第35卷 增1
岩石力学与工程学报 V ol.35 Supp.1
2016年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May ，2016
柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策
倪绍虎12，何世海1，陈益民12，潘益斌12，吕 慷1，杨 飞1，郑海圣1
，
，
，
(1. 中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，浙江 杭州 310014)
摘要：柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象，其地质成因独特，工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。通过分析地下洞室中柱状节理岩体的开挖响应特征和揭示现象，结合岩石力学理论和数值分析，对柱状节理玄武岩表现出的典型破坏模式及其破坏机制进行深入分析和总结。在此基础上，针对柱状节理玄武岩卸荷易松弛的特点，结合现场监测、检测数据等信息，总结提炼现场实施过程中有效的支护措施、支护时机、开挖方案、爆破控制等支护手段和施工方法，以有效控制围岩松弛变形和松弛向深部扩展，实现复杂条件下的地下洞室围岩稳定控制。
关键词：岩石力学；地下洞室；柱状节理玄武岩；破坏模式；工程对策
中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)增1–3064–12
The failure modes，failure mechanisms and countermeasures
of columnar jointed basalt rock mass
，，，
NI Shaohu12，HE Shihai1，CHEN Yimin12，PAN Yibing12，LU Kang1，YANG Fei1，ZHENG Haisheng1
(1. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou ，Zhejiang 310014，China ；2. Pumped Storage Engineering
Center of Zhejiang Province，Hangzhou ，Zhejiang 310014，China )
Abstract ：Columnar jointed rock mass is a geological endemism in volcanic rock area with special geological genesis. Its engineering characteristics and excavation responses are obviously different from that of common intact rock mass. In this work，according to the excavation responses and revealed phenomenon of columnar jointed basalt rock mass in tunnel，the typical failure modes and their failure mechanisms of columnar jointed basalt rock mass are studied and summarized，with rock mechanics theoretic analysis and numerical analysis. In addition ，based on the unloading and relaxation characteristics of columnar jointed basalt rock mass and in-situ monitoring and test data，the reasonable and feasible support methods and construction methods are discussed and proposed ，such as support measurements，support opportunity，excavation scheme， demolish control and so on. These proposed methods are good for controlling columnar jointed rock mass relaxation，deformation and relaxation spreading，so as to enhance the stability under complex geological conditions of underground space such as chamber，house ，tunnel and shaft and etc.. The effectiveness and reliability of above-mentioned research results are tested and verified during follow-up tunnel excavation.
