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摘要：以城万快速路的某隧道为例，针对该近水平岩层隧道开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象，从断裂力学的角度对这一破坏过程进行分析，得出岩层断裂的机理，为水平或近水平岩层隧道的开挖和支护方法提供了理论依据。
关键词：隧道；水平岩层；断裂力学；隧道开挖与支护
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
水平状岩层通常层间结合较差，构造裂隙发育，隧道开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳，极易出现超欠挖、拱顶坍塌等现象。本文以四川石塘隧道工程为例，从断裂力学原理角度分析水平岩层隧道开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象. 为水平或近水平岩层隧道的开挖和支护方法提供了理论依据。
1 工程概况
石塘隧道位于四川省万源市旧院镇和石塘乡，为重庆至万源城际二级公路K60+785～K63+515段，长2730m，属长隧道。隧道最大埋深365.15m。隧道设计速度为60km/h，隧道建筑限界净宽10.50m，建筑限界高度为5.00m。
隧道地质概况：隧道岩层以水平岩层为主，洞身段岩层产状：40°～53°∠7°～11°，岩性为砂岩、泥质粉砂岩夹薄煤层，构造裂隙发育，裂隙倾角大，多为陡倾裂隙，节理面较平直，呈微张～张开状，宽1～50mm不等，裂面附褐色铁质膜，多泥质填充；节理密度1～3条/m,最大延伸可达3m以上，偶见贯通性微张节理，为块碎石状镶嵌结构。隧道进出口段约150m为Ⅴ级围岩，洞身段为Ⅳ级围岩。从隧道进洞前边坡段岩石情况可见，岩层呈水平状，砂岩相对较硬，而泥岩、页岩岩质相对较软，岩体软硬相夹，且分布有多条竖向节理。
2隧道水平状围岩变形破坏分析
2.1 围岩变形破坏分析
石塘隧道围岩以水平岩层为主，水平层理作为一个重要的结构面，层理间夹有泥层和薄煤层，层间结合力大大降低，同时由于构造裂隙和开挖临空面的切割，极易形成不稳定的块体，对隧道的开挖质量和支护安全造成很大的危害。
隧道开挖前，围岩一般处于三轴受力平衡的应力状态，由于隧道埋深的影响，地层存在较高的应力，结构面一般紧密闭合，隧道开挖后，随着应力的重新分布，隧道周围的岩体将向隧道临空面运动，由于水平岩层特殊的水平层理构造,其隧道围岩变形主要由顶部、拱部围岩压力所致，围岩体将会被挤出，从而向隧道临空面产生位移，出现鼓胀、破裂、折断而脱落，如图1。对于这种破坏形式我们可以从断裂力学的角度出发，利用应力强度因子理论分析水平岩层开挖过程中出现的鼓胀、破裂、折断而脱落的机理。根据水平岩层受力特点，其开裂大多属于图2的Ⅰ型张开断裂，水平隧道顶部围岩在上部围岩的压力作用下，主要承受轴力和弯矩，当力较大时就可能形成垂直于主拉应力方向的裂缝。由于水平围岩本身存在原始裂纹，导致其内部微小局部区域内出现一些裂缝，这些裂缝在较小外力的作用下保持稳定，当外力增大时，裂缝就开始增大、延伸，发展成为一个连续的裂缝体系，即在水平围岩上出现长度较长的裂缝，顶部围岩出现裂损、轻微掉块，如果外力继续加大，裂缝将继续延伸，裂缝体系变的不稳定，极易发生顶部围岩开裂、掉块，严重甚至导致坍塌等事故。研究表明，隧道围岩裂纹扩展与否，与裂纹的应力强度因子有着直接的关系，一旦围岩出现裂纹，则裂纹尖端会出现巨大的应力集中。裂纹的扩展受裂纹尖端应力因子控制，当应力强度因子一超过其临界值，裂纹就会扩展，从而导致围岩断裂、坍塌。
图1 水平岩层受力破坏图2Ⅰ型张开断裂
2.2 裂纹应力强度因子的求解
2.2.1具有中心裂纹的无限宽板均匀拉伸
对于如图3所示，长度为2a的单边裂纹受单向均匀拉伸的无限长板条，用Muskhelishvi应力函数求解I型裂纹端部区域的应力分量表达式为：
式中，KI是应力强度因子，它是决定裂纹是否扩展的控制量。
2.2.2 具有单边裂纹的有限宽板均匀拉伸
