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1、岩土工程总结关于巷道（隧道）大变形的研讨 1、岩土工程：我国岩土工程基本术语标准中将岩土工程定义为“土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术”。中国土木建筑百科词典对岩土工程的释义为：“以工程地质学、岩体力学、土力学与基础工程学科为基础理论，研究和解决工程建设中与岩土有关的技术问题的一门新兴的应用科学”。美国地质协会的地质词典及韦伯斯特大词典上：“运用科学方法和工程原理，使地球更适应于人类居住条件，以及为了勘探资源与利用资源的一门学科。”2、大变形定义：隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏。软弱围岩大变形现象为一种在隧道开挖过程中与时间、空间有关的大变形，与
2、围岩的弹粘塑性时效力学行为具有很大程度的关联性，表现为在工程扰动力作用下，引起显著粘塑性变形,变形量的绝对值大小超过洞室预留变形量，变形持续时间长，可归属于变形速率较快而收敛速率较慢的非线性变形范畴。3、地质软岩与工程软岩及其关系：地质软岩：按地质学的岩性分地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响而著或含有大量膨胀性粘上矿物的松、散、软、弱岩层,该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩,是天然形成的复杂地质介质。工程软岩：指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。不仅重视软岩的强度特性,而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小,强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系
3、中分析、把握软岩的相对性实质。工程软岩和地质软岩的关系：当工程荷载相对于地质软岩(如泥页岩等)的强度足够小时,地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征,即不作为工程软岩,只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩,才一作为工程软岩;在大深度、高应力作用下,部分地质硬岩(如泥质胶结砂岩等)也呈现了显著变形特征,则应视其为工程软岩。4、巷道（隧道）大变形发生的地质环境（岩性、地应力、构造等）地质环境：（1）地形地貌矿山隧道的所处的特殊地形地貌，影响巷道发生大变形；（2）地质构造对于经历了多期次、多阶段的变质作用和岩浆活动，地质构造复杂的地段开挖巷道，就会容易引起巷道的大变形。（3）水文地质岩体含水量
4、增大，膨胀体积增大，形成膨胀力，加之隧道开挖卸荷，应力重新调整，在膨胀力的作用下围岩向洞内变形，进而导致巷道发生大变形。岩性：强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层、如：破碎岩体、黄土、炭质板岩、震区软岩、云母岩、砂泥岩、泥岩、页岩、千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等。受围岩岩性控制的围岩大变形主要针对膨胀性软岩及挤压性软岩。（1）可塑性：可塑性是软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。（2）膨胀性：软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象,称为软岩的膨胀性。可分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性。（
5、3）流变性（粘性）：是指物体受力变形过程与时间有关的变形性质。流动又可分为粘性流动和塑性流动。（4）崩解性：低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。（5）易扰动性：软岩的易扰动性是指由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性。：深埋隧道垂直地应力大；浅埋隧道偏应力大，受构造应力影响显著；分为地质偏压、地形偏压、施工扰动偏压；构造：软弱夹层、断层、节理切割劣化。地质构造会影响隧道工程的长期稳定性，应尽量避开常见的情况：小断层、褶曲、不整合面、顺层滑动面和岩脉等。地应力对大变形发生的影响：地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，是引起岩石开挖工程变形破坏的根本作用力。地质构造对大变形
