩在局部集中应力作用下,当应力超过岩体强度时,会发生突然的脆性破坏,并导致应变能突然释放造成岩石弹射或抛出的现象,称为岩爆。弹射或抛出岩体小者数立方厘米,大者可达10m 以上。岩爆发生时,常伴有入耳可闻的爆裂声,详见后述。

(6)塑性挤出

洞室开挖后,当围岩应力超过软弱岩体的屈服强度时,较弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向往消除了阻力的自由空间挤出。在软、硬岩体相间时,软弱岩体的塑性挤出还受岩体产出条件和洞室开挖所在部位控制。产生塑性挤出的围岩主要有固结程度较低的泥质粉砂岩、泥岩、页岩、泥灰岩等软弱岩体。此外,散体结构的围岩也存在塑性挤出的问题。通常,挤出变形的发展都有一个时间过程,一般要几周至几个月后才能达到稳定。

(7)膨胀内鼓

洞室开挖后,往往会促使水分由围岩内部高应力区向围岩表部低应力区转移,常使某些含大量膨胀矿物、易于吸水膨胀的岩体发生强烈的膨胀内鼓变形,造成洞室设计空间不足,围岩表部膨胀开裂,并进一步风化,甚至解体。除水分重分布外,这类岩体开挖后还会从空气中吸收水分而产生自身膨胀。

遇水后易于膨胀的岩石主要有两类:一类是富含蒙脱石、伊利石的黏土岩类;另一类是富含硬石膏的岩类。隧洞围岩中若含有遇水体积增加的岩石,就会给开挖造成困难。而有些富含蒙脱石的岩体,遇水后体积可增加14%~25%。据挪威水工隧洞的调查,有70%的隧洞衬砌开裂和破坏与此有关。围岩遇水膨胀后,会产生很大的围岩压力,给隧洞施工和运营带来很大的困难。与围岩塑性挤出相比,围岩吸水膨胀是一个更为缓慢的过程,往往需要相当长的时间才能达到稳定。