摘要：以南寧市東風路水平層狀巖體隧道為背景，通過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力導致的，水平應力引發(fā)巖層結(jié)構(gòu)變形，最終導致圍巖產(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；從力學條件上看，離層的產(chǎn)生與發(fā)展僅與水平應力和巖層自重有關(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理離層條件薄板理論

中圖分類號：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，往往會經(jīng)歷一系列的非連續(xù)、非同步的彎曲變形過程，這一過程的趨勢是朝向臨空面方向。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)，實際上是圍巖即將發(fā)生失穩(wěn)破壞的一個顯著預兆，因此，深入研究和理解層狀圍巖離層的形成機制、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，對離層的形成機理進行了深入的剖析。他強調(diào)，關(guān)鍵層的存在是導致其相鄰巖層發(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。林海飛等學者[3]從結(jié)構(gòu)方面對離層產(chǎn)生的條件進行了詳細分析，并提出了巖梁結(jié)構(gòu)力學模型，他們認為，通過這個模型，我們可以更加清晰地理解離層產(chǎn)生的力學背景。師修昌等人[4]通過將層合板進行過彎曲組合作為層狀巖體的簡化模型，得到離層的產(chǎn)生主要受巖層層厚和巖層物理力學性質(zhì)的影響。這一觀點為人們提供了一種新的視角來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。他們一致認為，相鄰巖層不同的物理力學性質(zhì)是導致離層產(chǎn)生的決定性因素，這一發(fā)現(xiàn)對于預防和治理離層問題具有重要的指導意義。1層狀圍巖的離層機理與離層條件

1.1層狀圍巖的離層機理

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，形成獨立的巖層結(jié)構(gòu)。在這一過程中，巖層交界面會經(jīng)歷顯著的相互分離變形，也就是通常所說的離層現(xiàn)象，如圖1所示。離層的形成，實質(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，可以將其細致地劃分為3個不同階段。首先是離層產(chǎn)生前，此時，巖層在豎向圍壓、自重與水平應力的共同影響下，表現(xiàn)出協(xié)調(diào)一致的變形特點，如圖2所示。接著是離層即將產(chǎn)生的臨界狀態(tài)，此時相鄰巖層之間已經(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僅考慮水平應力的離層條件

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

當隧道拱頂或拱底第i層巖彎曲撓度大于第i+1層巖層彎曲撓度時，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現(xiàn)象：當離層即將產(chǎn)生時，相鄰巖層在豎向上的力學聯(lián)系會消失。隨后，在巖層自重和水平應力的共同影響下，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)。具體來說，當洞室頂部縱深中，某一層巖層的彎曲變形程度超過其相鄰層時，即第層巖層的彎曲變形大于第層，這時圍巖在第層與第層之間便滿足了離層破壞的條件。這一點在式（3）中得到了清晰的體現(xiàn)。

同時，值得注意的是，對于洞室底部的圍巖來說，巖層的自重對離層的產(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性質(zhì)的差異是離層產(chǎn)生的重要前提?；谶@一認識，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

（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致了離層的產(chǎn)生?；谶@一認識，分別研究了洞室頂部和底部圍巖產(chǎn)生的判別條件，通過深入研究發(fā)現(xiàn)，當相鄰巖層間的物理力學性質(zhì)和層厚相差較大時，離層現(xiàn)象更容易發(fā)生。

（2）離層的發(fā)展過程可以分為3個典型的階段：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聯(lián)系。因此，從力學角度看，離層的產(chǎn)生與發(fā)展主要受水平應力和巖層自重的影響，而與豎向圍巖壓力無直接聯(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；層間強度的降低破壞了層狀復合巖體的整體性，導致抗彎能力的降低，但對極限承載力劣化效應不明顯；巖體本身材料強度的降低極大地降低層狀巖層的承載能力，使得破壞過程顯著加快，影響程度和范圍進一步加深。

參考文獻

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