6、发生的影响：构造应力由构造运动引起（板块、火山、升降），现代构造应力；地质构造残余应力。构造应力特点：1）分布不均，在构造区域附近最大；2）水平应力为主，浅部尤为明显；3）具有明显的方向性；4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显；地质构造引起应力场大小、方向的变化；地质构造引起岩体物理、力学性质发生变化。5、大变形巷道的变形特点：(1)变形量大、持续时间长。巷道顶板下沉量大，变形速度快，持续时间长，变形量均在80-100mm以上，持续时间一般为 20-40d。(2)围岩自稳时间短。所谓自稳时间，就是在没有支护的条件下，围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。大变形巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时，巷
7、道来压快，且呈四面来压，要立即支护或超前支护，方能保证巷道围岩不致冒落。(3)变形不对称性。部分巷道帮部变形会呈现不对称性，巷道会出现向一边收敛的趋势。(4)一般的刚性棚式支护普遍被压坏。其中以棚架顶梁的破坏最为明显，棚架柱腿则由巷道两边向中心收敛。这说明了刚性支护在大变形巷道的应用局限性。巷道底部出现大量的底鼓现象，并且底鼓的出现与顶板下沉、帮部收敛同时发生，相互影响，形成恶性循环。(6)巷道围岩对扰动极为敏感。当受到采动等影响时，围岩会发生剧烈的变形，甚至整体失稳破坏。(7)风化、潮解现象。巷道围岩表面由于大量的亲水性矿物的存在，风化、潮解现象严重，进一步加剧了巷道的变形。6、从地质条件分
8、析，产生大变形的原因可能有三种:软弱围岩类、构造改造型大变形、浅表生改造型大变形。软弱围岩类、构造改造型大变形、浅表生改造型大变形、围岩大变形的特点:1、围岩的物质条件为强度低的软岩类，在结构上岩体具原生结构的特点，这类围岩也包含了软岩中具有膨胀性的岩石。2、围岩环境条件为不同程度地存在高地应力问题，地应力达1621MPa，由于围岩强度低，形成了很高的应力强度比。3、围岩的变形破坏主要为围岩的挤出作用，而具有膨胀性的软岩的膨胀作用并不显著。4、地下水的存在，对软岩的软化作用在围岩大变形中发挥很重要的作用。5、围岩变形破坏的模式主要为塑性流动、弯曲变形。挤压性软岩工程特征描述如下：1 围岩级别低
9、，一般为级；2 岩体抗压强度低，考虑试件尺寸和节理影响后，强度更低。3 显著的塑性，挤压围岩的塑性表现在四个方面:变形量大，在高地应力挤压情况下，洞壁位移可达数10cm，甚至 100 多 cm；变形时间长，尽管初期的变形速度快，但延续时间长。基本不出现松弛压力，作用在支护上的是变形压力，虽然地层变形量大，但围岩系整体挤压移动而不松弛。隧道的塑性区范围大。构造改造型大变形的特点是:围岩岩体的特性是岩块的强度较高，但结构面发育，为断层带碎裂化岩体，或者在硬岩中不规则地发育有多组、多种性质的软弱结构面或软弱带，岩体破碎。围岩一般处于较高的应力状态，围岩因高围压而紧密闭合；而在开挖卸荷后，结构面易于张
10、开滑移，因此，岩体强度远低于岩石强度。围岩变形破坏演化机制表现为渐进和累进性发展的，其变形破坏模式表现为塑性契体挤出、结构流变等。浅表生改造型大变形的特点是:遭受浅表生改造作用岩体所处的地应力总体上不高，但在局部也可形成地应力集中现象。在地表移动的破碎岩体中的大变形是一种近似于散体结构的围岩岩体，围岩未进行充分的支护，将使围岩的松动圈不断累进性地扩展，最终导致大变形的发生，产生变形可以贯穿到地表人工采掘扰动控制型大变形的特点是:由于人工采掘活动产生的采空区的变形，导致在采空区上部修建的隧道工程产生的大变形是一种特殊的围岩大变形类型。采空区变形引起上部岩体变形具有沉降盆地变形的特点，隧道工程处于
