深部巖體大變形破壞機(jī)理的研究以及治理原則

1、文章編號:0451-0712(200012-0002-04二郎山隧道在高地應(yīng)力條件下大變形破壞機(jī)理的研究及治理原則李永林(四川省交通廳高速公路管理局成都市610041摘要該文分析了經(jīng)典小變形理論在大變形中運(yùn)用的不合理性,闡明了大變形發(fā)生的基本條件和破壞機(jī)理,提出了以剪切變形產(chǎn)生破壞、斷裂分段是圍巖大變形的形質(zhì)準(zhǔn)則;以巖體內(nèi)的應(yīng)變(應(yīng)力流線產(chǎn)生“臺階”現(xiàn)象作為工程研究中產(chǎn)生大變形的判別依據(jù);用錨桿穿越剪切錯(cuò)動分離面,阻止“臺階”處剪切錯(cuò)動分離面的產(chǎn)生和發(fā)展,作為治理大變形的主要工程手段。關(guān)鍵詞二郎山隧道高地應(yīng)力大變形文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B川藏公路的咽喉工程二郎山隧道為山體深埋特長隧道,地處二郎山斷裂帶高

2、應(yīng)力梯度帶邊緣,同時(shí),又急速轉(zhuǎn)向大相嶺地塊腹地應(yīng)力平穩(wěn)帶的過渡地帶。經(jīng)采用水壓致裂法測量,其成果表明:二郎山隧道處于高地應(yīng)力區(qū)內(nèi),最大水平主應(yīng)力50 M Pa。工程實(shí)踐證明,在高地應(yīng)力地區(qū)開挖地下洞室,軟質(zhì)巖段將產(chǎn)生塑性大變形。盡管對大變形的預(yù)測,國內(nèi)外學(xué)者已做過不少的研究工作,但對高地應(yīng)力理論的研究不盡成熟,加之地質(zhì)巖體狀況復(fù)雜多變,測試手段有限,到目前,尚無統(tǒng)一的判別依據(jù)和分級標(biāo)準(zhǔn)。為了順利建成二郎山隧道,對軟弱圍巖在高地應(yīng)力條件下大變形的發(fā)生和破壞機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析和研究是非常必要的。1研究內(nèi)容高地應(yīng)力對深埋隧道工程影響是十分顯著的。到目前為止,由于高地應(yīng)力而形成的軟巖大變形的概念、

3、大變形產(chǎn)生的機(jī)理、大變形的定義和判別標(biāo)準(zhǔn)、大變形的治理方法等等,都沒有統(tǒng)一的認(rèn)識,并且以小變形理論為基礎(chǔ),來研究和分析大變形顯然不合理。因此,著重采用以下的研究內(nèi)容和方法:(1采用特征線方法理論研究在高地應(yīng)力條件下的圍巖變形規(guī)律。推導(dǎo)在非靜水應(yīng)力場條件下(1,服從Moh rCoulom n屈服準(zhǔn)則,及不相關(guān)聯(lián)塑性流動勢的軟弱圍巖,圓形隧道平面變形問題的塑性區(qū)位移場數(shù)學(xué)表達(dá)式以及分布形狀和范圍。揭示出軟巖隧道的最大變形方向與最大主應(yīng)力方向是相互垂直關(guān)系的變形規(guī)律,而不是通常情況下所表現(xiàn)出的相互平行關(guān)系。(2大變形發(fā)生的基本條件和破壞機(jī)理研究:歸納了用小變形模式描述大變形問題的不合理性,引用拖帶坐

4、標(biāo)系法建立了分析隧道大變形問題的非線性幾何計(jì)算模式,采用數(shù)值模擬方法獲得了隧道圍巖發(fā)生大變形的基本條件,進(jìn)而闡明了大變形的破壞機(jī)理,并且指出大變形和小變形在破壞模式上具有本質(zhì)的不同。提出以巖體內(nèi)的應(yīng)變流線產(chǎn)生“臺階”現(xiàn)象作為產(chǎn)生大變形的判別依據(jù),用錨桿穿越剪切錯(cuò)動分離面,阻止“臺階”處剪切錯(cuò)動分離面的產(chǎn)生和發(fā)展,作為治理大變形的主要手段。運(yùn)用同步變形概念,對大變形破壞的深度與進(jìn)程作了分析。(3采用物理模擬的試驗(yàn)方法,根據(jù)相似關(guān)系制備相似材料進(jìn)行模型試驗(yàn),模擬研究了二郎山公路隧公路2000年12月第12期HIG H W AYDec.2000N o.12道圍巖,在高地應(yīng)力和極高地應(yīng)力條件下發(fā)生大變

