深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制

模型试验研究

顾金才1，顾雷雨1，2，陈安敏1，徐景茂1，陈伟1，3

(1. 总参工程兵科研三所，河南洛阳 471023；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；

3. 理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007)

摘要：根据对深部岩体的地应力特征分析和对洞室围岩受力变形特点的分析，提出深部开挖洞室围岩分层断裂破

坏机制：由于深部开挖工程中岩体地应力数值较大，且最大地应力方向可能与洞室轴线平行，从而使洞室围岩在

较大的轴向压应力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形，并在围岩内产生较大的径向拉应变。该拉应变的分布特

征是在洞壁处较小，在介质内较大，当洞壁介质内的拉应变值达到其极限值时，那里的围岩便发生断裂，这种断

裂可以产生一层或多层，决定于轴向压应力数值的大小。上述认识采用洞室模型试验结果作了验证。研究结果不

仅对民用深部开挖工程具有重大指导意义，对国防工程中的某些方面，如导弹发射井等也有重要启示作用。

关键词：岩石力学；深部岩体工程；围岩分层断裂机制；模型试验

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)03–433–06

MODEL TEST STUDY ON MECHANISM OF LAYERED FRACTURE

WITHIN SURROUNDING ROCK OF TUNNELS IN DEEP STRATUM

GU Jincai1，GU Leiyu1，2，CHEN Anmin1，XU Jingmao1，CHEN Wei1，3

(1. The Third Research Institute of Engineering Corps，General Staff of PLA，Luoyang，Henan471023，China；2. Department of

Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3. Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu210007，China)

Abstract：Based on the study of the geostress state and the deformation characteristic of surrounding rock of tunnels in deep stratum，the mechanism of the layered fracture within the surrounding rock is put forward. The mechanism is as following. For the geostress in deep stratum is very high and the orientation of the maximum stress is possibly parallel to the axes of the tunnel，the radial tensile strain within surrounding rock of tunnels will occur under higher axial compressive stress，and the value of this tensile strain is smaller at the wall of tunnels but higher in rock mass at some distances from the wall of tunnels. The tensile failure of rock mass around tunnels is created when the tensile strain exceeds its ultimate value. Consequently one or more layered fractures are created within rock mass around tunnels；and the range of layered fractures is determined by the magnitude of the axial compressive stress. According to the results of the model test of circular and upright-arch tunnels，the above viewpoints are proven. The study on the layered fractures within surrounding rock of tunnels in deep stratum is very important to deep excavation engineering and some national defense works.

Key words：rock mechanics；rock mass engineering in deep stratum；mechanism of layered fracture of surrounding rock；model test

收稿日期：2007–11–09；修回日期：2007–12–19

作者简介：顾金才(1939–)，男，1965年毕业于西安工程兵工程学院，现任中国工程院院士、研究员，主要从事防护工程与岩土工程方面的研究工作。E-mail：gujc@cae.cn

• 434 • 岩石力学与工程学报 2008年

1 引 言

目前深部岩体开挖力学问题已引起岩土工程界的广泛重视，这是因为当前煤炭、石油、国防以及核废料储存等部门已遇到了深部岩体开挖的工程技术问题。在深部开挖中岩体所处力学环境具有“三高”特点，即高温、高压、高渗透，这是容易理解的。而令人费解的是，由俄罗斯学者发现的在深部开挖中，洞室围岩会产生呈间隔分布的“环带状碎裂”(zonal disintegration)现象[1～4]

(国内专家称之为

“分区破裂化现象”

[5～7]

或“区域性断裂现象”[8]

)。

众所周知，在通常情况下，洞室的破坏一般都是在洞壁处产生大块楔体，或在洞壁附近产生不同形式的破碎区、塑性区等，这已为以往的洞室模型试验和现场试验所证实，见图1，2，用现有的岩石力学理论也可以进行解释。为什么在深部开挖中洞室围岩会产生呈间隔分布的环带状碎裂现象，引起众多学者[1～21]

的关注，并从不同角度进行了分析探讨。

最先提出这一问题的是俄罗斯学者E. I. Shemyakin

等

[1～4]

，他们通过现场量测发现，在深部矿井开采面附近围岩中存在呈间隔分布的“环带状碎裂”现象，并进行了试验验证和理论分析工作，给出了实际应用和计算产生环带状碎裂现象的条件公式。我国也有多位学者对深部开挖问题作了研究。钱七虎