11、陷落区、下沉区以及接触部位不同的区域具有不同的变形形式和特点。由于沉降盆地变形的时间效应特点，围岩变形过程也具有明显的时间效应特点。地下采空区发育的位置、产状、分布特点控制着上部围岩大变形特征和剧烈程度。工程应力的影响 7、大变形按实际工程分类：1.深埋软岩隧道大变形 2.浅埋深大偏应力 4.煤质及炭质板岩隧道 5.强震区软岩 6.水工隧道大变形 8、巷道（隧道）大变形发生的力学机理，实际工程中为各种力学机理的组合。主要可分为以下几类:1）偏应力造成的大变形：浅埋巷道的地质偏压、地形偏压、施工扰动偏压水、气造成的偏压深埋巷道：构造应力偏压、地质偏压、施工扰动及水、气造成的偏压。2）深埋巷道：埋
12、深过大形成大应力是大变形的主要原因。高应力超过岩体屈服极限使岩体发生较大塑性、流变变形。3）软岩巷道中形成的大变形，软岩塑性变形、流变，软岩挤出、整体收缩等。4）亲水矿物产生膨胀应力。5）破碎围岩在高应力条件下，虽然岩体强度较大但被多个结构面切割的岩体在高应力作用下结构面间出现较大位移而产生大变形。围岩一般处于较高的应力状态，围岩因高围压而紧密闭合；而在开挖卸荷后，结构面易于张开滑移，因此，岩体强度远低于岩石强度。6）岩体中主要结构面导致的大变形：结构面张开、闭合，结构体滑动、滚动、弯曲等造成大变形。7）工程应力的影响，如巷道底部存在采空区造成开挖后巷道不能稳定，爆破震动、初期支护拆换等。8）
13、局部水压及气压力的作用。当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下水升高或有地下气体（瓦斯等）作用时，支护也会产生大变形，这种现象并不多见。9）土砂围岩的挤密和松弛变形。9、按实际工程分类：挤压性围岩、采动巷道深井巷道、非对称变形机理挤压性围岩隧道大变形变形机理研究表明，当强度应力比小于0.3 0.5 时，即能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。高地应力是大变形的一个重要原因。在埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。采动巷道围岩大变
14、形机理由于采动影响而导致巷道围岩大变形主要是由于采动巷道围岩应力重新分布。在巷道开挖后，由于扰乱了原岩应力的平衡状态，从而导致原岩应力重新分布，这时候巷道将产生一部分初期变形。在受到采动影响之后，巷道围岩应力将会再次重新分布，顶底板及两帮岩石力学性质及其破碎程度严重影响围岩应力的重新分布，导致巷道大变形的发生深井巷道非对称变形机理在深部倾角较大的岩层中开挖的巷道,其围岩变形往往表现出明显的非对称变形现象,非对称变形是指巷道左右两侧的变形量不一致,一侧变形量大而另一侧变形景小,导致巷道整体向一侧偏斜。而在浅部巷道或岩层近水平时这种非对称变形现象并不明显。深部甚道非对称变形的所需要必要条件包括以下
15、三个方面：(1)若岩层为分层结构,且各分层间为非均质,各分层间的岩性差异较大,软硬岩层间隔分布;(2)各分层岩层的厚度与巷道宽度接近;(3)岩层是倾斜的因此,倾斜、层状和非均质若层结构,是巷道非对称变形的根本原因,巷道断面内围岩结构的不对称性导致了巷道围岩变形的不对称性。、按围岩变形机制分类：（1）结构面的张开和闭合变形结构面的张开或闭合变形是指围岩中的断层、节理、层面、溶蚀裂隙等各种结构面在加载或者卸载的作用下发生闭合或者张开，从而引起的围岩变形。围岩中的各类结构面，在隧道开挖前处于不同的张开程度，有的闭合，有的微张开，有的张开较大。隧道开挖后，围岩应力发生重新调整，切线方向的应力增大，处于
16、加载状态，结构面的张开度将减小；而法线方向的应力减小，处于卸载状体，结构面的张开度将增大。如图2 所示，不同产状的结构面在隧道不同部位将出现不同的变形状态，水平向结构面在隧道拱顶和拱底在切向应力作用下以张开变形为主，表现为拱顶下沉和拱底鼓出，而在隧道两侧的水平向裂隙在切向应力作用下则主要以闭合变形为主。（2）结构面的滑动变形结构面的滑动变形是指岩块沿着各种不连续界面，如断层、裂隙、层理等结构面发生滑动，从而引起围岩向着临空面方向的变形，如图4 所示。滑动变形是块状围岩的主要变形形式。在块状围岩中，隧道周边大大小小的岩块在隧道开挖后都会向着临空面发生或多或少的移动。块体的滑动需要有滑动空间，其常受到周边岩体的限制，因此,滑动变形的大小受块体大小、块体的组合方式、临空面的大小等因素制约。式中 S和 T 分别为接触面上的下滑力和抗滑力，A为接触面积，如图5 所示。（3）块状围岩的滚动变形滚动变形是指块体绕着某个支点向临空面方向发生转动，从而引起围岩的变形，如图6滚动变形和滑动变形是块状围岩的两种主要变形形式，块状围岩中，往往同时发生块体的移动和转动。滚动变形和滑动变形一样，也受块体大小、块体
