地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的分析

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材料類(lèi)似，巖塊變形也有彈性變形、塑形變形和流變變形之分，但是由于巖塊的繁雜性，從而巖塊變形性質(zhì)也比普遍材料要繁雜得多。

3.1.1單軸壓縮條件下巖塊變形性質(zhì)

1）連續(xù)加載下的變形性質(zhì)

（1）在單軸連續(xù)加載條件下，對(duì)巖塊試件舉行試驗(yàn)時(shí)，可獲得各級(jí)載荷下的軸應(yīng)變?chǔ)臠和橫向應(yīng)變?chǔ)興，且其體積應(yīng)變?chǔ)舦為：

εv=εL+εd

可將巖塊變形過(guò)程劃分成以下階段：

①孔隙裂隙壓密階段（圖1，OA段）在該階段，試件中布局面或微裂隙隨著載荷的增加而逐步閉合，巖石被壓密，逐步形成早期的非線性變形。這個(gè)階段對(duì)裂隙性巖石來(lái)說(shuō)對(duì)比明顯，而對(duì)少裂隙的堅(jiān)硬巖石那么不明顯或者不顯現(xiàn)。

②彈性變形至微破碎穩(wěn)定進(jìn)展階段（圖1，AC）這一階段的曲線近似呈直線關(guān)系，而曲線開(kāi)頭（AB段）根本為直線，隨著應(yīng)力的增加而逐步變?yōu)榍€（BC段）。彈性變形階段（AB段）不僅應(yīng)變與應(yīng)力成正比例關(guān)系，而且根本表現(xiàn)為可恢復(fù)的彈性變形，微破碎穩(wěn)定進(jìn)展階段（BC段）的變形主要是塑性變形，試件內(nèi)開(kāi)頭逐步展現(xiàn)新的微破碎，并隨應(yīng)力的增加，微破碎逐步進(jìn)展。隨著微破碎的展現(xiàn)，試件體積壓縮速率逐步減緩，曲線偏離原來(lái)直線而向縱軸方向彎曲。

③非穩(wěn)定破碎進(jìn)展階段（圖1，CD段）進(jìn)入這一階段后，應(yīng)力集中效應(yīng)逐步顯著，即使應(yīng)力保持不變，破碎現(xiàn)象仍會(huì)不斷地進(jìn)展，并在其中一些薄弱部位首先發(fā)生破壞，應(yīng)力重分布，其他部位也逐步破壞，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)容。

④破壞后階段（圖1，D點(diǎn)以后階段）巖塊展現(xiàn)宏觀斷裂面，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿著這個(gè)斷裂面舉行滑移，試件的承載才能隨著變形的增大而急速下降，但是并沒(méi)有降到零，即破碎的巖石依舊有少片面的承載才能。

（2）峰值前巖塊的變形特性

根據(jù)米勒曾經(jīng)對(duì)28種巖石的試驗(yàn)成果，將巖塊峰值前的應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線分為以下6類(lèi)：

類(lèi)型Ⅰ：變形特性近似為直線，直到突然發(fā)生破壞，更加是堅(jiān)硬、極堅(jiān)硬的巖石輕易展現(xiàn)這類(lèi)變形特性。類(lèi)型Ⅱ：初始為直線段，至末端那么展現(xiàn)屈服段（即曲線段），更加是較堅(jiān)硬且少裂隙的巖石輕易展現(xiàn)這類(lèi)變形特性。類(lèi)型Ⅲ：初始為上凹曲線，然后逐步變?yōu)橹本€，直到突然發(fā)生破壞，更加是堅(jiān)硬而有裂隙發(fā)育的巖石輕易展現(xiàn)這類(lèi)變形特性。類(lèi)型IV：中間片面很陡的“S”形曲線，更加是某些堅(jiān)硬變質(zhì)巖輕易展現(xiàn)這類(lèi)變形特性。類(lèi)型V：中間片面較緩的“S”形曲線，更加是某些壓縮性較高的巖石輕易展現(xiàn)這類(lèi)變形特性。類(lèi)型VI：初始為一向線段，然后就展現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的塑形變形和蠕變變形，更加是某些蒸發(fā)巖和極軟巖輕易展現(xiàn)這類(lèi)變形特性。

