什么是岩质地下洞室围岩变形?

[拼音]：yanzhi dixia dongshi weiyan bianxing

[外文]：deformation of surrounding rock for underground excavation

在开挖洞室之前，岩体处于应力平衡的初始应力状态（见岩石和岩体、岩体中应力）。洞室开挖后洞壁周边失去原有岩体的约束，围岩向内变形。围岩的变形与破坏，因岩性、岩体结构和初始应力状态不同而异。

地下洞室开挖后，破坏了洞室四周岩体原有的应力平衡状态，使洞室四周一定范围内的岩体中应力重新分布，使围岩中某些部位产生应力集中。此时若应力超过岩体的强度极限时，则在该处发生局部破坏，同时引起附近围岩中应力分布进一步变化。若应力使局部破坏范围继续扩大，最终将导致围岩大范围的破坏和坍塌。初始应力场应力的大小、作用方向与围岩主要结构面和与洞室空间形状相对方位，都对围岩变形和破坏有重大影响。

地下洞室围岩变形和破坏情况随岩体本身结构而异，在完整围岩中变形主要是岩石的变形；块裂结构的围岩变形主要是结构面的变形；碎裂结构的围岩变形是结构面与岩石变形共同作用的结果；但都表现有流变现象。在二次应力场的作用下，具有结构面的围岩的破坏，首先是从结构面最不利的组合部位开始滑移的。若岩体完整但其试块强度较低，其变形具有d塑性介质变形的特点，洞室周边出现较大变形，且随时间而继续增大，表现明显的流变现象。若岩体中含有膨胀性矿物，洞室开挖后岩体膨胀，形成洞壁严重内挤现象，即使及时采用较强的支护措施，也不能完全阻止围岩的变形；若围岩非常破碎，已呈碎石状的松散结构，其变形与破坏具有散体介质的特点。

存在于节理、裂隙或岩石中的地下水，一方面影响围岩的力学性质，另一方面也改变围岩应力状态。若围岩开挖后出现大量涌水，可能直接破坏围岩稳定。水对岩石中矿物的化学作用常对围岩稳定带来不利影响。因此分析围岩变形和破坏时，不应忽略地下水的作用。

地下洞室本身的工程条件也影响洞室的变形和破坏。洞室整体空间几何形状，截面的几何形状，以及洞室附近是否还有其他洞室等都会影响岩体二次应力场的分布状态，进而影响围岩的变形与破坏。当地下洞室埋深较浅时，岩体的地面地形对地下洞室的变形和破坏也有很大的影响，应不同于埋置很深的地下洞室。

围岩变形和破坏根据不同的岩体结构分为三类。岩体力学性质明显受结构面控制的围岩，如块裂结构的围岩属第一类；岩体力学性质受结构面及岩石共同影响的碎裂结构围岩属第二类；岩体力学特性没有受到结构面的明显控制的围岩如完整的岩体属于第三类，其变形和破坏近似于连续介质的性质。

（1）第一类的块裂岩体可视作许多块体的拼合，用块体理论利用赤平投影的解析方法核算围岩的稳定性。

（2）第二类围岩变形由围岩结构面的张开、闭合、岩块滑移和转动以及岩石d塑性变形所组成。其破坏形式多为结构面上应力超过其强度后，使岩块沿结构面滑移的局部破坏（图1）。若有较大结构面时，如剪切破碎带，当其中应力超过该剪切破碎带的强度极限时，将产生较大的坍塌（图2）。

（3）第三类围岩的变形有几种形式：完整结构的岩体，若质地坚硬，其变形具有d性介质的特点，岩体强度及变形模量均较高，洞室周边变形很小，流变现象不明显，常不用任何支护，洞室可维持长期稳定。若洞室处于高地应力区的脆性围岩中，可能出现岩爆；若岩石强度较低，则会出现前述的d塑性介质的变形性质和明显的流变现象，应适时地予以支护，以保证其稳定。

地下围岩的变形与破坏过程非常复杂，目前，对其发生发展的机制尚未完全清楚，因此分析变形和破坏的计算方法还在发展中。对于具有结构面控制特点的围岩，通常是把受结构面切割的岩块抽象成互不联系的刚体的或半刚体的单元进行块体力学的分析；或把岩体中的结构面的力学特性作为附加条件，仍然借用连续介质力学方法求解。第二及第三类围岩可以用后一种方法进行力学分析。对于具有连续介质特点的围岩，通常利用连续介质力学的方法求解，但其本构关系和强度（屈服）准则，则采用岩体力学的研究成果。

鉴于围岩的岩性、结构均不相同，计算不得不包含许多假定。为了反映实际情况，常在开挖好的岩洞中进行观测，印证原来假定的计算结果是否合适，必要时进行适当的调整。

参考书目

E.Hock and E.T.Brown，Underɡround Excavation in Rock，The Institution of Mining and metallurgy，London，1980.