5、形的基本條件和破壞特征等力學(xué)行為。2大變形發(fā)生的基本條件和破壞機(jī)理的研究盡管在已有的研究中,已經(jīng)揭示了軟弱圍巖隧道在非靜水應(yīng)力場高地應(yīng)力條件下的位移變形規(guī)律,然而需要指出的是:它所依賴的基礎(chǔ)仍然是小變形理論,即采用的是線性幾何微分方程。對于經(jīng)典的小變形理論,Coker 和Filon 在其著作中已經(jīng)指出它的適用范圍:不但要求形狀改變微小,同時(shí)要求轉(zhuǎn)動角也很小。這顯然不適合描述軟弱圍巖隧道在高地應(yīng)力條件下所發(fā)生的大變形行為。事實(shí)上,采用經(jīng)典小變形理論來研究大變形,不僅幾何方程不合適,而且也違反了能量守恒定律。小變形破壞與大變形破壞的區(qū)別不僅僅是變形量值大小的差異,更重要的是在變形破壞機(jī)理上有本質(zhì)差

6、別。它們的差別是“包含幾何方程差別”的力學(xué)上的差別,在破壞模式上是正應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞與由剪應(yīng)力直接引起破壞的差別。從理論上可知,凡是幾何方程表示的數(shù)學(xué)非線性一定是物理狀態(tài)方程的非線性。因此只有從研究用數(shù)學(xué)非線性幾何方程描述變形體的大變形行為,才能從本質(zhì)上恰如其分的給出大變形的定義,并且揭示出軟弱圍巖隧道發(fā)生大變形的基本條件及破壞機(jī)理。為了證明經(jīng)典小變形理論的不合理性,首先討論用它計(jì)算平面問題中發(fā)生大位移時(shí)所產(chǎn)生的錯(cuò)誤,如圖1所示 。圖1平面問題中發(fā)生大位移的示意大位移時(shí),平面中點(diǎn)的位移(u ,v 方程為:u =x (co s -1-y sin +a 0v =x sin +y (cos -1

7、+b 0(1式中:a 0、b 0為研究平面塊體的整體平動位移;為轉(zhuǎn)動角度(T *-T 。以上位移函數(shù)為剛體運(yùn)動。這樣,按照小變形理論,應(yīng)變分量X i j 可以表達(dá)為式(2:X xx = ux X yy =vyX xy =12 u y + v x(2小轉(zhuǎn)動角k x =12 v x - uy(3將(1式表示的位移函數(shù)代入式(2,可以得到:X xx =co s -1X yy =cos -1X xy =0如果取=9,則可以獲得:X xx =-0.012X yy =-0.012X xy =0因?yàn)槿绻莿傮w運(yùn)動,X i j 應(yīng)該為0。那么顯然這個(gè)結(jié)果是謊謬的。由此可見,用Cauchy 應(yīng)變分量表達(dá)的小變形

8、理論所產(chǎn)生的誤差是不允許忽略的。一些學(xué)者曾建議采用引入微分二次式的Green 應(yīng)變張量,基于上述分析,陳至達(dá)教授提出采用兩個(gè)參照系統(tǒng)的方法來描述變形體的運(yùn)動,其中一個(gè)為固定在空間的定系,另一個(gè)是嵌含在變形體中,又稱拖帶坐標(biāo)系,這種坐標(biāo)系隨著變形體的變形而拖帶伸展、縮短,并引起坐標(biāo)線的曲率改變。經(jīng)過推算和驗(yàn)證,利用拖帶坐標(biāo)系法建立的非線性大變形幾何方程,所獲得的結(jié)論是合理的,由于它考慮了變形體中的每一個(gè)單元邊界隨著變形而變化,因此這就保證了單元變形前后的能量守恒。在隧道工程領(lǐng)域,現(xiàn)階段數(shù)值模擬方法也是極其有力的輔助手段和解決問題的重要方法之一。需要指出的是:通常的數(shù)值模擬方法不適合求解發(fā)生大變形