[5～7]

研究了深部岩体工程响应的特征，并且界定了“深部”岩体的范围。何满潮等[9]

总结分析了深部开采与浅部开采岩体工程力学特性的主要区别。李英杰等[10

，11]

对现场观测和相似材料模拟试验中的岩石

环带状碎裂的时间效应进行了总结，对深部巷道围岩的弹塑性应力场进行了分析，求出支撑压力区的应力分布状态，重新确定了岩石环带状碎裂现象发

N —为侧压系数；P V —垂直荷载集度；P H —水平荷载集度

图1 静载作用下浅埋毛洞破坏形态

Fig.1 Fracture shape of shallow-buried unsupported tunnel

under static load

图2 爆炸荷载作用下浅埋毛洞破坏形态

Fig.2 Fracture shape of shallow-buried unsupported tunnel

under blasting load

生的条件。唐 鑫等[12]从岩石蠕变角度分析了深部巷道围岩区域化交替破碎现象的演化过程，依据“岩石失稳是与应变密切相关的”认识，认为破碎圈的出现是岩石的蠕变使应变发展到极限值后裂纹交汇贯通而形成的。

综上所述，各学者对深部开挖洞周围岩发生呈间隔分布的环带状碎裂原因认识尚不够统一，还有必要进行深入研究。作者对上述问题也很感兴趣，在深入分析深部岩体的地应力特征和洞室围岩的受力变形特点基础上提出：深部开挖洞室围岩发生呈间隔分布的“环带状碎裂”现象有可能是在较大的轴向压力作用下产生的，并用模型试验作了验证。由于试验给出的围岩破坏特征是“分层断裂”而不是“碎裂”，所以本文所提出的“洞周围岩分层断裂机制”是否就是俄罗斯学者提出的深部开挖中洞周围岩呈间隔分布的“环带状碎裂”现象的机制尚不作结论，还需继续进行深入研究。

2 对洞室围岩分层断裂机制的理论分析

以往大量试验和现有的岩石力学理论都表明，只要围岩中洞室最大荷载方向与洞室轴线垂直，洞室的破坏就会发生在洞壁附近，或者形成大块楔体，或者产生压屈型破坏[22](见图1)。因为在这种荷载条件下，洞室边墙将产生高度的环向压应力集中，根据莫尔–库仑强度理论，边墙部位必然形成压剪型或压屈型破坏。现场爆炸试验结果也证实了上述

看法[23](见图2)。因此，要研究深部开挖洞室围岩为何产生所谓“分区破坏现象”，不从改变荷载作用方向考虑，而仍然采用最大荷载与洞室轴线垂直的条件，仅用不同的理论方法去分析可能是行不通的。

第27卷 第3期 顾金才，等. 深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究 • 435 •

笔者认为，当地应力荷载水平方向较大，且最大荷载方向与洞室轴线平行时，洞室围岩就有可能产生环带状分层断裂现象。这是因为在较大的轴向压应力作用下，洞周材料将产生横向膨胀。膨胀后的材料只能朝洞内发展，因为洞壁为自由面，洞壁背后材料对洞壁的径向膨胀提供约束。

洞壁附近材料向洞内的膨胀变形将在洞壁介质内产生径向拉应变。该拉应变在洞壁上较小，在介质内一定深度上较大，在离洞室较远处基本处于均匀受拉状态，见图3。随着洞室轴向压应力数值的增加，洞周介质内的径向拉应变也会增大。当洞室轴向压应力增加到某一数值时，洞周介质内的最大径向拉应变将会达到材料的拉应变极限，从而造成那里的材料发生拉伸断裂。因为轴向压应力沿洞周的分布大体上是均匀的，所以这种断裂沿洞周一定长度上应该是连续的，即它不是一个点的断裂，而

是一条环带状连续缝。

图3 深部洞室洞周径向应变分布示意图 Fig.3 Sketch of distribution of radial strain around deep

tunnels

洞周材料发生了第一次环状断裂后，相当于在原来的介质内又形成了一个新的更大的洞室。该洞室在较大的轴向压应力作用下又会产生新的断裂。这种断裂一直进行到洞周介质内由轴向压应力产生的最大径向拉应变值小于材料的极限拉应变时为止。上述力学过程进行的结果就可能在洞周介质内产生一层或多层环带状断裂缝。