2）循環(huán)載荷條件下的變形性質(zhì)

當(dāng)在同一荷載下對(duì)巖塊舉行加載和卸載時(shí)，假設(shè)卸載點(diǎn)P的應(yīng)力小于巖石的彈性極限A，那么卸載曲線將沿加載曲線回到啟程點(diǎn)，即彈性恢復(fù)（圖3）；假設(shè)卸載點(diǎn)P的應(yīng)力大于巖石的彈性極限A，那么卸載曲線將偏離原來(lái)的加載曲線，也不再回到啟程點(diǎn)，變形除了彈性變形外，還展現(xiàn)了塑性變形（圖4）。

在反復(fù)加載和卸載的條件下，舉行變形試驗(yàn)，得到如圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可以得到以下結(jié)論：①逐級(jí)一次循環(huán)加載條件下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的外包線與連續(xù)加載條件下的曲線根本一致[圖5（a）]，說(shuō)明加載和卸載過(guò)程沒(méi)有變更巖塊變形的根本特性，這種現(xiàn)象也稱(chēng)為巖石記憶；②每次加載和卸載曲線都不重合，并且圍成一個(gè)環(huán)形，稱(chēng)為回滯環(huán)；③當(dāng)應(yīng)力在彈性極限以上某一個(gè)較大值下舉行反復(fù)加載和卸載時(shí)，由圖5（b）可見(jiàn)，曲線隨著反復(fù)的加載和卸載次數(shù)的逐步增加而逐步變陡，回滯環(huán)的面積逐步變小，剩余變形逐步增加，巖塊的總變形等于各次循環(huán)產(chǎn)生的剩余變形之和。

3.1.2三軸壓縮條件下巖塊變形性質(zhì)

以往的試驗(yàn)研究說(shuō)明：在有圍壓作用的條件下，巖石的變形性質(zhì)與單軸壓縮時(shí)有較大的區(qū)別。圖6和圖7為大理巖和花崗巖在不同圍壓大小條件下的曲線。由圖可知：首先，破壞前隨著圍壓的增大，巖塊的應(yīng)變也逐步增大；其次，隨著圍壓的增大，巖塊的塑性也逐步增大，并且由脆性逐步轉(zhuǎn)化成延性。如圖6所示的大理巖，在圍壓為零或較低的處境下，巖石呈現(xiàn)脆性狀態(tài)；當(dāng)圍壓增大至50MPa時(shí)，巖石表現(xiàn)出由脆性向延性轉(zhuǎn)化的過(guò)渡狀態(tài)；圍壓增大至68.5MPa時(shí)，表現(xiàn)出延性滾動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)圍壓增大到165MPa時(shí)，試件承受力隨著圍壓的增大，展現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。這說(shuō)明圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵的作用，通常把巖石由脆性轉(zhuǎn)化為延性的臨界圍壓稱(chēng)為轉(zhuǎn)化壓力。圖7所示的花崗巖也有近似的特性。

3.2巖塊的強(qiáng)度性質(zhì)

3.2.1單軸抗壓強(qiáng)度

1）單軸抗壓強(qiáng)度確實(shí)定

在單向壓縮的處境下，巖塊所能夠承受的最大壓應(yīng)力即單軸抗壓強(qiáng)度，也可以稱(chēng)為抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度的測(cè)試方法對(duì)比簡(jiǎn)樸，并且與剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間存在著確定的比例關(guān)系，因此可以借助抗壓強(qiáng)度大致估算出其他強(qiáng)度參數(shù)。

使用標(biāo)準(zhǔn)試件在單軸壓力機(jī)上施加軸向載荷，直到試件破壞所獲取的強(qiáng)度即為巖塊的抗壓強(qiáng)度。例如設(shè)試件已經(jīng)被破壞，那么巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度為：