Key words：rock mechanics；underground cases；columnar jointed basalt；failure mode；countermeasures
收稿日期：2015–01–05；修回日期：2015–04–20
基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY13E090003)；国家自然科学基金资助项目(51409265)
Supported by Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(Grant No. LY13E090003) and National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51409265)
作者简介：倪绍虎(1982–) ，男，2010年于武汉大学水利水电工程专业获博士学位，现任高级工程师，主要从事地下洞室稳定控制及裂隙岩体渗流控制方面的研究工作。E-mail ：[email protected] DOI ：10.13722/j.cnki.jrme.2015.0006
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3065 •
1 引 言
柱状节理是玄武岩中较为常见的原生破裂构造，多见于厚层火山熔岩中，将岩体切割成一种比较规则的多边形长柱体。世界范围内火山喷发过程后形成的玄武岩柱体景观比较多见，在一些岩土工程中也有出现。
国内外对柱状节理玄武岩的成因及工程地质特性较早开展了调查研究工作，研究成果主要集中在其特点、组构及成因机制等方面。L. H. Kantha等[1-4]对柱状节理玄武岩的形成原因、形成过程及形成机制进行了研究。L. Goehing和S. W. Morris[5]通过对美国华盛顿和俄勒冈洲的哥伦比亚河组玄武岩的系统调查，对柱状节理玄武岩的柱体尺度、形态特征、纹理进行了统计分析和经验表达。然而柱状节理玄武岩对岩土工程的影响和工程特性，早期相关报道及研究成果并不多见。近年来随着我国水利水电建设的快速发展和尤其是西部水电大力开发，在我国西南已建、在建或拟建的水利水电工程中，多个工程揭露柱状节理玄武岩[6]，少部分大型水电站工程区域较大范围发育柱状节理，对其工程特性和对工程的影响越来越引起设计者和研究人员的关注，并开展了一些较为系统的理论和试验研究工作。
石安池等通过工程地质调查及现场试验，系统研究了白鹤滩水电站柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。孟国涛等
[8-12]
[7]
研究了柱状节理结构面特征及隧洞卸荷破坏机制。肖维民等[18]采用模型试验方法，研究了单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性特性。刘欣宇等[19]在实验室中进行相似材料的模型试验，考虑不同高径比及充填节理特征等对岩石强度变形特性等的影响，对充填柱状节理类岩石材料及其力学性质进行了试验研究。上述研究成果大多基于数值计算、理论分析方法，对柱状节理的力学特性进行了较为系统的研究，但结合实际工程开挖过程所揭示现象对破坏特征、卸荷松弛机制及其工程措施等方面系统论述比较少。
本文以地下洞室中柱状节理玄武岩为研究对象，在已有研究成果的基础上，基于大量现场开挖揭示现象、监测、检测成果及数值分析，对柱状节理岩体的开挖响应特征、破坏模式、破坏机制进行了深入分析和总结，基于此，总结提出合理有效的工程处理措施和对策，实现复杂地质条件下的围岩稳定控制，并在实际工程中得以充分验证。
2 柱状节理玄武岩工程特性及成因
金沙江白鹤滩水电站坝区为中山峡谷地貌，工程区域主要出露峨眉山玄武岩，岩层产状为N35°～55°E ，SE ∠15°～18°。工程区域分布多层柱状节理玄武岩，其中最为典型的柱状节理玄武岩为第一类柱状节理玄武岩，柱体轮廓较明显，但不规则，柱面切割不完全，呈尖棱状、倒锥状，长度一般2～3 m，柱体直径13～25 cm，倾伏角70°～85°，如图1所示。岩石呈灰黑色，其内微裂隙发育，无规律，相互咬合，未完全切断，裂面无充填，紧密接触。截面以不规则五边形和四边形为主，四边形和五边形各占近一半比例，剩余为少量六边形，柱体截面形状统计见图2，柱面平直粗糙，典型柱体截面如图3[7]所示。柱体内近平行柱面纵向微裂隙发育，
通过离散元数值模拟方法，从数值分析角
[13]
度对柱状节理的尺寸效应、各向异性特性、原位变形试验特性等开展了大量研究工作。朱珍德等
采
用Cosserat 理论和Goodman 当量叠加原理，建立了柱状节理岩体的Cosserat 各向异性本构模型，并基于FLAC
3D
对柱状节理岩体的各向异性特性进行了
研究。朱道建等[14-15]通过构建复合型多弱面本构模型进行数值分析，对柱状节理岩体的各向异性特性、尺寸效应、开挖卸荷效应及破裂区分布规律等进行了研究。徐卫亚等[6]对国内外涉及柱状节理岩体工程问题的水利水电工程进行了较为全面的统计，在现场勘测和测试结果基础上，提出了柱状节理岩体的分类方法。江 权等[16]通过现场调查统计、电镜扫描、原位声波测试、单轴压缩试验及点荷载试验研究了柱状节理玄武岩的各向异性特性，分析了其开挖卸荷的“结构–应力”控制型破坏模式及表现
