摘要：以南寧市東風(fēng)路水平層狀巖體隧道為背景，通過(guò)理論分析研究了水平層狀圍巖的離層特征，分析了離層產(chǎn)生的條件。研究結(jié)果表明：水平層狀圍巖的變形是由水平應(yīng)力導(dǎo)致的，水平應(yīng)力引發(fā)巖層結(jié)構(gòu)變形，最終導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生離層。相鄰巖層非同步、非協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形是離層產(chǎn)生的本質(zhì)表現(xiàn)；水平層狀圍巖的離層可分為協(xié)調(diào)變形階段、離層產(chǎn)生前的臨界階段、離層產(chǎn)生與發(fā)展階段；從力學(xué)條件上看，離層的產(chǎn)生與發(fā)展僅與水平應(yīng)力和巖層自重有關(guān)；用薄板理論分析了考慮巖層自重和水平應(yīng)力條件下的層狀圍巖離層條件。

關(guān)鍵詞：水平層狀圍巖離層機(jī)理離層條件薄板理論

中圖分類號(hào)：U455.6

ResearchontheSeparationMechanismofHorizontalLayeredSurroundingRock

CHANGErpeng1HEShenyun1HUANGYi2HUANGXuezhi1

1.TheFifthConstructionCo.，Ltd.ofChinaTiesijuCivilEngineeringGroup，Jiujiang，Jiangxiprovince，332000China;2.GuangxiCommunicationDesignGroupCo.，Ltd.，Nanning，GuangxiZhuangAutonomousRegion，530000China

Abstract：TakingthetunnelofhorizontallayeredrockintheDongfengRoadinNanningCityasthebackground，thispaperstudiestheseparationcharacteristicsofhorizontallayeredsurroundingrockbytheoreticalanalysis，andanalyzestheformationconditionsofseparation.Researchresultsshowthatthedeformationofhorizontallayeredsurroundingrockiscausedbythehorizontalstress，whichcausesthedeformationoftherockstructureandeventuallyleadstotheformationoftheseparationofsurroundingrock.Thenon-synchronousandnon-coordinatedstructuraldeformationofadjacentrockstrataistheessentialmanifestationoftheformationofseparation，theseparationofhorizontallayeredsurroundingrockcanbedividedintothecoordinateddeformationstage，thecriticalstagebeforetheformationofseparationandtheformationanddevelopmentstageofseparation，andtheformationanddevelopmentofseparationareonlyrelatedtothehorizontalstressandtheself-weightofrockstratafromtheperspectiveofmechanicalconditions.Theseparationconditionsoflayeredsurroundingrockundertheconditionofconsideringtheself-weightofrockstrataandthehorizontalstressareanalyzedbytheplatetheory.

KeyWords：Horizontallayeredsurroundingrock;Separationmechanism;Separationcondition;Platetheory

針對(duì)近水平或水平層狀的圍巖情況，洞室頂部與底部的巖層在臨近彎折破壞之前，往往會(huì)經(jīng)歷一系列的非連續(xù)、非同步的彎曲變形過(guò)程，這一過(guò)程的趨勢(shì)是朝向臨空面方向。隨著變形程度的不斷加劇，巖層在層面位置會(huì)顯著出現(xiàn)張開和分離的現(xiàn)象，也就是離層的產(chǎn)生。離層的出現(xiàn)，實(shí)際上是圍巖即將發(fā)生失穩(wěn)破壞的一個(gè)顯著預(yù)兆，因此，深入研究和理解層狀圍巖離層的形成機(jī)制、特性，以及它如何具體影響地下洞室的穩(wěn)定性，顯得尤為關(guān)鍵和重要。

錢鳴高院士[1-2]在其研究中，以關(guān)鍵層和托板理論為視角，對(duì)離層的形成機(jī)理進(jìn)行了深入的剖析。他強(qiáng)調(diào)，關(guān)鍵層的存在是導(dǎo)致其相鄰巖層發(fā)生非協(xié)調(diào)變形的根源，而這種非協(xié)調(diào)變形正是離層形成的核心要素。林海飛等學(xué)者[3]從結(jié)構(gòu)方面對(duì)離層產(chǎn)生的條件進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了巖梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，他們認(rèn)為，通過(guò)這個(gè)模型，我們可以更加清晰地理解離層產(chǎn)生的力學(xué)背景。師修昌等人[4]通過(guò)將層合板進(jìn)行過(guò)彎曲組合作為層狀巖體的簡(jiǎn)化模型，得到離層的產(chǎn)生主要受巖層層厚和巖層物理力學(xué)性質(zhì)的影響。這一觀點(diǎn)為人們提供了一種新的視角來(lái)理解和分析離層的產(chǎn)生。另外，Liu等人[5]和Wu等人[6]的研究也重點(diǎn)關(guān)注了巖層結(jié)構(gòu)方面的變形特征，并分析了巖層間的彎曲變形分布差異。他們一致認(rèn)為，相鄰巖層不同的物理力學(xué)性質(zhì)是導(dǎo)致離層產(chǎn)生的決定性因素，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于預(yù)防和治理離層問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。1層狀圍巖的離層機(jī)理與離層條件