对于图4所示，板宽为w，裂纹长为a。均布拉应力为 的单边裂纹有限宽板，用边界配位法计算所得的裂纹端部应力强度因子表达式为：
当很小时，及其高次幂与1.99相比均可略去，于是（3）也可以近似写成表达式为：
一般来说，围岩原始裂纹的尺寸远远小于整个隧道围岩结构，所以裂纹对围岩结构的影响可以忽略不计。但是，从断裂力学的观点看，裂纹一经形成，裂纹尖端就具有巨大的应力，这种应力将导致裂纹向前不断扩展，直至穿透围岩，从而导致围岩的断裂破坏，甚至坍塌。
图 3中心裂纹的无限宽板均匀拉伸 图4 单边裂纹的有限宽板均匀拉伸
3 结语
通过现场调查研究，从断裂力学的原理角度分析，石塘隧道水平岩层开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象与围岩的应力强度因子有着必然的联系。因此，在施工过程中须采取相应的有效措施，减少围岩的应力强度因子，以便防治隧道拱顶坍塌事故的发生。
参考文献
[1] 庄茁等．工程断裂与損伤[M]．北京：机械工业出版社．2004．
[2] 洪启超．工程断裂力学基础[M].上海：上海交通出版社 .1987
[3] 易志坚．求解应力强度因子的一种新方法[J].重庆交通学院学报，1991．
[4] 寇智勇，关惠平等．近水平沉积岩层公路隧道围岩变形特征研究[J].成都大学学报( 自然科学版) ，2009( 4) : 336 － 338，372．
[5] 关惠平，熊俊楠等． 近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析[J]． 岩矿测试，2008( 5) : 357 － 362．
[6] 殷立军.水平层状软弱围岩隧道支护方案设计及超前预注浆技术研究「D].天津:天津大学，2004.5
[7] 张乐中.水平岩层地区隧道围岩稳定性研究[D].西安:长安大学，2006.5
[8] 雷启云,谌文武,张景科,杜鹏.乌鞘岭隧道7号斜井围岩变形及稳定性分析[J].地下空间与工程学报,2006, 2(5): 873-876.
[9]张顶立,黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报,2005,24(10):1703-1707.
关键词：隧道；水平岩层；断裂力学；隧道开挖与支护
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
水平状岩层通常层间结合较差，构造裂隙发育，隧道开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳，极易出现超欠挖、拱顶坍塌等现象。本文以四川石塘隧道工程为例，从断裂力学原理角度分析水平岩层隧道开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象. 为水平或近水平岩层隧道的开挖和支护方法提供了理论依据。
1 工程概况
石塘隧道位于四川省万源市旧院镇和石塘乡，为重庆至万源城际二级公路K60+785～K63+515段，长2730m，属长隧道。隧道最大埋深365.15m。隧道设计速度为60km/h，隧道建筑限界净宽10.50m，建筑限界高度为5.00m。
隧道地质概况：隧道岩层以水平岩层为主，洞身段岩层产状：40°～53°∠7°～11°，岩性为砂岩、泥质粉砂岩夹薄煤层，构造裂隙发育，裂隙倾角大，多为陡倾裂隙，节理面较平直，呈微张～张开状，宽1～50mm不等，裂面附褐色铁质膜，多泥质填充；节理密度1～3条/m,最大延伸可达3m以上，偶见贯通性微张节理，为块碎石状镶嵌结构。隧道进出口段约150m为Ⅴ级围岩，洞身段为Ⅳ级围岩。从隧道进洞前边坡段岩石情况可见，岩层呈水平状，砂岩相对较硬，而泥岩、页岩岩质相对较软，岩体软硬相夹，且分布有多条竖向节理。
2隧道水平状围岩变形破坏分析
2.1 围岩变形破坏分析
石塘隧道围岩以水平岩层为主，水平层理作为一个重要的结构面，层理间夹有泥层和薄煤层，层间结合力大大降低，同时由于构造裂隙和开挖临空面的切割，极易形成不稳定的块体，对隧道的开挖质量和支护安全造成很大的危害。