图1 柱状节理玄武岩在勘探平硐中揭露形象 Fig.1 Photography of columnar jointed basalt in an adit
形式。郝宪杰等[17]通过电镜扫描实验从微细观角度
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47.33%
4.00%
48.67%
四边形
五边形
六边形
缩理论具备了较为系统的理论分析及实验再现，目前运用比较多并逐渐得到认可。
冷却收缩理论认为，柱状节理为较为均质的岩浆在冷凝过程中形成，岩浆冷却收缩是柱状节理形成的主要原因。这与河塘干涸，引起淤泥表层脱水
收缩形成龟裂，十分相似，如图4所示。G . Müller等[2
，9]
图2 典型柱状节理柱体截面形状百分比分布 Fig.2 Distribution of cross section shape of typical columnar
jointed basalt
通过不同比例的面粉与水混合，形成黏稠状
混合物，再让其风干，形成了类似柱状节理的长条状柱体，以此来解释柱状节理的冷却收缩机制。
图4 河塘干涸引起淤泥表层脱水收缩龟裂形态 Fig.4 The crevasse crack phenomenon of silt in pond because
of drying and deprivation of water
图3 勘探平硐中的典型柱状节理玄武岩柱体截面
[7]
岩浆喷出地表或侵入岩层后，温度逐渐降低，而均匀冷却收缩。岩浆冷却时内外温差形成等温面，形成冷却收缩中心和沿收缩方向的张力，岩石开裂形成柱体[20-21]，如图5所示。理想均质的熔岩各方向产生同等程度的收缩，形成六边形断面的柱体，收缩裂隙垂直于熔岩体的冷却面[20-21]，形成过程如图6所示。由于岩浆的非均质性和岩浆流动方向多
火山口
岩流①
②
①
①
②
岩流
Fig.3 The geological sketch of columnar jointed basalt[7]
长度0.5～2.0 m，裂隙面光滑，横向微裂隙短小，发育于柱体内。
室内试验分析成果表明，柱状节理玄武岩岩石(岩块) 本身是十分坚硬致密的岩石，微新条件岩块天然密度平均为2.87 g/cm，颗粒密度平均为2.93 g/cm3，孔隙率平均为2.01%，自然状态下单轴抗压强度平均在100 MPa以上，弹性模量平均在50 GPa以上，岩块强度高，属脆性硬岩。包含各类结构面的第一类柱状节理岩体，微新无卸荷状态下的物理力学特性为：容重为27～28 kN/m3，水平向变形模量为9～11 GPa，铅直向变形模量为7～9 GPa，泊松比为0.24～0.26，黏聚力为1.0～1.2 MPa，内摩擦角为45°～50.2°。实际工程中，包含各类结构面的节理岩体表现出较为复杂的工程特性，受岩体内柱状节理、微裂隙、隐节理等结构面及水平向构造应力为主的应力场影响，开挖卸荷易松弛。
火山岩柱状节理构造的形成是一个较为复杂的过程，自20世纪80年代以来，国内外学者开始采用非平衡态统计理论来研究地质中的自组织现象，对柱状节理的成因特别是冷却中心的确定有了新的认识，出现了冷却收缩、力学旋回、Benard 对流模
3
③③
岩浆冷却等温面 柱状节理面方向
①—垂直柱状节理；②—倾斜柱状节理；③—平行柱状节理
图5 柱状节理玄武岩形成与冷却等温面 Fig.5 The relationship between columnar jointed basalt
formation and cooling isothermal surfaces
岩浆喷发形成熔岩流
冷却收缩
形成柱状节理
图6 岩浆冷却收缩形成柱状节理过程示意图
Fig.6 The schematic diagram of magma cooling and resulting
columnar jointed basalt
型、双扩散对流等多种新的成因理论，其中冷却收
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3067 •
变性，并且外界温度变化异常，难以形成绝对均匀对称的收缩力，从而形成三角形、四边形、五边形、六边形等多种形状组合的柱体断面。
通过对白鹤滩水电站坝址区玄武岩样品硅酸盐全分析和稀土元素数据处理得知，该区域玄武岩属于大陆裂谷环境，是攀西裂谷宁静式溢流喷发的产物[22]。通过对柱状节理柱体长度、柱体直径的野外调查统计研究，柱状节理发育大多不太规则，柱体纵横比不大，柱体上下化学成分的梯度变化较小，均不符合双扩散对流作用形成的柱体结构。柱状节理的起伏粗糙、局部弯曲特点以及坝区岩浆的化学成分、黏度及温度环境，均符合冷却收缩理论，综合判断认为工程区域的柱状节理玄武岩为岩浆冷却收缩作用形成。
图7 原始自然边坡出露柱状节理玄武岩的卸荷松弛形象 Fig.7 The unloading and relaxation phenomenon of columnar
jointed basalt on original and natural slope
3 柱状节理玄武岩开挖响应特征及破坏模式