9、的問題,因?yàn)樗鼈兌监笥谛∽冃蔚幕炯俣āＫ孕枰獙λ鼈冏鞔笞冃文Ｊ降母倪M(jìn)。但應(yīng)用微分二次式定義應(yīng)變張量來描述大變形模式并不合理,應(yīng)當(dāng)使用基于拖帶坐標(biāo)系法的拉格朗日元法來進(jìn)行分析。2.2大變形發(fā)生的三種狀態(tài)(1均質(zhì)連續(xù)圍巖受地應(yīng)力作用產(chǎn)生擠壓變形和32000年第12期李永林:二郎山隧道在高地應(yīng)力條件下大變形破壞機(jī)理的研究及治理原則存在巖體中的能量釋放出現(xiàn)的大變形;(2膨脹性圍巖的膨脹變形和能量釋放產(chǎn)生的大變形,以及高地應(yīng)力環(huán)境擠推的大變形;(3斷層破碎帶的快速能量釋放,松散塊體移動產(chǎn)生的大變形。為便于研究,常常以第一種狀態(tài)為研究對象,本項(xiàng)目也是取此模型進(jìn)行。2.3大變形發(fā)生的基本條件根據(jù)課題研究

10、和分析,并結(jié)合現(xiàn)有工程實(shí)例,對于類以及類以下圍巖,受非靜水應(yīng)力場作用時(shí),當(dāng)最大主應(yīng)力e max 達(dá)到極高地應(yīng)力,即,e c /e max 4時(shí),就有可能發(fā)生大變形,用K =e c /emax 表示地應(yīng)力系數(shù),臨界極高地應(yīng)力系數(shù)K c =4,顯然,K c /K 1為極高地應(yīng)力條件,K c /K 1為非極高地應(yīng)力條件,K c /K 越大表示地應(yīng)力水平越高。用數(shù)值分析模擬研究結(jié)果相對照,也符合上述規(guī)律。2.4大變形破壞成因探討軟弱圍巖,特別是較低的凝聚強(qiáng)度C 和內(nèi)摩擦角H ,是決定性的力學(xué)指標(biāo)。從圍巖類別上看,圍巖忍受剪切變形的能力是由其自身的性質(zhì)所決定;同等力效應(yīng)下,類圍巖剪切變形量小,類圍巖變形

11、量大,因而類圍巖忍受不同步變形效應(yīng)能力也就自然要大才行,否則會因不同步變形而破壞。非靜水應(yīng)力場性質(zhì)狀態(tài)條件;在本項(xiàng)目研究中,對類圍巖兩種發(fā)生大變形的準(zhǔn)臨界條件是,當(dāng)開挖面積S =113m 2時(shí):= 1.5時(shí),e y =6M Pa ;= 2.0時(shí),e y =4M Pa 。大變形發(fā)生與開挖斷面的大小有著直接關(guān)系,以y =6M Pa 為例,當(dāng)開挖圓形斷面積S =50.2m 2(取半徑為4m ,隧道不產(chǎn)生大變形破壞行為,隨著地應(yīng)力水平的提高,又達(dá)到了臨界地應(yīng)力條件時(shí),就又會產(chǎn)生大變形的破壞行為。此外斷面形狀對大變形破壞的發(fā)生有較大影響,在相同條件下仰拱曲率半徑大的隧道較圓形隧道容易發(fā)生大變形,也就是說

12、,斷面形狀越接近圓形,受力越有利。2.5產(chǎn)生大變形破壞的機(jī)理性問題通過本項(xiàng)目對圍巖產(chǎn)生大變形破壞的研究分析,得出以下結(jié)論: 大變形破壞與小變形破壞的區(qū)別不能只看到變形量的差異,在變形破壞機(jī)理上存在性質(zhì)差別。在數(shù)學(xué)運(yùn)用幾何方程上有差別;在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為剪切錯(cuò)動斷裂面下的失穩(wěn),是正應(yīng)力作用下局部產(chǎn)生的失穩(wěn);在物理性質(zhì)破壞模式上,是脫離整體圍巖下的部份分離圍巖受壓、擠、推的破壞,這是局限性的破壞。圖2是隧道圍巖產(chǎn)生大變形破壞,巖體力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)進(jìn)程的流程框圖。圖2大變形破壞失穩(wěn)流程3大變形破壞的治理原則為了解決大變形帶來的危害,應(yīng)使圍巖處于穩(wěn)定之中,實(shí)質(zhì)上就是對圍巖變形破壞過程的及時(shí)控制和破壞進(jìn)程的