1.1層狀圍巖的離層機(jī)理

層狀圍巖的結(jié)構(gòu)變形展現(xiàn)出了顯著的非連續(xù)性和不協(xié)調(diào)性，特別是在靠近臨空面的地帶，薄巖層更容易從主體圍巖中分離出來(lái)，形成獨(dú)立的巖層結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中，巖層交界面會(huì)經(jīng)歷顯著的相互分離變形，也就是通常所說(shuō)的離層現(xiàn)象，如圖1所示。離層的形成，實(shí)質(zhì)上源于相鄰巖層間結(jié)構(gòu)性彎曲變形的差異，因此，圍巖的結(jié)構(gòu)變形成為了離層產(chǎn)生的先決條件。而巖層的結(jié)構(gòu)性彎曲變形又受到巖層層厚、力學(xué)特性、受力狀態(tài)以及邊界約束條件等多重因素的共同制約。因此，離層變形的出現(xiàn)并非單一因素所能決定，而是上述多種因素綜合作用的結(jié)果。

基于離層演化和發(fā)展的全面特性，可以將其細(xì)致地劃分為3個(gè)不同階段。首先是離層產(chǎn)生前，此時(shí)，巖層在豎向圍壓、自重與水平應(yīng)力的共同影響下，表現(xiàn)出協(xié)調(diào)一致的變形特點(diǎn)，如圖2所示。接著是離層即將產(chǎn)生的臨界狀態(tài)，此時(shí)相鄰巖層之間已經(jīng)出現(xiàn)離層微裂隙，已經(jīng)處于離層的臨界狀態(tài)，層面法向上的力學(xué)傳遞關(guān)系已經(jīng)中斷，如圖3所示。最后是離層的出現(xiàn)與發(fā)展階段，由于相鄰巖層間在豎向上已經(jīng)分離，巖層在此階段僅受自重和水平應(yīng)力的影響，產(chǎn)生彎曲和壓曲變形，離層現(xiàn)象開始逐漸顯現(xiàn)并持續(xù)發(fā)展，如圖4所示。

1.2僅考慮水平應(yīng)力的離層條件

影響離層發(fā)展的主要因素有兩個(gè)：一是巖層自二是水平應(yīng)力，下面將分開討論。當(dāng)不考慮巖層自重時(shí)，可通過(guò)相鄰巖層在水平力影響下產(chǎn)生的彎曲變形程度來(lái)判斷是否產(chǎn)生離層。

當(dāng)隧道拱頂或拱底第i層巖彎曲撓度大于第i+1層巖層彎曲撓度時(shí)，圍巖將在此兩層巖層的層面處產(chǎn)生離層現(xiàn)象[7]。

1.3考慮巖層自重的離層條件

離層的階段性發(fā)展特征揭示了這樣一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)離層即將產(chǎn)生時(shí)，相鄰巖層在豎向上的力學(xué)聯(lián)系會(huì)消失。隨后，在巖層自重和水平應(yīng)力的共同影響下，離層開始萌生并逐漸發(fā)展。因此，我們可以將層狀圍巖表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性變形特征，視為離層產(chǎn)生的關(guān)鍵條件與判斷依據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)洞室頂部縱深中，某一層巖層的彎曲變形程度超過(guò)其相鄰層時(shí)，即第層巖層的彎曲變形大于第層，這時(shí)圍巖在第層與第層之間便滿足了離層破壞的條件。這一點(diǎn)在式（3）中得到了清晰的體現(xiàn)。

同時(shí)，值得注意的是，對(duì)于洞室底部的圍巖來(lái)說(shuō)，巖層的自重對(duì)離層的產(chǎn)生具有抑制和反作用的效果。因此，洞室底部圍巖離層的產(chǎn)生條件應(yīng)如式（4）所示。這一結(jié)論的得出，為人們更深入地理解離層產(chǎn)生的機(jī)理和條件提供了重要的參考依據(jù)。

綜上所述，相鄰巖層間物理力學(xué)性質(zhì)的差異是離層產(chǎn)生的重要前提?；谶@一認(rèn)識(shí)，我們可以歸納出那些更易于產(chǎn)生離層現(xiàn)象的巖層結(jié)構(gòu)類型。

2結(jié)語(yǔ)

（1）相鄰巖層間在結(jié)構(gòu)性彎曲變形上存在的差異性最終導(dǎo)致了離層的產(chǎn)生。基于這一認(rèn)識(shí)，分別研究了洞室頂部和底部圍巖產(chǎn)生的判別條件，通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相鄰巖層間的物理力學(xué)性質(zhì)和層厚相差較大時(shí)，離層現(xiàn)象更容易發(fā)生。

（2）離層的發(fā)展過(guò)程可以分為3個(gè)典型的階段：首先是離層尚未產(chǎn)生的階段，其次是離層即將產(chǎn)生但尚未真正形成的臨界狀態(tài)，最后是離層的形成與持續(xù)發(fā)展階段。值得注意的是，一旦進(jìn)入離層即將產(chǎn)生的臨界狀態(tài)，相鄰巖層在層面法向上便失去了力學(xué)聯(lián)系。因此，從力學(xué)角度看，離層的產(chǎn)生與發(fā)展主要受水平應(yīng)力和巖層自重的影響，而與豎向圍巖壓力無(wú)直接聯(lián)系。

（3）層厚的降低弱化了層狀巖體抵抗變形和破壞的能力，表現(xiàn)為彈性變形階段的縮短和變形速率的加快；層間強(qiáng)度的降低破壞了層狀復(fù)合巖體的整體性，導(dǎo)致抗彎能力的降低，但對(duì)極限承載力劣化效應(yīng)不明顯；巖體本身材料強(qiáng)度的降低極大地降低層狀巖層的承載能力，使得破壞過(guò)程顯著加快，影響程度和范圍進(jìn)一步加深。

參考文獻(xiàn)

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