勘探平硐、交通洞、施工支洞等前期辅助洞室开挖过程中，多条隧洞揭露了柱状节理玄武岩，揭示了各种不同的开挖响应特征及破坏模式。从现场揭露现象看，总结起来，柱状节理岩体开挖后主要表现为卸荷松弛、应力型解体2种较为典型的破坏模式，前者主要属于卸荷变形问题，后者主要属于应力型问题。
3.1 卸荷松弛破坏模式
(1) 破坏模式及松弛特征
在未受扰动影响的情况下，柱状节理玄武岩岩石坚硬，柱体镶嵌紧密，岩体强度较高。但开挖后卸荷易松弛，给地下洞室围岩稳定来带不利影响。卸荷松弛是柱状节理岩体最为显著的特征，如图7所示，原始自然边坡柱状节理玄武岩长期暴露，在长期卸荷风化作用下，松散掉块，松弛特征明显。如图8所示，地下洞室开挖后，洞周应力调整，柱
图8 隧洞开挖后柱状节理玄武岩的局部卸荷松弛形象 Fig.8 The unloading and relaxation phenomenon of columnar
jointed basalt in tunnel
状节理玄武岩出现浅层松弛，若支护不及时或支护力不足，松弛向深部进一步扩展，则可能发生局部坍塌破坏。
根据现场开挖揭示情况及监测、监测数据分析，笔者描述了隧洞中柱状节理玄武岩的卸荷松弛发展演化过程，如图9所示。由于开挖过程的爆破扰动及应力卸荷，开挖后洞周表层节理面微破裂、隐节理张开在很短时间(数小时内) 发生，此时表现为微、
图9 柱状节理玄武岩的卸荷松弛发展演化过程
Fig.9 The processes of development and evolution of unloading and relaxation phenomenon of columnar jointed basalt in tunnel
• 3068 • 岩石力学与工程学报 2016年
细观破坏特征，随着洞周卸荷应力调整及微破裂的不断累积，在较短时间内即发展为浅层节理面张开和洞周变形(约1周以内，前3 d内发展最快) ，表现出浅层变形松弛宏观特征，若支护不及时或支护力不足，宏观现象不断累积最终演变成表层宏观破裂、深层松弛扩展。因此对于柱状节理玄武岩，支护及时性十分关键，需在浅层发生变形松弛前即完成系统支护，防止出现宏观破裂和深层松弛扩展。
柱状节理玄武岩卸荷松弛还具有一个十分显著的特征，即与不连续结构面组合，卸荷松弛显著加剧，围岩稳定性明显恶化。主要原因是经不连续结构面切割，原本镶嵌致密的结构被破坏，其自稳能力明显降低，局部稳定性较差，更易松弛坍塌，如图10所示。因此，对于图9中卸荷松弛发展演化过程，有层内错动带、断层、长大裂隙等不利地质构造组合影响时，柱状节理岩体的卸荷松弛更快，从微、细观特征转变到宏观特征的时间也会更短，围岩自稳时间缩短，因此更应保证支护及时性和有效性。
施工支洞导流洞中导洞
宽一般0～1 cm，局部1.5 cm
裂缝
图11 施工支洞交叉口柱状节理岩体卸荷松弛发展过程 Fig.11 The relaxation developing process of columnar jointed
basalt at the crossroads of two adits
声波测试成果表明，洞室开挖卸荷应力调整，柱状节理玄武岩应力调整过程较长，在较长时间内卸荷松弛会有所发展，开挖后前期松弛较快，开挖完成一段时间后逐渐趋缓，如图12所示。图中监测断面1未受分层开挖影响，初喷和系统锚杆支护均比较及时，松弛深度与时间在前期基本呈近似对数关系，系统支护后松弛发展明显趋于平缓，并最终逐渐趋于稳定。监测断面2初喷和系统锚杆明显滞后，松弛发展速度比监测断面1明显要快，在初喷、系统锚杆支护后逐渐放缓，但最终的松弛深度已发展到较深部，期间受下一层开挖扰动影响，松弛深度有明显发展，发生突变，但总的来说松弛深度与时间规律也基本近似对数关系。
层内错动带
图10 柱状节理玄武岩结构面组合型松弛坍塌破坏形象 Fig.10 The relaxation collapse image of columnar jointed
basalt cut by structure in tunnel
(2) 时间效应
如图9所示，前期地下洞室开挖揭示现象表明，洞室开挖后柱状节理岩体的卸荷松弛是渐进性的，从开挖到失稳是一个复杂的演变过程，表现出明显的时间效应特征。
图11为2条施工支洞交叉口部位，揭示了柱状节理玄武岩从卸荷松弛至最终局部坍塌的发展变化过程。刚开挖完成洞室交叉口围岩稳定，喷锚支护后初期喷层局部开裂，较短时间内开裂加剧，较长时间后出现局松弛部坍塌。洞室开挖后，洞周表层卸荷松弛较快，随着围压增加，较深部围岩的卸荷松弛程度逐渐降低，但随着洞周应力不断调整，卸荷松弛不断向深部扩展，因此卸荷松弛深度随时间是不断变化的，从最初的微细观现象不断演变为宏观破坏特征。
图12 柱状节理岩体卸荷松弛声波测试
Fig.12 The acoustic test results of relaxation in columnar
jointed basalt
由此可以看出，及时有效系统支护的条件下，松弛深度与时间在松弛前期基本呈近似对数关系发展，但后期逐渐平稳收敛，卸荷松弛时间效应如图13所示(图中所示为20 m级跨度、15～20 MPa地应力水平、及时支护的隧洞洞段) 。隧洞受爆破开挖扰动影响，爆破后即形成d 0的松弛深度，在不受下层开挖影响，开挖后至t 1较短时间内(本隧洞约3 d内) 松弛发展最快，近似呈线性剧增，至t 2较长一段时间内(本洞段约7 d)发展略微缓和，但增长仍
