复杂条件下红层软弱围岩隧道大变形灾变机制研究

Jiangxi Province is surrounded by mountains in the east, west and south with central hilly. Mountainous area accounts for 36% of the total area of the province. In Jiangxi, Ji'an, Fuzhou and other places distribute a large number of red layer soft rock such as silty mudstone, argillaceous sandstone etc. To construction of expressway and high-speed railway in these areas, it will be inevitably to build a large number of tunnel projects. Due to the "random, paroxysmal, persistent and unpredictable" and other characteristics deformation of soft rock, when the surrounding rock is affected by groundwater and ground stress, the tunnel structure often leads to geological disasters such as large deformation. By testing the mineral composition, the water rational and the creep characteristics in loading and unloading condition of red layer soft rock, the field test of the ground stress, surrounding rock convergence and vault subsidence, combined the research of the rock strength theory, soft rock creep theory and mutation theory with numerical simulation results, systematically study the material structure change and stress deformation characteristics of red layer soft rock tunnel surrounding rock under different groundwater conditions and different loading conditions, different excavation and support condition, study the large deformation disasters mechanism of red layer soft rock tunnel surrounding rock, provide a theoretical basis for tunnel construction in red layer soft rock area.

江西省东西南部三面环山，中部丘陵起伏，山地占全省总面积的 36%。在江西的赣南、吉安、抚州等地大量分布着粉砂质泥岩、砂岩泥质等红层软岩。在这些地区建设高速公路和高速铁路，都不可避免地修建大量隧道工程。由于软岩变形的“随机性、突发性、持续性和不可预见性”等特点，受围岩环境中地下水、地应力作用的影响，隧道结构常常产生大变形等地质灾害。通过红层软岩的矿物成分试验、红层软岩水理性试验、红层软岩在加载与卸载不同荷载状态下的蠕变试验，以及地应力、围岩收敛与拱顶下沉等现场测试，结合岩石强度理论、软岩蠕变理论和突变理论等研究与采用数值模拟结果，系统研究红层软岩隧道围岩在不同地下水状态、不同荷载状态、不同开挖与支护状态条件下的物质结构变化和受力变形特征，研究红层软岩围岩隧道产生大变形灾害的形成机理，为红层软岩地区隧道建设提供理论依据。

在复杂水文地质环境条件下的软岩隧道，面临软岩变形“随机性、突发性、持续性和不可预见性”的挑战。因此，开展复杂条件下红层软弱围岩隧道大变形灾变机制研究，为隧道设计、施工提供科学依据，具有十分重要的理论意义和重大的应用价值。本课题从地下水、地应力、卸载三个方面开展研究。主要结论如下：.（1）泥质板岩饱和吸水率与岩石的破碎程度紧密相关。岩石越破碎，其饱和吸水率越大。随着试样浸水时间的增加，岩样的饱和度呈现出不断增加的趋势加。岩块的尺寸对其饱和度产生明显的影响。其膨胀变形的绝对值与层理面方向紧密相关。试样在不同方向上的膨胀应变表现出明显的差异。岩样含水率越低，岩样受水浸蚀后的崩解特性越强烈。试件浸水时间的增加，其弹性模量逐渐降低的趋势。地下水作用效应时的竖向沉降量要明显增大，塑性区范围明显变大，最不利位置亦受到影响。孕灾环境与致灾因子是软岩隧道涌水塌方的内在原因，暴雨等是引发涌水塌方事故的外在因素。.（2）泥质板岩破坏形式既有劈裂破坏，又有剪切破坏。随着应力水平不断提高，试件的蠕变速率也不断增加。当试件发生破坏时，试件的蠕变速率增长较快，最终导试件迅速破裂。软岩隧道开挖初期，围岩接触压力、拱顶沉降等迅速增加。随着时间的推移，围岩接触压力、拱顶沉降增长速率增长缓慢，并最终逐渐趋于稳定。但是，当各项指标恒定不变或增大时，隧道将趋于破坏。在埋深一定的情况下，随着侧压力系数的增大周边收敛位移量呈现先增大后减小的变化趋势，拱顶下沉位移量呈现先减小后增大的变化趋势。.（3）大断面软岩隧道在开挖过程中，围岩的卸荷过程大致分为荷载集中阶段、急剧卸荷阶段和卸荷稳定阶段。围岩的变形与卸荷过程相对应，主要经历了三个阶段，即预变形阶段、急剧变形阶段和变形稳定阶段。隧道洞周各处围岩的卸荷情况差异较大，拱顶及拱底位置卸荷程度要大于拱肩及边墙位置。分析显示围岩卸荷的影响程度为围岩等级＞断面大小＞施工方法。隧道开挖对围岩变形空间效应的影响范围约在掌子面距监测断面前方1倍洞径到通过监测断面后1倍洞径之间的这一段距离。