1、水平薄层隧道围岩变形破坏特征研究摘要：本文以山西省平榆高速公路狮子凹隧道工程为依托，对水平薄层隧道围岩变形破坏特征进行了研究。结合工程实践及现场监控量测数据，总结出水平薄层隧道围岩的变形破坏特征。 关键词：水平薄层围岩；变形破坏特征；监控量测 Abstract: In this paper, take Pingyu Highway lion concave tunnel project to relying in Shanxi Province, study the level of thin-layer tunnel surrounding rock deformation and fail
2、ure characteristics. Engineering practice and on-site monitoring of the measured data summed up the level of the thin layer of tunnel surrounding rock deformation and failure characteristics.Key words: horizontal thin layer surrounding rock; deformation and failure characteristics; monitoring measur
3、ement 中图分类号：U452.1+2 文献标识码：A 文章编号： 水平岩层（horizontal stratum）是指产状呈水平或近水平的岩层，即同一层面上的各个点大致具有相同的海拔高度，地质图上的地质界线大致平行于地形等高线。层状岩层在自然界中分布较广，在工程活动中会遇到大量由水平岩层所带来的诸多工程问题，尤其是隧道工程。水平薄层是层厚小于 30cm 的岩层，其稳定性较差，对隧道的开挖支护极为不利，因此对于水平薄层围岩的变形破坏特征进行探索研究，有着重大的理论意义与实际应用价值。 1 工程概况 狮子凹隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道，隧道起点平遥段洞口位于山西省祁县境内，终
4、点榆社段洞口位于榆社县境内。隧道左线起讫桩号为 SZK44+376SZK48+758，全长 4382m，右线起讫桩号为 K44+254K48+765，全长 4511m。 狮子凹隧道围岩岩性主要以砂岩、砂质泥岩和泥质砂岩为主，以砂岩与泥岩互层为其基本特征，这些都属于弹塑性软质岩，岩体中含有大量的粘土矿物。狮子凹隧道所处地区岩层倾角较缓，层间结合差，陡倾节理发育，泥岩强度低且遇水后易软化，易于风化剥落，薄层围岩所占比例较大，围岩稳定性较差。 2 薄层状岩体结构 岩体是在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面组成、具有一定的结构并赋予一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体，结构面和结构体是它的
5、两种结构单元。结构面是指存在于岩体内的各种不同特征、不同成因的地质界面，隧道围岩中存在着大量的层理、节理、裂隙等各种结构面。结构体是经过结构面切割以后形成的岩石块体。不同的结构面与结构体之间以不同方式排列组合便形成了不同的岩体结构类型。 因为组成岩体的岩性、其所受的构造变形及次生变化是不均一的，所以岩体结构是复杂的，为了概括岩体结构面与结构体的形成原因、特征及其排列组合关系，在岩体结构力学理论中将岩体结构划分为五大类，即整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构，其中层状结构按软弱面发育密度可分为层状（软弱面间距 5030cm） 、薄层状（间距小于 30cm） 。薄层状结构在构造作用下表