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图14 卸荷松弛深度与洞室跨度的相关关系
图13 柱状节理岩体卸荷松弛时间效应示意图 Fig.13 The schematic diagram of time effect of relaxation in
columnar jointed basalt
Fig.14 Relationship between relaxation depth and tunnel span
然较快，若及时系统支护条件下，后逐渐缓和并最终趋于稳定，若支护明显滞后，较长一段时间内松弛深度仍然会持续发展，直至发生宏观破裂、深层扩展、松弛坍塌。因此及时支护十分关键，可有效控制早期节理张开和卸荷松弛深度，并有效抑制卸荷松弛向深部扩展。
需要说明的是，柱状节理玄武岩卸荷松弛的时间效应特征与洞室规模(跨度、高度) 、地应力方向及水平、支护强度及支护时机等多种因素息息相关。洞室跨度越小(如跨度小于10 m)，地应力水平越低(如地应力水平低于5 MPa)，支护越及时的洞室，柱状节理卸荷松弛的时效特征越不明显，松弛主要发生在很短时间内，后续不再发展。洞室跨度越大、地应力水平越高，支护越滞后的洞室，柱状节理卸荷松弛的时效特征表现得越明显，早期卸荷松弛发展较快，后逐渐趋于缓和但仍然不断发展，数月后松弛程度仍可能发生变化。
(3) 空间效应
不同规模、不同跨度洞室的开挖揭示现象表明，柱状节理发育的地下洞室开挖过程中，其卸荷松弛程度与洞室尺寸、跨度、高度有一定关联，表现出较为明显的空间效应特征。笔者统计了包含勘探平硐、交通洞、施工支洞、试验洞及导流隧洞等多个前期辅助洞室，分析了开挖过程中不同跨度、尺寸洞室的柱状节理岩体卸荷松弛深度实测数据信息，如图14～16所示，分别统计了卸荷松弛深度与洞室跨度、洞室断面面积及洞室开挖高度的相关关系。
由图14，15可知，隧洞跨度/断面积较小时，
图16 卸荷松弛深度与洞室开挖高度的相关关系 Fig.16 Relationship between relaxation depth and tunnel
height
图15 卸荷松弛深度与洞室断面面积的相关关系 Fig.15 Relationship between relaxation depth and sectional
area of tunnel
和松弛范围分布较为均匀，洞室顶拱、拱肩、边墙的卸荷松弛深度均不大，且松弛深度基本相当。洞室跨度/断面积达到一定量级时，顶拱和拱肩的松弛深度有一定变化，但变化不大，而边墙卸荷松弛深度会明显增大，出现突变，空间效应较为显著，表现出松弛深度与跨度和断面面积的非线性特征。
图16选择从开挖分层至开挖完成各阶段松弛深度测试数据比较完备的洞室进行分析，隧洞为城门洞型，跨度为6.5 m，分3层开挖，开挖层高分别为4，4，5 m。可以看出，随着洞室开挖高度的增加，顶拱和拱肩的松弛深度有缓慢增长，增幅不
卸荷松弛深度的空间效应并不明显，洞周松弛深度
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大，但随着边墙高度增加，边墙卸荷松弛深度增长较快，也是柱状节理岩体卸荷松弛空间效应的一个体现。
本工程的柱状节理为陡倾角发育，洞室开挖后形成拱效应，洞周切向应力(大主应力) 增加，顶拱及拱肩柱体被压密，而边墙柱体则由于围压解除及内鼓变形，柱体沿轴向受压，垂直于轴向受拉，因此顶拱、拱肩及边墙部位表现出不同的卸荷松弛特征，其空间效应也不尽一致，陡倾角柱体使得边墙卸荷松弛的空间效应更明显，详见下文分析内容。
需要特别说明的是，柱状节理岩体卸荷松弛特征与柱体的空间分布形态、应力赋存环境、支护时机、施工方法等均有较大关系，即使洞室尺寸相同，不同条件下的松弛特性也是不同的，多种因素影响下建立松弛深度与洞室尺寸的绝对对应关系十分复杂。图14～16中所统计的各洞室有其特定环境条件，仅为定性分析卸荷松弛的空间效应，而具体松弛深度的量值不能作为参考依据。 3.2 应力型解体破坏模式
柱状节理岩体由于其内部原生节理、隐节理、微裂隙及层内错动带较为发育，相比一般完整岩体，完整性略差，能量不易聚集，利于应力释放。因此，同等埋深和构造应力条件下，相比一般完整岩体的应力水平略低，实际地下洞室开挖过程中也表明应力型片帮破坏程度要弱得多。然而当埋深较大，应力水平达到一定程度时，与一般完整岩体类似，柱状节理岩体同样会发生应力型破坏。
图17为隧洞柱状节理发育洞段的顶拱应力型破坏，隧洞跨度、高度均为20 m级，埋深300～500 m。由于隧洞应力水平属中偏高等，前期应力型解体破坏并不十分普遍，仅在局部应力较高洞段有所表现。应力型破坏主要表现为局部片帮剥落、柱体解体，片帮深度为0.2～0.5 m。
(b) 洞室左侧拱肩
图17 柱状节理玄武岩片帮破坏形象
Fig.17 The spalling failure of columnar jointed basalt in tunnel
4 柱状节理玄武岩破坏机制
4.1 卸荷松弛破坏机制
洞室开挖卸荷应力调整，导致洞周切向应力剧增，径向应力消失，洞周围岩的围压显著降低。对于脆性硬岩，初始应力水平较高时，洞周围压解除，容易引起高应力片帮破坏，其实质是岩体内部由于应力偏张量过大，发生轴向劈裂，如图18[23]所示。