3 洞室围岩分层断裂机制模型试验研

究

3.1 试验概况

为了验证上述观点，笔者进行了下述模型试验。试验模型采用圆柱体，见图4。圆柱体直径φ = 600 mm ，高h = 300 mm 。圆柱体的中心为模拟洞室。模拟洞室有两种：圆形洞室和直墙拱顶洞室。圆形洞室直径分别为d 1 = 110和d 2 = 160 mm ；直墙拱顶

洞室跨度B = 100 mm ，高度H

= 200 mm 。各洞室

图4 试验模型示意图 Fig.4 Sketch of test model

中心均与圆柱体中心重合。洞室轴线长度与圆柱体高度相同，均为300 mm 。圆柱体的上部作用有均匀分布的轴向压力σz 。周围用5 mm 厚的钢板圆筒提供侧向约束。模型材料采用水泥砂浆，其配比为 m 水泥∶m 河砂∶m 水∶m 速凝剂 = 1∶14∶1.5∶0.025。材 料7 d 的单轴抗压强度R c = 0.76 MPa ，抗拉强度R t = 0.076 MPa 。

模型制作采用分层上料、分层夯实的办法成型。自然养护7 d 后，进行加载试验。试验是在500 t 材料试验机上进行的，加载速率为100 kN/min 左

右。试验结束后，在1/3高度处对各模型洞室作了横向解剖，以观察洞室围岩的破坏形态。各模型洞室的破坏形态见图5～7。

图5 圆形洞室破坏形态(d 1 = 110 mm ，σz /R c = 7.47) Fig.5 Fracture shape of round tunnel(d 1 = 110 mm ，σz /R c = 7.47)

3.2 试验结果分析

(1) 从图5中可看到，d 1 = 110 mm 的圆形洞室在较大的轴向压应力作用下，σz /R c = 7.47，洞壁附近产生了多条滑移线形破坏。其原因是该洞室半径r 较小，由洞壁产生的径向位移u 引起洞周材料产生了较大的环向压应变εθ，此点由弹性理式εθ = u /r 可以看出。由于环向压应变较大，结果就使洞壁

4.2 cm

4.0 cm

3.8 cm

3.5cm

破坏后：

d ′=9.5 cm

• 436 • 岩石力学与工程学报 2008年

图6 圆形洞室破坏形态(d 2 = 160 mm ，σz /R c = 6.83) Fig.6 Fracture shape of round tunnel(d 2 = 160 mm ，σz /R c =

6.83)

图7 直墙拱顶洞室破坏形态(B = 100 mm ，H = 200 mm ，

σz /R c = 7.29)

Fig.7 Fracture shape of upright-arch tunnel (B = 100 mm ，H =

200 mm ，σz /R c = 7.29)

材料产生了滑移线形破坏。鉴于此，又增大洞径到d 2 = 160 mm ，重做试验，结果如图6所示。

(2) 从图6中可看到，对于d 2 = 160 mm 的圆形洞室，其破坏特征在洞壁附近与d 1= 110 mm 的圆形洞室情况基本一样，仍为两组共轭的滑移线形破坏。但在距洞壁较远处，该洞室出现了较为完整的圆弧形断裂缝。说明那里的材料因半径较大，由径向膨胀位移引起的环向挤压应变较小，而在介质内产生的径向拉应变值先期达到了极限，因而在那里材料出现了分层断裂现象。可以想见，如果轴向压力再加大，在介质内更深部位还会产生新的断裂。

(3) 从图7中可看到，直墙拱顶洞室围岩内的断裂缝比圆形洞室的发育更充分、更完整，断裂块也更大。直墙拱顶洞室的断裂缝主要发生在边墙部

位。左、右墙处可以清晰地看出断裂为4层。左墙虽不如右墙完整，但断裂缝和断裂层数也清晰可见。这说明较大的直墙面更容易产生分层断裂破坏。

从拱顶和底板断裂特点来看，断裂深度浅，断

裂块体较小，断裂缝也成滑移线形。这说明洞壁曲面半径小，或平面宽度窄都不产生分层断裂，而成滑移线形破坏。这是因为洞壁曲面半径小，所受到的环向挤压力就大；在同样水平位移条件下，若洞壁平面宽度窄，洞壁也会产生较大的环向挤压应力，因而在上述两种条件下洞壁不产生分层断裂，而成滑移线形破坏。

