岩爆与大变形

1、深部隧道围岩的大变形和岩爆深部隧道围岩的大变形和岩爆研究和探讨研究和探讨中国科学院研究生院硕士课程近年来，我国高速公路、高速铁路、大型水电站工程及长距离调水等工程建设的快速发展，深埋长大隧道将越来越多。n根据我国中长期高速公路发展规划，预计到2020年我国高速公路将形成7条放射线、9条南北纵线、18条东西横线、17条纵向联络线和19条横向联络线，运营里程将达到8.5万公里；n根据我国中长期铁路发展规划（2008版），预计到2020年我国时速200公里的高速铁路建设里程将超过1.8万公里，届时省会及主要城市之间都将建成客运专线或城际铁路；n目前在建的锦屏二级水电站工程包括2条交通隧洞、1条排水隧

2、洞和4条引水隧洞，每条隧洞长度均超过16公里；n目前处于项目建议书阶段的我国南水北调西线一期工程，输水隧洞长达540多公里，穿越青藏高原东部高山峡谷地区，最长的4#隧洞长达72.4公里。研究意义研究意义同时，金属和煤炭矿山开采深度越来越大， 以煤矿为例，目前我国煤矿开采深度以每年812m的速度增加，未来20年我国很多煤矿将进入10001500m深度，我国埋深在1000m以下的煤炭储量为2.95万亿吨，占煤炭总储量的53%。金属矿方面：n南非金矿1000m，最大3700m；n印度Kolar金矿区，3个2400m，最大3260m；n俄罗斯克里沃罗格铁矿区，8个900m；n我国铜陵狮子山铜矿1100

3、m；n山东玲珑金矿800m；n抚顺红透山铜矿900-1100m；湘西金矿850m.研究意义研究意义深埋长大交通、水利隧道和矿山巷道施工和运营中，经常出现大变形、岩爆、塌方、突涌水等地质灾害。而目前对于深埋隧道围岩大变形、岩爆等施工地质灾害变形机制、防治方法等研究尚不足。一、深部隧道围岩的大变形一、深部隧道围岩的大变形中国科学院研究生院硕士课程什么是软岩？什么是围岩挤压大变形？围岩挤压大变形的预测和分级围岩大变形的机理兰武二线乌鞘岭隧道F7围岩大变形南山集团柳海煤矿巷道大变形长期以来，国内对软岩和弱岩的定义存在较大争议：长期以来，国内对软岩和弱岩的定义存在较大争议：l软岩一般指岩石(intact

4、 rock)，即单轴抗压强度为0.520MPa的岩石（ISRM，国际岩石力学学会），或单轴抗压强度小于17MPa的岩石，或饱和单轴抗压强度小于30MPa的岩石（工程岩体分级标准-1994、岩土工程勘察规范-2004）。lHoek & Marinos (2000)将完整岩块（即岩石）单轴抗压强度25MPa定义为弱岩(Weak rock)。l我国煤矿系统在1984年12月的昆明会议上将松软岩层定义为“强度低，空隙大，胶结程度差，受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物成分的松、散、软、弱岩层”，显然这里的软岩是岩体，是松散软弱岩层的简称。lE. Hoek (1998)对弱岩体进行了

5、如下定义 “弱岩体是由构造运动造成的，微观表现为原岩受到了剪切和压碎，原联结结构受到了扰动，工程特点表现为岩体强度非常低、隧道或边坡开挖很容易诱发失稳破坏”。l顾宝和等(2006)将断层破碎带岩体归为具有不良地质特性并易引发工程事故的“劣质岩”之一。 挤压大变形隧道则主要出现在以泥岩、泥质砂岩挤压大变形隧道则主要出现在以泥岩、泥质砂岩/粉砂岩、粉砂岩、粘土岩、泥灰岩、煤系地层、复理石为主的沉积岩，以粘土岩、泥灰岩、煤系地层、复理石为主的沉积岩，以页岩、片岩、泥质板岩、千枚岩、蛇纹岩、片麻岩等为页岩、片岩、泥质板岩、千枚岩、蛇纹岩、片麻岩等为主的变质岩等这些传统软岩中。断层破碎带岩体与传统主的变