σ1/σc
σ3/σc
图18 硬岩强度包络线及破坏模式示意图[23] Fig.18 Schematic of failure envelope for brittle failure and
rock mass failure mechanisms[23]
对于同为脆性硬岩的柱状节理玄武岩，原生节理(柱状节理) 发育，使得围岩更容易发生剪切、轴向开裂，出现明显松弛，节理面高陡倾角及低围压特征，加剧了柱状节理岩体的卸荷松弛程度。洞周围岩应力变化及变形引起柱状节理岩体柱体间节理
面张开，表现出较为明显的张性破坏特征，如图19所示。卸荷松弛机制如图20所示，在具备一定围压
的条件下(见图20(a))，柱状节理岩体表现为沿结构面的剪切破坏，接近洞壁围压很低或不存在的条件下
(a) 洞室顶拱
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缓倾角
隐节理
变形/cm
02468
隧洞
(a) 计算模型 (b) 变形分布
10
图19 洞室边墙浅层柱状节理岩体松弛张性特征 Fig.19 Photography of tensile failure of columnar jointed
basalt near tunnel wall
σ1
σ1
塑性区塑性区
张裂隙5～6 m
20 m
5～6 m
(c) 塑性区分布 (d) 张裂隙分布
柱体
图21 柱状节理发育地下洞室开挖响应特征
σ3
柱体
σ3 开挖轮廊
Fig.21 The excavation response ，unloading and relaxation of
理发育洞段的洞轴线方向近NS 向，埋深约500 m，该洞段隧洞围岩稳定性主要受中间主应力和最小主
σ1
columnar jointed basalt in tunnel
σ1
应力控制，计算模型区域地应力分布为σ1= 25.4 MPa ，σ2= 20.9 MPa，σ3= 14 MPa。
表1 柱状节理玄武岩岩体参数取值
(a) 沿节理面剪切破坏 (b) 压致拉破坏
图20 柱状节理岩体卸荷松弛破坏机制示意图 Fig.20 Schematic of relaxation and failure mechanisms in
columnar jointed basalt
变形模量/GPa
Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass
泊松
比
黏聚力/MPa 1.1
内摩擦 角/(°) 47.7
容重/
－
(kN・m 3) 27.5
单轴抗压强度/MPa
80
(见图20(b))，柱体压致拉，柱状节理岩体表现为明显的张性破坏。
本文所述柱状节理岩体的柱体为陡倾角分布，加之洞室开挖后洞周切向应力剧增，法向应力降低，边墙为应力松弛区，因此洞室顶拱柱体垂直于柱体轴向加载，柱体间受挤压作用，而边墙柱体平行于柱体轴向加载，低围压条件下柱体呈张性特征，更容易松弛开裂。因此卸荷松弛破坏模式主要发生在城门洞型隧洞边墙部位，是目前柱状节理发育的地下洞室中最为主要和普遍的破坏模式。
基于上述卸荷松弛破坏模式和破坏机制，采用二维离散元数值分析软件UDEC ，对地下洞室中柱状节理的开挖卸荷松弛特性进行了模拟再现，模型中考虑了柱体间的致密镶嵌结构，如图21所示。柱状节理岩体、断层及节理面参数采用前期导流隧洞施工开挖期监测反演分析成果，计算模型中各参数取值见表1，2。工程区域以水平向应力为主，最大主应力近NS 向，最小主应力近铅直向，隧洞柱状节
10/8 0.25
表2 断层及柱状节理面参数取值
Table 2 Physico-mechanical parameters of structure and joint
类别 断层 柱状节理面
法向刚度/GPa 2
剪切刚度/ GPa
1
黏聚力/ MPa 0.13
内摩擦 角/(°) 28.8
100 50 0.40 50.0
在图21中所示应力环境和柱体分布条件下，城门洞型洞室边墙部位变形最大，开挖面一定范围内出现拉裂破坏区，柱体间节理出现不同程度张开，离开挖面越近张开越明显，远离开挖面越轻微，并逐渐向原未扰动岩体过渡。边墙中部洞周表面浅层柱体局部发生掉块，由于柱体的空间分布特征，洞室两侧的变形和破坏表现出较为明显的不对称性和差异性，顺倾向一侧边墙柱体表现为顺层滑移，而反倾向一侧边墙柱体则表现为倾倒变形，现象揭示破坏现象如图22所示，一定程度上体现了这种不对称破坏特征。
• 3072 • 岩石力学与工程学报 2016年
反倾向柱
面张开
反倾节理 面张开
顺倾向张 开、滑移
隧洞拱脚结构面导致下盘柱体松弛加剧，局部坍塌
隧洞边墙结构面导致边墙柱体松弛加剧，局部松散解体
(a) (b)
(a) (b)
图24 不连续结构面切割柱状节理岩体的破坏形象 Fig.24 The relaxation collapse image of columnar jointed
basalt cut by structure in tunnel
图22 柱状节理发育地下洞室两侧边墙破坏模式 Fig.22 The failure modes of columnar jointed basalt in tunnel
