第二节　围岩变形及失稳

一、软弱围岩变形机理初步分析

隧洞开挖后与硬质岩体相比，软弱围岩是容易产生大变形的，其中包括弹性变形、塑性变形、流塑变形等。隧洞开挖后形成临空面，地应力被释放，地下水向洞内排泄，软弱围岩状态很快发生变化，引起大变形。其特点是围岩变形迅速、变形面积大、变形量大及变形持续时间长，工程处理难度大。

软岩发生大变形的控制和影响因素较多，岩体的结构特征、力学性质、原地应力状态、地下水渗透特性、地下洞室的截面形状以及开挖方式等因素都在一定程度上构成了隧洞产生大变形的要素。其中，岩体的应力状态和岩石的力学性质（即岩体软弱）起主要的控制作用。对该隧洞工程来说具有以下特征。

（1）岩体结构特征：白垩系泥岩以薄层或极薄层状为主，第三系泥岩以厚层为主，岩层产状平缓。

（2）地下水活动对围岩的影响，主要是使得泥岩强度降低。

（3）地下洞室的截面形状为马蹄形，可能产生较大的应力集中。

（4）隧洞开挖方式采用钻爆法，由于不用光面爆破或炸药量过多以及层状结构面胶结弱等原因，开挖断面往往很不规整。

（5）根据工程区地应力测量结果（见本篇第四章地应力测试），得到了两个钻孔不同深度的原地应力状态，三向主应力的关系基本表现为最大水平应力SH＞垂向应力Sv＞最小水平应力Sh，表明隧洞附近水平应力占主导地位，施加于洞壁的最大正应力（σm）即为水平正应力。

根据极限平衡准则，将施加于洞壁的最大正应力（σm）与岩石的抗压强度（σc）之比（也称临界应力比）作为判断软岩隧洞有无挤压变形及变形程度划分原则。岩体强度通常可用岩块饱和单轴抗压强度乘以岩体完整性系数（kv）来表示，利用实测弹性波速求得。根据国内外一些工程实例统计，对软岩变形程度一般认为：

kvσc/σm＜4　会出现应力超限，形成塑性区，围岩稳定性差；

kvσc/σm＜2　围岩不稳定，变形显著

为了计算围岩的水平正应力，首先需要作一定假设，将引水隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力（Sv），其二为水平向正应力，它是根据实测的原地应力状态（SH、Sh以及SH的方向）利用线弹性理论公式计算得出。计算公式如下

在得到σn后，根据《宁夏中南部地区城乡饮水安全水源工程工程地质勘察报告》物理力学指标表中对应部位的岩石抗压强度值（σc）计算出强度应力比（kvσc/σm），据此对该处的变形可能性做出初步的分析和判断。

以7号（大弯）隧洞某分段为例，各段强度应力比计算结果见表1－3－2。

由表1－3－2中的计算结果可以看出，第三系砂质泥岩各种状态的强度应力比均小于4，按照以上所述的判断标准，该地层洞段内发生围岩挤压变形的可能性大。白垩系（K1n）泥岩在天然状态下，部分洞段围岩强度应力比小于4；饱和状态的强度应力比均小于2，可以认为该段隧洞饱水围岩可产生挤压变形。

当本隧洞以垂向（岩体自重）应力为主时，由于岩层平缓，倾角多在8°～15°间，初步推测洞顶可出现顶板下沉、弯曲等形式的变形。

需要指出的是，上述变形分析中，给出的一些假定条件与实际情况可能有一些偏差，相应地，会在一定程度上影响稳定性的分析结果。因此，在施工开挖过程中，需要结合各种影响因素对软岩变形做进一步的研究和进行判断。

二、隧洞开挖后围岩主要变形、破坏形式

（1）隧洞围岩主要由薄层状泥岩夹薄层泥灰岩组成，岩层平缓，倾角一般小于15°，层面胶结强度低。隧洞开挖后拱顶岩体下部临空，受卸荷、自重及爆破影响岩层易发生弯曲、松动、折断（见图1－3－3），再被高倾节理裂隙相互切割，层层剥落式掉块及坍塌现象较普遍。

（2）隧洞多位于地下水位以下，部分洞段地下水丰富，饱和状的泥岩软化现象明显，强度低，自稳能力差，在没有支护情况下具备发生塑性变形或失稳的条件，施工开挖中有时发生小规模塌方或块体塌落，坍塌部位主要在洞顶及洞壁起拱处。图1－3－4为2号隧洞开挖后洞顶坍塌情况。

（3）受区域地质构造及附近潜在断层影响，隧洞岩体中发育一些次级断层构造，由于这些破碎带分布于相对完整的掌子面后方，不易被发现，因此未能采取超前支护措施，实施爆破作业后往往发生突发性垮塌。

表1－3－2列出了4号隧洞开挖中遇到的断层特征，从表中可以看到断层破碎带宽度一般数米至近十米，多由挤压破碎的碎块岩、碎石、角砾及岩屑等构成，断层走向大角度斜交洞轴线，构造面多呈高倾角。

此外，泥岩中发育一些层间挤压破碎带，宽度一般0．3～0．8m，最宽的1～2m，带内充填块石、碎石、角砾及片状岩，呈囊状或透镜体状分布于相对完整岩体中。

图1－3－5为4号隧洞开挖时在桩号29＋820发生的断层破碎带塌方。塌方往往造成顶拱高3～7m、宽4～8m的空腔。发生塌方的破碎带内岩石一般具强烈挤压特征，岩石极度破碎，呈块石、角砾及碎屑状。

（4）围岩支护不力，仅采用锚喷支护，没有与钢筋网或钢拱架等形成完整的支护体系，围岩缓慢变形，使支护结构承受压力，表现为顶拱喷层开裂或剥落，甚至坍塌等形式。图1－3－6为8号隧洞初期支护洞段坍塌情况。