6、现为相对强烈褶曲和层间错动，其层理、片理发育，原生软弱夹层层间错动和小断层不时出现，结构面多为泥膜、碎屑和泥质物充填，一般结合力差，结构体形态为板状或薄板状。 3 水平薄层状围岩破坏形式 3.1 层状岩体围岩破坏 层状结构岩体构造较为简单，它可以由单一岩性构成，也可由不同岩性互层或夹层组合而成，常以软硬互层的形式出现，层面常有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育，且层面之间粘结力较弱。岩层产状及岩层组合是水平层状岩体变形破坏的主要控制因素。其破坏多为顶部弯曲下沉和产生离层，当下沉量较大时，分层出现折断破坏，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。在成层性好且软弱夹层发育、产状平缓的层状
7、岩体中开挖的隧道跨度较大时，拱顶围岩稳定问题比较突出，当遇有断层且其走向与隧道中轴线夹角较小时，拱顶最易发生塌方。不同产状围岩的变形破坏形式如图 1。 对于层状岩体，应抓住层面特征、产状、层厚等来分析其变形及破坏机制。在水平层状围岩中，可以认为产状平缓的层状岩体在洞顶处形成类似于组合梁结构，洞顶两端是固定的梁板，在顶板压力作用下，梁板将产生下沉弯曲、开裂，形成悬臂式组合梁结构，其安全度就大为降低。当岩层较薄时，如果不及时支护，任其发展，则会逐层折断而塌落，最终形成如图 1a 所示的状况。 (a)(b) (c) 图 1 层状围岩变形破坏特征 (a)水平层状岩体；(b)倾斜层状岩体；(c)直立层状
8、岩体 1-设计断面轮廓线；2-破坏区界线 3.2 薄层状岩体围岩破坏形式 狮子凹隧道 K47+590K47+708 段地层为三叠系二马营组泥岩，薄层构造，紫红色，中风化，泥质结构，层理构造，自稳能力一般。此段岩层较薄，层厚大多小于 10cm，层与层之间存在软弱夹层。 选取 K47+660 断面的监测数据来研究水平薄层隧道围岩的稳定性，就拱顶下沉和周边收敛进行量测分析，监测曲线分别如图 2、3 所示。图4、5 分别为近水平的厚层地层隧道围岩的拱顶下沉和周边收敛监测曲线。图 2K47+660 断面拱顶下沉监测曲线图 3K47+660 断面周边收敛监测曲线 图 4K48+480 断面拱顶下沉监测曲线
9、图 5K48+480 断面周边收敛监测曲线 对比图 2、3 与图 4、5 发现 K47+660 断面拱顶下沉量及周边收敛值均较大，将近 K48+480 断面的两倍，说明水平薄层泥岩地层的变形比近水平的厚层砂岩地层的变形要大，围岩较之不稳定。从监测结果中还可以看出拱顶处围岩的变形比周边围岩变形要大。由于泥岩是由粘土脱水胶结而成，以粘土矿物为主，所以其强度较低，而且又因其层理较薄，层与层之间的结合性较差，隧道开挖后容易向临空面挤出，所以拱顶处经常出现大范围的平板脱落现象。在节理裂隙发育地段，对于水平薄层泥岩一经开挖即成破碎状态，再加上地下水的影响，很容易出现滑塌现象。 4 结语 本文结合现场监控量
10、测数据，总结出水平薄层隧道围岩的变形破坏特征： (1)水平薄层隧道围岩开挖后容易向临空面挤出，拱顶处经常出现大范围的平板脱落现象； (2)在节理裂隙发育地段，对于水平薄层围岩一经开挖即成破碎状态，再加上地下水的影响，易出现滑塌现象； (3)水平薄层隧道围岩的变形比近水平的厚层砂岩地层的变形要大； (4)水平薄层岩层拱顶围岩受力较边墙围岩受力大，破坏多发生在拱顶处。 参考文献： 1 张乐中.水平岩层地区隧道围岩稳定性研究D.西安：长安大学，2006.5 2 朱汉华，王迎超，祝江鸿.隧道预支护原理与施工技术M.北京：人民交通出版社，2008.10 3 何军，马坤，高继顺等.隧道穿越水平岩层的控制性因素研究J.中国水运，2008,8(12):198-199 4 王笃实.水平岩层隧道围岩坍方的初步分析J.西部探矿工程，1993,5(4):52-55 5 索巍.姚家山隧道围岩稳定性分析D.西安：西安科技大学，2009.5 6 中华人民共和国行业标准.公路隧道设计规范(JTJ D70-2004)S.北京：人民交通出版社，2004 7 中华人民共和国行业标准.公路工程地质勘察规范(JTGC20-2011)S.北京：人民交通出版社，2011.12