6、质岩等这些传统软岩中。断层破碎带岩体与传统软岩相比，大变形本质相同但影响因素和过程却存在着软岩相比，大变形本质相同但影响因素和过程却存在着显著差别。显著差别。 什么是挤压性围岩？什么是挤压性围岩？国内外学者从不同角度进行了不同定国内外学者从不同角度进行了不同定义。国外对挤压性围岩的研究比较早也比较系统：义。国外对挤压性围岩的研究比较早也比较系统： Terzaghi (1946)挤压性岩石仅仅指那些含有相当多粘土的岩石含有相当多粘土的岩石，粘土可能是原生的如页岩内的，也可以是蚀变产物。这类岩石可能主要是高岭土类，或者蒙脱石类的。因此，挤压性岩石范围可能很宽。挤压性岩石缓慢地向隧道内移动，但并没有

7、明显的体积增加。挤压的首要条件是云母类矿物或粘土矿物含量高但膨胀能力却很低。2. Gioda(1982)挤压意味着时间相依性的变形时间相依性的变形，是由开挖空间周围的剪应力集中造成的。偏应变和体积变形都可能出现，后者与岩土介质的膨胀有关。 3. Tanimoto(1984)则假设挤压变形现象是围岩的一种弹塑性行为弹塑性行为，并认为当岩石应变到其残余塑性状态残余塑性状态时将发生挤压变形 4. ORourke(1984)挤压性地层是指因荷载强度超过其强度荷载强度超过其强度而在隧道附近出现时间相依性变形时间相依性变形的地层。挤压性地层的结果是隧道支护结构将在数周甚至数月内经受比初始荷载高数倍的不断增

8、加的荷载。 5. Singh(1992)挤压意味着岩体应力过大引起的与体积膨胀有关的破坏。挤压条件下隧道收敛可能长期持续，有时超过1年。 7. Kovari(1998)岩石对开挖的挤压响应意味着：地层大变形造成隧道截面收缩，变形持续很长时间，如果变形收到抑制，地层压力可能增大，有时导致支护系统破坏。并且指出，持续大变形通常不是膨胀的结果，在节理化岩体中发生的、因为支护能力不足的、且局限于顶部和侧墙的大变形不是挤压变形，岩爆与挤压不是同一类。 6. Einstein(1990)挤压本质上是因超过极限剪应力而产生的蠕变超过极限剪应力而产生的蠕变，只要应力和材料特性的特殊组合使隧道周围的某些区域超过

9、蠕变开始所需的临界剪应力，任何岩土介质中均可发生挤压现象任何岩土介质中均可发生挤压现象。挤压机制是岩土体中完整材料颗完整材料颗粒粒的蠕变或/和沿着完整材料颗粒边界颗粒边界的蠕变，沿着大型不连续面大型不连续面如层面、片理面、节理和断层的蠕变 8. 国际岩石力学协会(ISRM,1995)“Squeezing of rock is the time dependent large deformation which occurs around the tunnel and is essentially associated with creep caused by exceeding a limit

10、ing shear stress. Deformation may terminate during construction or continue over a long time period.”喻渝（1998）认为挤压性围岩就是指高地应力下的软弱围岩（包括断层破碎带岩体），挤压变形的发生的两个必要条件是高地应力和高地应力和围岩软弱围岩软弱，充分条件是支护刚度不足支护刚度不足。赵旭峰（2007）提出挤压现象是一种在隧道开挖过程中与时间有关的大变形，与岩体的弹粘塑性时效力学行为具有相当程度的关联性，表现为在工程扰动力作用下，当岩体所承受的剪应力超过某极限值时，所发生的随时间发展的显著粘弹塑