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；pc為荷載，N；A為橫截面面積，mm2。

2）單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素

（1）加工精度和試件的幾何外形；

（2）加載速率；

（3）端面條件；

（4）濕度和溫度；

（5）層理布局。

試驗(yàn)研究顯示，巖塊的三軸壓縮強(qiáng)度的影響因素有圍壓、空隙壓力、巖塊本身的性質(zhì)、溫度、濕度、試件的外形大小等。更加是礦物的成分、布局、微布局面發(fā)育處境及其相對(duì)于最大主應(yīng)力的方向和圍壓的影響尤為顯著。

3.3巖體的布局特征

巖體的布局特征可以采用巖體的破碎或者巖體的完整性來(lái)表示，在確定程度上它反映出了巖體受到地質(zhì)構(gòu)造作用的程度。在近代圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)把巖體的破碎程度或者巖體的完整性作為分類(lèi)的根本指標(biāo)之一。破碎程度在某種程度上面反映出了巖土體在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的破壞作用的程度，巖土體越破碎那么隧道越不穩(wěn)定，越輕易發(fā)生垮塌等現(xiàn)象。

3.4布局面性質(zhì)和空間的組合

對(duì)于地下洞室來(lái)說(shuō)，圍巖中僅僅存在單一的布局面，一般不會(huì)影響地下洞室的穩(wěn)定性。只有當(dāng)?shù)叵露词逸S線與布局面之間的關(guān)系不利時(shí)，或者展現(xiàn)大于等于兩組的布局面時(shí)，才可能展現(xiàn)墜落的分開(kāi)巖體。因此，在圍巖分類(lèi)中，可以用如下的5個(gè)方面來(lái)研究布局面對(duì)地下洞室穩(wěn)定性影響的大?。?/p>

（1）布局面的成因及其進(jìn)展史；

（2）布局面的平整、光滑程度；

（3）布局面的密度及組數(shù)；

（4）布局面的規(guī)模及方向；

（5）布局面的充填物質(zhì)處境。

3.5初始應(yīng)力狀態(tài)

自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成了巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)。初始應(yīng)力往往會(huì)影響洞室開(kāi)挖之后的穩(wěn)定性。地下工程的巖體失穩(wěn)主要是開(kāi)挖過(guò)程中引起應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖自身的強(qiáng)度或者引起圍巖的變形過(guò)大，而應(yīng)力重分布是否達(dá)成限定值與初始應(yīng)力場(chǎng)的方向和量值有關(guān)。地下洞室軸線的選擇通常與水平最大主應(yīng)力方向平行用來(lái)改善地下洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

3.6地下水

地下水對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的不利作用主要表達(dá)在以下4個(gè)方面：

（1）滲壓梯度；

（2）潤(rùn)滑作用；

（3）軟化作用；

（4）泥化作用。

3.7特殊地質(zhì)條件

當(dāng)?shù)叵鹿こ檀┰教厥獾刭|(zhì)條件時(shí)，圍巖穩(wěn)定性的維護(hù)就更加困難，此時(shí)的巖層松散破碎，鄰近地帶的巖層節(jié)理裂隙對(duì)比發(fā)育，地下水處境往往也對(duì)比繁雜，再加上地應(yīng)力對(duì)比大，就會(huì)展現(xiàn)猛烈的地壓現(xiàn)象。強(qiáng)擠壓的斷層破碎帶、精細(xì)褶皺帶和較寬的張性斷裂帶以及幾條斷層交會(huì)的地帶，是工程中常見(jiàn)的不良地質(zhì)地段。

3.8工程施工影響

施工因素主要是指隧道的規(guī)模、施工方法、方位、支護(hù)形式、施工方法及其他工程活動(dòng)的影響等等。一般的支護(hù)方法有注漿法、超前支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)等等，選擇正確的支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)對(duì)于隧道圍巖的穩(wěn)定有著關(guān)鍵性的作用。

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