隧道开挖前，围岩一般处于三轴受力平衡的应力状态，由于隧道埋深的影响，地层存在较高的应力，结构面一般紧密闭合，隧道开挖后，随着应力的重新分布，隧道周围的岩体将向隧道临空面运动，由于水平岩层特殊的水平层理构造,其隧道围岩变形主要由顶部、拱部围岩压力所致，围岩体将会被挤出，从而向隧道临空面产生位移，出现鼓胀、破裂、折断而脱落，如图1。对于这种破坏形式我们可以从断裂力学的角度出发，利用应力强度因子理论分析水平岩层开挖过程中出现的鼓胀、破裂、折断而脱落的机理。根据水平岩层受力特点，其开裂大多属于图2的Ⅰ型张开断裂，水平隧道顶部围岩在上部围岩的压力作用下，主要承受轴力和弯矩，当力较大时就可能形成垂直于主拉应力方向的裂缝。由于水平围岩本身存在原始裂纹，导致其内部微小局部区域内出现一些裂缝，这些裂缝在较小外力的作用下保持稳定，当外力增大时，裂缝就开始增大、延伸，发展成为一个连续的裂缝体系，即在水平围岩上出现长度较长的裂缝，顶部围岩出现裂损、轻微掉块，如果外力继续加大，裂缝将继续延伸，裂缝体系变的不稳定，极易发生顶部围岩开裂、掉块，严重甚至导致坍塌等事故。研究表明，隧道围岩裂纹扩展与否，与裂纹的应力强度因子有着直接的关系，一旦围岩出现裂纹，则裂纹尖端会出现巨大的应力集中。裂纹的扩展受裂纹尖端应力因子控制，当应力强度因子一超过其临界值，裂纹就会扩展，从而导致围岩断裂、坍塌。
图1 水平岩层受力破坏图2Ⅰ型张开断裂
2.2 裂纹应力强度因子的求解
2.2.1具有中心裂纹的无限宽板均匀拉伸
对于如图3所示，长度为2a的单边裂纹受单向均匀拉伸的无限长板条，用Muskhelishvi应力函数求解I型裂纹端部区域的应力分量表达式为：
式中，KI是应力强度因子，它是决定裂纹是否扩展的控制量。
2.2.2 具有单边裂纹的有限宽板均匀拉伸
对于图4所示，板宽为w，裂纹长为a。均布拉应力为 的单边裂纹有限宽板，用边界配位法计算所得的裂纹端部应力强度因子表达式为：
当很小时，及其高次幂与1.99相比均可略去，于是（3）也可以近似写成表达式为：
一般来说，围岩原始裂纹的尺寸远远小于整个隧道围岩结构，所以裂纹对围岩结构的影响可以忽略不计。但是，从断裂力学的观点看，裂纹一经形成，裂纹尖端就具有巨大的应力，这种应力将导致裂纹向前不断扩展，直至穿透围岩，从而导致围岩的断裂破坏，甚至坍塌。
图 3中心裂纹的无限宽板均匀拉伸 图4 单边裂纹的有限宽板均匀拉伸
3 结语
通过现场调查研究，从断裂力学的原理角度分析，石塘隧道水平岩层开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象与围岩的应力强度因子有着必然的联系。因此，在施工过程中须采取相应的有效措施，减少围岩的应力强度因子，以便防治隧道拱顶坍塌事故的发生。
参考文献
[1] 庄茁等．工程断裂与損伤[M]．北京：机械工业出版社．2004．
[2] 洪启超．工程断裂力学基础[M].上海：上海交通出版社 .1987
[3] 易志坚．求解应力强度因子的一种新方法[J].重庆交通学院学报，1991．
[4] 寇智勇，关惠平等．近水平沉积岩层公路隧道围岩变形特征研究[J].成都大学学报( 自然科学版) ，2009( 4) : 336 － 338，372．
[5] 关惠平，熊俊楠等． 近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析[J]． 岩矿测试，2008( 5) : 357 － 362．
[6] 殷立军.水平层状软弱围岩隧道支护方案设计及超前预注浆技术研究「D].天津:天津大学，2004.5
[7] 张乐中.水平岩层地区隧道围岩稳定性研究[D].西安:长安大学，2006.5
[8] 雷启云,谌文武,张景科,杜鹏.乌鞘岭隧道7号斜井围岩变形及稳定性分析[J].地下空间与工程学报,2006, 2(5): 873-876.
[9]张顶立,黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报,2005,24(10):1703-1707.