11、性变形随时间发展的显著粘弹塑性变形。 挤压性围岩应具有下列特征：挤压性围岩应具有下列特征：a-只要应力和材料特性的特殊组合使隧道周围的某些区域超过蠕变开始所需的临界剪应力，任何岩土介质中均可发生挤压现象；b-隧道挤压收敛变形量、变形速率、洞周塑性区范围，取决于地质条件、强度应力比、地下水流量、孔隙水压力以及岩体性质；c-在节理化岩体中可能发生因为支护能力不足的、局限于顶部和侧墙的大变形不包括在挤压变形范畴内；d-与时间相关的变形也可能发生在膨胀岩体中，挤压变形通常不意味着体积增加；e-挤压变形与隧道开挖和支护技术及步序密切相关，若支护滞后，岩体将向洞内移动并造成应力重分布，相反，若岩体变形被抑

12、制，挤压将导致支护结构遭受长期加载。 如何进行大变形的预测和程度分级？如何进行大变形的预测和程度分级？ 从预测方法上：经验方法和半定量半经验方法经验方法和半定量半经验方法。前者本质上是基于岩石质量分类来进行的，后者则使用圆形隧道静水压力条件下的解析解及经验统计分析，提出估计预期变形量的方法。 3/1350 QH1）经验方法 Singh等(1992)提出根据Q值预测挤压变形的临界隧道埋深的公式：其中，H为隧道顶拱埋深(m)，Q为Barton的Q值。133. 0275BNH 1SRFQN Goel等(1995)根据99个隧道的跨度(B)、岩体质量数(N)和隧道埋深(H)的统计数据，提出的如下经验公

13、式：2）半经验半定量方法可根据所设定的判定标准差异，分为3类：单纯强度应力比法单纯强度应力比法，极限变形量极限变形量/相对变形量法相对变形量法，及应力应变强度等多指标结合法应力应变强度等多指标结合法。 强度应力比法Muirwood(1972)首先建议使用能力因子(Competency factor)即岩石单轴抗压强度与垂直应力的比值来评价隧道的稳定性。Nakano (1979)利用该参数来认识日本软岩隧道的挤压变形潜势。其后，Jethwa等(1984)、Singh等(1992) 、Hoek (2000) 等学者均根据岩体强度与应力的比值来量化隧道围岩的“挤压变形潜势”。 Jethwa等(198

14、4)提出挤压变形分类的公式及划分标准 HpNcmcmc0指标大变形分级高度挤压中等挤压微弱挤压无挤压岩体强度应力比1.0极限变形量/相对变形量法Aydan等(1993)认为，只要岩体没有完全饱和，围岩大变形不可能完全由矿物的膨胀引起，认识到日本原来认为是膨胀诱发的隧道围岩大变形实际上大部分是挤压变形。并根据岩土材料应力应变曲线中应变硬化阶段、屈服阶段、应变软化阶段的极限应变与弹性极限应变的比值作为预测挤压变形严重程度的评判标准，与实际量测得到的洞周相对切向应变比较。 Goel & Singh(1999) 根据相对变形对围岩挤压变形程度进行了分级。 指标大变形分级微弱挤压中等挤压高度挤压

15、相对变形/u/r%1.03.03.05.05.0Singh等(2007)认为极限应变值的确定应当取决于岩块和岩体的性质，并将其定义为隧道周边切向应变的经验值隧道周边切向应变的经验值，可通过数值模拟或现场监测分析得到，然后监测得到的应变值与极限应变值之比可被用来量化挤压变形潜势和修改支护设计。 craauSI/极限应变观测或预期变形率63. 012. 088. 084. 5icicrEQ分级挤压程度描述SI无挤压SI1.0轻度挤压1.0SI2.0一般挤压2.0SI3.0严重挤压3.0SI5.0非常严重挤压5.010.0双车道公路隧道/cm2035356060单线铁路隧道/cm1525254545