上述情况说明，洞壁材料要产生分层断裂现象，不仅要有较大的平行于洞室轴线的压应力作用，而且洞室还要有较大的直墙面或具有较大曲率半径的

曲墙面。

从上述诸图中还看到：

(1) 两种圆形洞室洞壁附近材料断裂块的大小与两洞室直径成正比，保持几何比例关系；但离洞室较远处大直径洞室发生了破坏，小直径洞室未产生破坏，这说明离洞室较远处，两洞室的破坏不满足几何比例关系。

(2) 圆形洞室分层断裂后仍为圆形洞室，直墙拱顶洞室断裂后，也趋向圆形洞室。

(3) 同一洞室不同部位材料断裂块的大小和厚薄尽管不等，但断裂层数却几乎相同。如直墙拱顶洞室，拱顶和边墙断裂厚度大小不等，但断裂层数基本上均为4层。

(4) 从上面给出的所有洞壁围岩破坏特征看，均属于分层断裂形态，未见层面碎裂现象。这可能与试验采用的是均质材料，而实际岩体是非均质材料有关。

4 深部开挖洞室围岩发生分层断裂的可能性分析

由前面的分析可知，洞壁围岩要发生分层断裂必须满足两个条件：一是要有较大的平行于洞室轴线的水平地应力，二是洞壁要有较大的平整面，或较大的曲率半径。

众所周知，深部岩体地应力数值较大，且最大地应力方向一般是沿水平方向发展的[7]。

深部岩体水平地应力较大，是因为岩体厚度较大时，由地层构造运动形成的水平地应力得不到充分释放，而由地层构造运动形成的地应力往往又比

9 cm

7 cm

7 cm

6 cm d ′ = 14 cm

破坏后： B ′ = 86 mm H ′ = 186 mm

3.8cm

3.6 cm

6.0 cm

7.0 cm

由岩体自重形成的地应力数值较大造成的。而在浅层，由于存在深沟峡谷，由地壳构造运动产生的水平地应力会得到部分释放，而由岩体自重产生的地应力却能得到保存，所以浅层垂直地应力较大。上述事实已为许多工程实践[24～26]所证实。

由于深部岩体地应力数值较大，且最大地应力方向往往又是沿水平方向，而洞室轴线一般也是沿水平方向的，因而有可能出现较大的水平地应力与洞室轴线平行的情况。当较大的水平地应力与洞室轴线平行时，洞室围岩便可能发生本文所提到的分层断裂现象。由此看出，深部开挖中洞室围岩发生分层断裂现象是有一定条件的，不是一种普遍现象。

5 结论与建议

5.1结论

(1) 洞室在较大的轴向压力作用下，当洞壁具有较大的直墙面，或具有较大的曲率半径时，洞壁围岩是可以产生分层断裂现象的。这种现象的产生是由较大的轴向压力引起洞壁材料的侧向膨胀造成的。

(2) 在深部开挖中，由于地应力数值较大，且最大地应力方向往往又沿水平方向发展，因而洞室围岩有可能在较大的轴向压应力作用下发生分层断裂现象。

(3) 圆形洞室围岩发生分层断裂的特点是：在洞壁附近成滑移线形；在离洞壁较远处，断裂缝成圆弧形。

(4) 直墙拱顶洞室围岩发生分层断裂的特点是：在边墙部位呈分层断裂现象，在拱顶和地板部位呈滑移线形断裂。

(5) 圆形洞室围岩发生分层断裂后仍呈圆形洞室；直墙拱顶洞室围岩发生分层断裂后也趋于圆形。

5.2建议

(1) 对洞室围岩分层断裂现象要继续进行深入研究，探讨在不同地应力特征、不同洞形、不同地质条件、不同开挖顺序下洞壁围岩的分层断裂特征。

(2) 针对洞室围岩分层断裂特征进行合理支护方案和支护技术研究。

(3) 除了在民用工程深部开挖中需要研究洞室围岩分层断裂破坏现象外，导弹发射井等也有可能在核武器触地爆或钻地爆条件下，产生很高的轴向压力，从而引起洞壁围岩产生分层断裂现象。因此，在国防工程中也有必要及早开展相关研究。

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