图23为柱状节理岩体受层内错动带、小断层、裂隙等不连续结构面切割时的破坏特征。由于柱状节理岩体内不连续构造较为发育，被这些不连续构造切割时，原有的致密镶嵌结构和整体性被破坏，柱体间相互镶嵌咬合的作用被削弱，因此柱状节理岩体的卸荷松弛特征表现得更为明显，尤其是结构面下盘的柱状节理岩体自稳能力较差，易发生局部范围坍塌，现场揭示破坏现象如图24所示，与数值计算规律基本一致，受不连续结构面切割的柱状节理岩体洞段需加强并及时支护。
柱状节理
缓倾角结构面
2～3 m
下盘柱体裂隙 张开松弛加剧
5～6 m
4.2 应力型解体破坏机制
应力水平较高时，柱体受压，柱体镶嵌紧密，柱体间节理面闭合，内部微裂隙在高应力作用下发生开裂或裂隙扩展，表现为局部片帮剥落，或局部解体坍塌，主要发生在洞室顶拱或拱肩部位，如图25所示。
柱体柱体
节理微裂隙
图25 柱状节理玄武岩洞室顶拱片帮破坏机制
Fig.25 The spilling mechanism of columnar jointed basalt on
倾
倒变形
滑6～7 m 移变形
(a)
tunnel roof
应力型解体破坏模式主要与2个方面因素有关：
(1) 应力水平：由于柱状节理发育，不利于岩
缓倾角 结构面
柱状节理
体的能量储存，应力水平不高时，洞室开挖后顶拱及拱肩切向应力集中，对陡倾角柱体起到压密作用，柱体更不易松弛，对洞室围岩稳定总体有利。然而当应力水平足够高时，洞室开挖后应力集中可能导致围岩发生片帮破坏，局部柱体解体，应力水平在此种破坏模式中起控制作用。现场开挖揭示的应力型破坏现象中，如图17中的柱体解体，与洞室开挖后应力有较紧密的对应关系，如图26所示。
(2) 垂直于柱面的横向微裂隙：除普遍发育的
20 m
5～6 m
结构面切割
松弛加剧柱 体滑移
7～8 m
(b)
柱状节理外，柱状节理岩体的柱体内还发育众多原生微裂隙，包括平行于柱状节理面的纵向微裂隙和垂直于柱面的横向微裂隙。这些原生微裂隙一般延伸不长，且主要是在柱体内，一般表现为隐性，只
图23 不连续结构面切割柱状节理岩体的张裂隙分布 Fig.23 The relaxation collapse image of columnar jointed
basalt cut by structure in tunnel
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3073 •
[1**********]
(a)
0714212835
5.1 支护手段
由柱状节理岩体卸荷松弛时间效应可知，不同于一般完整岩体，洞室开挖后应力调整，柱状节理岩体初期卸荷松弛发展较快，采取针对性支护措施较为关键。
(1) 支护措施：洞室开挖后系统支护需要一定时间，为尽可能保证支护及时性，有效控制柱状节理岩体的初期松弛变形，开挖后首先进行混凝土初期喷护封闭，并保证一定喷护厚度，防止表层松弛掉块，及时提供围压，抑制卸荷松弛进一步扩展。为提高初喷的强度和韧性，初期喷护可采用纳米纤维或钢纤维混凝土。采用预应力锚杆快速系统支护，挂网二次喷护，锚杆与喷层共同作用发挥“群锚”效应，可有效提高洞周围压，改善洞室开挖后洞周围岩应力环境和稳定性。对于柱状节理玄武岩的围岩稳定控制，最为关键的是及时主动支护措施。对于规模较大分层开挖的洞室，下一层开挖前，上一层底部两侧进行预应力锁腰支护加强，以利于下一
(b)
42
层爆破开挖扰动及较高边墙形成的过程中对边墙部位卸荷松弛的有效控制。
(2) 支护时机：由于柱状节理卸荷松弛具有明显的时间效应，其松弛破坏是渐进性的，松弛和变形也是不可逆的，因此支护时机对控制卸荷松弛和围岩稳定至关重要，开挖后及时支护是关键。采用先初喷封闭，再系统锚杆支护，最后挂网二次喷护的支护手段，即为支护及时性的合理体现。及时初喷封闭虽可一定程度降低柱状节理岩体的卸荷松弛，但提供围压比较有限，必须通过及时系统支护提供有效支护力，采用预应力锚杆等主动支护措施，并通过挂网和二次喷护发挥喷层与锚杆联合支护的“群锚”作用，有效提高洞周围压，减小卸荷松弛深度并抑制卸荷松弛向深部扩展。
一般要求爆破出渣后立即初喷封闭，系统预应力锚杆尽可能保证在图13中的t 1时间段内实施，不应滞后于t 2，挂网复喷应控制在t 2时间段内实施完毕，洞室规模、应力环境不同，t 1，t 2略有差异，根据隧洞现场实际监测、检测成果确定。若遇到不连续结构面切割时，更要求保证系统支护的及时性，紧跟掌子面，做到一炮一支护。
针对卸荷松弛空间效应，规模较大的洞室通常采用分层开挖，下一层爆破开挖前，必须实施完成上一层的所有系统支护措施，从而降低爆破扰动对洞室卸荷松弛的影响。 5.2 施工方法
由于柱状节理玄武岩卸荷松弛的时间效应、空
图26 图17中隧洞洞周应力分布(单位：MPa) Fig.26 Distribution of
the maximum principal stress around
the tunnel in Fig.17(unit：MPa)
是在受到构造改造和表生改造时才会显现张开，对岩体的完整性有一定影响，如图25所示。缓倾角近水平向大主应力作用下，洞室开挖后顶拱切向应力集中，洞壁浅层围压较低，横向微裂隙加剧了片帮破坏和柱体解体，对片帮破坏有较为明显的影响。
应力水平不高，且无不连续结构面发育时，柱状节理岩体开挖后并未明显表现出应力型解体破坏，此种破坏模式主要发生在地应力水平相对较高的洞室中，破坏过程和程度主要受上述2种因素组合控制，高应力在破坏中起主导作用，而柱体内部的微裂隙则是应力型解体破坏的诱因。