16、指标大变形分级应力强度比3.05.05.08.08.0初始地应力5.010.010.015.015.0相对变形/u/r%4.07.07.010.010.0中铁二局（中铁二局（2000）挤压性隧道的大变形分级标准）挤压性隧道的大变形分级标准 指标大变形分级一般估判变形量/mm5.010.010.015.015.0相对变形量/%2.53.03.05.05.0徐林生（徐林生（2002）的公路隧道围岩大变形分级划分方案）的公路隧道围岩大变形分级划分方案 指标大变形分级强度应力比0.50.250.250.1515.0刘志春等刘志春等(2008)施工阶段大变形分级标准的综合指标判定法施工阶段大变形分级标准

17、的综合指标判定法指标大变形分级相对变形/u/r%35588强度应力比0.50.250.250.1515.0弹性模量E/GPa21.51.51.01.0综合系数6030301515围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较大，持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重开挖后围岩位移大，持续时间长；一般支护开裂或破损严重开挖后围岩位移很大，持续时间很长；一般支护开裂或破损很严重刘志春等刘志春等(2008)设计阶段的大变形分级标准设计阶段的大变形分级标准岩体岩体双线隧道初期支护极限相对位移（水平收敛和拱顶下沉）双线隧道初期支护极限相对位移（水平收敛和拱顶下沉）围岩级别埋深(m)埋深(m)503003005005

18、0300300500拱脚水平相对净空变化（%）拱顶相对下沉（%）0.200.800.701.200.080.400.300.800.402.001.803.000.141.100.801.40铁路隧道喷锚构筑法技术规范铁路隧道喷锚构筑法技术规范（TB10108-2002, J159-2002） 现有设计施工规范远远滞后于工程实践研究的结果！现有设计施工规范远远滞后于工程实践研究的结果！围岩大变形的机理围岩大变形的机理何满潮教授提出的软岩大变形的力学机制何满潮教授提出的软岩大变形的力学机制修建于18961906年、连接瑞士和意大利的辛普伦1#隧道是世界上最早出现严重挤压变形的交通隧道。此后，世界

19、范围内先后出现了奥地利Tauern隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中国家竹菁隧道、中国乌鞘岭隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧道、委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性隧道。 围岩挤压大变形工程实例围岩挤压大变形工程实例二、深部隧道围岩的岩爆二、深部隧道围岩的岩爆中国科学院研究生院硕士课程在我国水电、交通等工程领域，近年来有越来多的深埋长大隧道进入施工期，地下洞室“长、大、深、群”的特点也将愈加明显，带来许多深部岩石力学问题，其中尤以岩爆最为突出。岩爆不仅破坏地下工程结构，损坏生产设备，而且严重威胁人身安全，已成为我

20、国未来深部或深埋地下工程中的一大技术瓶颈问题（谭以安，1989、1991；Jenkins, Williams, Wideman，1990；谢和平、Pariseau ，1993；Young，1993；费鸿禄，1993；周爱民，1996；康德安，1996；冯夏庭、王泳嘉，1998；唐春安，2004）。 n岩爆是高应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象, 属于高应力地区洞室开挖中常见的一种地质问题（教科书）。n通过岩爆室内实验资料分析，岩爆是高能量岩体在开挖形成的临空条件下能量突然释放的地球物理现象（何满潮）。n岩爆通常被定义为能够导致地下洞室严重损坏的微震事件(P.

21、Kaiser)。n由于开挖洞室，使原有的地应力平衡被打破,不仅地应力将重新分布，而且往往造成局部围岩应力跃升及能量进一步集中，并可能导致围岩变形局部化现象,诱发岩石中的微破裂，使围岩由静态平衡向动态失稳发展，释放大量弹性能，形成岩爆（唐春安）。n岩爆是宏观上处于低应力、小变形状态(相对于静力破坏极限)的硬质脆性围岩中初始损伤的渐进性扩展，引起裂纹周围(尤其是尖端)局部应力环境恶化，并最终导致裂纹大规模快速动力扩展的结果（徐林生）。岩爆的定义岩爆的定义因此，岩爆是一种由渐进破坏诱发突变的过程，其力学机制极其复杂，目前有关它的研究还多停留在假说和经验阶段。Brown（1988）曾指出：“甚至在岩爆