13、阻止,可采用如下原則:(1打入足夠數(shù)量和長度的錨桿,穿越產(chǎn)生臺階臺降的剪切錯(cuò)動破壞面,增強(qiáng)圍巖抵抗剪切變形的能力,消除導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)內(nèi)部連續(xù)性喪失的“剪切錯(cuò)動破壞區(qū)域”的形式,使剪切錯(cuò)動變形量大大減少,讓圍巖在變形不同步安全量內(nèi)忍受其錯(cuò)動變形,達(dá)到加固治理目的。(2采用分?jǐn)嗝婊虬霐嗝骈_挖施工方法,控制開挖面積小于產(chǎn)生大變形破壞的“臨界”開挖面積。(3對于用上述兩方法都難控制大變形的產(chǎn)生和發(fā)展的圍巖,可考慮對地應(yīng)力的主強(qiáng)方向,鑿洞導(dǎo)流,減少地應(yīng)力對工程隧道圍巖的地應(yīng)力作用。(4合理使用輔助工法,如:加強(qiáng)穩(wěn)定掌子面的輔助措施:正面噴射混凝土和圍巖錨桿;打超前錨桿或鋼筋。加強(qiáng)基腳的措施:向底部地層注

14、漿加固;向兩側(cè)打底錨桿;支撐加底板及加勁肋;設(shè)底部橫撐或臨時(shí)性仰拱。4公路2000年第12期防止邊墻擠入措施:主要在兩側(cè)增設(shè)錨桿,錨桿長度要盡可能的超過圍巖塑性區(qū)范圍;縮短臺階施工長度,及早閉合;下半斷面、仰拱快速施工;設(shè)縱向伸縮縫。防止開裂的措施:采用濕噴鋼纖維混凝土;架設(shè)加強(qiáng)鋼筋;設(shè)縱向伸縮縫。建立日常量測管理體制及管理基準(zhǔn):建立控制基準(zhǔn)值;監(jiān)測初期位移速度;預(yù)測最終位移值。加強(qiáng)施工地質(zhì)測試:預(yù)測和預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)狀態(tài);建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫,及時(shí)反饋;對各種圍巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測試。這些措施是相互補(bǔ)充,應(yīng)視其具體情況而采用。4大變形研究的結(jié)論(1因剪切變形發(fā)生錯(cuò)動、斷裂分離為破壞源的隧道圍巖大變形

15、的性質(zhì)和定義為:在正應(yīng)力關(guān)系環(huán)境狀態(tài)下,引起的隧道圍巖發(fā)生變形破壞是屬小變形理論狀態(tài)下產(chǎn)生的變形破壞;在剪切關(guān)系狀態(tài)由剪應(yīng)力產(chǎn)生的剪切變形發(fā)生錯(cuò)動、斷裂分離為破壞源的變形是大變形破壞的內(nèi)在因素。就巖體的破壞而言,當(dāng)巖體在剪應(yīng)力作用下,出現(xiàn)剪切錯(cuò)動分離面時(shí),是因巖體不能忍受其錯(cuò)動變形產(chǎn)生的量度和形態(tài),出現(xiàn)斷裂分離連續(xù)性喪失,導(dǎo)致洞道深部圍巖的應(yīng)變流線在某處顯現(xiàn)臺階形狀(如圖3所示或破碎臺形狀即錯(cuò)動斷裂分離流線的形兆,巖體將向隧道空洞方向產(chǎn)生壓、擠、推變形。隧道圍巖大變形性質(zhì)定義為以斷裂分離面為界的脫離整體圍巖的部分產(chǎn)生破壞。(2在高地應(yīng)力模型試驗(yàn)中,類圍巖的巖體深部保持完好,不會出現(xiàn)大變形破壞。

16、對于類圍巖,在圍巖內(nèi)大約一倍洞徑位置,出現(xiàn)貫穿模型厚度的深部貫穿裂紋、裂縫,顯示了剪應(yīng)力作用下所形成的大變形破壞的狀態(tài)。(3采用錨桿(索穿越剪切錯(cuò)動分離面留有固定長度,抵抗錯(cuò)動分離面的形成及分?jǐn)嗝骈_挖封閉 控制等治理大變形工程措施。圖3在極高地應(yīng)力作用下軟弱圍巖剪應(yīng)力流線產(chǎn)生“臺階效應(yīng)”(4大變形一般發(fā)生在類和類以下圍巖。5結(jié)語高地應(yīng)力對巖體工程的影響是顯著的,尤其對于穿越埋深的軟弱圍巖地下工程。穿越高地應(yīng)力區(qū)且工程地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖長大隧道工程不斷涌現(xiàn),大變形災(zāi)害也不斷發(fā)生。面對如此眾多頻頻發(fā)生的大變形災(zāi)害,目前的研究顯得較為貧乏,在治理上消極被動,辦法不多,僅僅靠歸納、總結(jié)以及采取工程類比的方法是遠(yuǎn)