22、定义上达到一致意见都是困难的，岩爆这个问题的成功答案，目前正在全世界很多研究中心进行着研究，它的进展将代表着岩石力学这门学科的发展和重大突破”。Hoek和和Brown（1986）也曾指出：“目前对这种渐进破坏过程还很不清楚，它是岩石力学研究工作者所面临的一个挑战性难题”。 依据岩爆发生的原因，岩爆可分为断层滑动、矿柱破坏和应变型岩爆。根据岩爆发生的时间，岩爆可分为瞬时岩爆和滞后岩爆。两者的形成机理有所不同：n 瞬时岩爆的最大应力水平远远大于岩体强度，当开挖形成临空面侧限压力解除时，应力不能及时调整，切向应力来不及增加的情况下发生了岩爆的现象。n 滞后岩爆的最大应力水平接近于岩体强度，当开挖形成

23、临空面侧限压力解除时，应力能够调整，切向应力迅速增加的情况下发生了岩爆的现象。 岩爆的分类岩爆的分类无论是瞬时岩爆，还是滞后岩爆，都要经历岩爆应力演岩爆应力演化过程化过程和岩爆板裂结构演化过程岩爆板裂结构演化过程。 岩爆应力演化过程岩爆应力演化过程 岩爆板裂结构演化过程岩爆板裂结构演化过程 瞬时岩爆的应力路径瞬时岩爆的应力路径 滞后岩爆的应力路径滞后岩爆的应力路径 瞬时岩爆和滞后岩爆的应力路径差异瞬时岩爆和滞后岩爆的应力路径差异岩石剥落岩石剥落是一种可以在开挖面附近显著看到的岩石渐进破坏过程，包括延伸或张拉破坏（裂纹扩展图a）以及剪切破坏过程（明显沿着既存弱结构面b）。剥落破坏可能是逐步发展，

24、也可能以应变型岩爆的方式突然出现。 延伸型剥离延伸型剥离 沿弱面剪切破坏沿弱面剪切破坏 片麻岩中应力导致的破坏片麻岩中应力导致的破坏 岩石剥落和岩石碎胀岩石剥落和岩石碎胀岩体碎胀岩体碎胀是由于大块或中等块度节理岩体破坏而导致的体积增长过程。由于侧向收缩，岩体破碎成块状并沿径向朝洞内移动。这种情况会大大增加支护的变形量。如果没有支护的话，碎胀系数可以达到35%。而如果设置适当的支护体系，碎胀系数可以降低到5-10%(Kaiser et al. 1996)。 岩爆弹射现象岩爆弹射现象岩爆从洞壁弹射出的岩块及靠近岩爆裂面残留下来的断块多为棱块状、透镜状、磷片状、片状, 少数为板状。经过长期研究，人们

25、发现岩爆一般仅发生于坚硬的脆性岩石中，隧道横断面上的应力分量的和( 1+3)的量级一般较高。有研究者指出，应力接近岩体强度的高储能体的存在，是岩爆产生的内因，某些附加荷载的触发是其产生的外因。目前被广泛采用的岩爆预测判据：切应力()与单轴抗压强度( c )之比，强调的主要是“荷载接近强度荷载接近强度”，这被称为岩爆发生机制的静荷载理论。岩爆发生机制岩爆发生机制大多数岩爆都是在 低于甚至远低于c的情况下发生的；尽管隧道开挖诱发的应力重分布可以使开挖轮廓面附近的q s 有所增大，但根据摩尔-库仑准则，增大的幅度还不足以将围岩压爆。在大块或中等块度的节理脆性岩体中，破坏深度起自于开挖处最大应力超过由完整岩芯获得的UCS值大约40%时。 如果试验所得的UCS值低于实际岩石的真实强度（可能是来自于破坏了的钻孔岩芯），这