5 工程对策
由于柱状节理玄武岩具有卸荷易松弛特性，对地下洞室的围岩稳定性有较明显影响，设计、施工过程中需引起重视，并采取合理可行的施工方法和支护措施，保证地下洞室的围岩稳定性。结合本文所述的开挖响应特征、破坏模式、破坏机制、影响因素和规律等，从施工方法、支护手段方面探讨柱状节理玄武岩合理的开挖支护措施。
• 3074 • 岩石力学与工程学报 2016年
间效应明显，开挖方案和爆破控制对其稳定影响同样重要。
(1) 开挖方案：变形、应力、声波等观测或检测结果表明，不同的开挖分层应力调整幅度有明显差异，开挖分层的单层厚度、单层进尺、单层断面面积对柱状节理卸荷松弛有较大影响。单层开挖厚度越大、开挖进尺越大、断面面积越大，均会导致卸荷松弛深度变大，尤其是边墙下卧过程中，下层开挖对上层边墙卸荷松弛影响明显。因此，开挖方案设计时，需充分考虑这些特点，具体措施包括多分层(如控制单层开挖高度) 、短进尺(如控制掘进循环进尺) 、多分幅开挖(如先中导洞后左右半幅扩挖或分两半幅开挖) 。
(2) 爆破控制：由于柱状节理玄武岩内部节理、微裂隙、隐节理发育的特点，传统意义上的岩体完整性相对较差，开挖爆破对其卸荷松弛影响同样较为明显，因此爆破控制也是控制柱状节理岩体卸荷松弛的重要方面。爆破控制主要体现在以下几个方面：
① 弱爆破。高能炸药的爆炸波和高压膨胀气体可使柱面节理和隐节理张开，对离开挖面一定范围内的柱状节理岩体带来损伤。因此需控制爆破总装药量和最大单响药量，多分层、短进尺、多分幅的开挖方式也是控制爆破的部分体现；
② 预裂爆破或光面爆破。预裂爆破的贯穿裂缝，可以缓冲、反射开挖爆破的震动波，可有效降低爆炸震动波和爆炸气体对保留岩体的扰动影响。但预裂时间不宜太长，否则超前预裂后约束解除，若较长时间无法支护，同样会发生明显的卸荷松弛。光面爆破能有效控制周边孔炸药的爆破作用，减少对保留围岩的扰动，保护开挖面岩体的稳定性和有利于施工安全，是柱状节理玄武岩内优先推荐采用的开挖爆破方式；
③ 预留保护层。通过使保留岩体远离爆破区，预留保护层可有效降低爆破对保留岩体的扰动影响，从而减小因爆破扰动引起的柱状节理岩体卸荷松弛程度，即有效控制爆破损伤或松弛。但值得注意的是，预留保护层厚度有限，对保留岩体的围压作用有限，其开挖不宜太晚，否则松弛仍然向保留岩体内扩展，影响后期保留岩体的稳定性。
通过上述支护手段和施工方法，同时结合各种合理有效的监测、检测手段对柱状节理玄武岩卸荷松弛控制、加强监控、警戒，本工程前期辅助地下洞室开挖过程中，柱状节理玄武岩的卸荷松弛得以有效控制，很好地保证了复杂地质条件下地下洞室
的围岩稳定性。
6 结 论
本文基于柱状节理玄武岩的工程特性、成因及实际工程中的开挖揭示现象，对其开挖响应特征、破坏模式、破坏机制及工程对策进行了分析总结。旨在探讨柱状节理岩体对地下洞室围岩稳定的影响及稳定控制工程对策，为柱状节理发育地下洞室的开挖、支护设计提供参考。主要得到以下结论：
(1) 柱状节理玄武岩开挖后卸荷易松弛，主要表现为卸荷松弛、应力型解体2种典型破坏模式。其破坏机制与洞室开挖体形、柱状节理岩体的内部结构、柱体空间分布形态、应力赋存环境及不连续结构面等多种条件息息相关，不同条件组合会导致不同的破坏模式。
(2) 卸荷松弛是柱状节理岩体的主要破坏模式，尤其是和不连续结构面组合，稳定性显著变差，更易松弛坍塌。卸荷松弛具有明显的时间效应和空间效应特征，是一种渐进性和不可逆的破坏过程。卸荷松弛时间效应在早起表现出明显近似对数发展的非线性特征，初期松弛发展快，逐渐趋缓，若保证支护及时性和有效支护力，最后逐渐稳定。卸荷松弛空间效应同样表现出明显的非线性特征，洞室尺寸较小时，松弛深度较小且空间效应不明显，到达一定尺寸时，空间效应较为明显，卸荷松弛深度急剧增大。
(3) 应力型解体是柱状节理岩体的破坏模式之一，主要受其内部的微裂隙、隐节理以及应力条件控制，当应力水平并不高时表现得并不明显，只有在应力水平达到一定量级时，才会有明显的应力型解体破坏出现。
(4) 支护手段和施工方法对控制柱状节理岩体卸荷松弛十分关键。多分层、短进尺、多分幅、弱爆破、预裂控制、早支护等措施，是针对柱状节理岩体开挖支护的合理有效手段，可有效控制其松弛深度，并抑制卸荷松弛逐步扩展，达到围岩稳定控制目的。
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第35卷 增1
岩石力学与工程学报 V ol.35 Supp.1
2016年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May ，2016
柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策
倪绍虎12，何世海1，陈益民12，潘益斌12，吕 慷1，杨 飞1，郑海圣1
，
，
，
(1. 中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，浙江 杭州 310014)
摘要：柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象，其地质成因独特，工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。通过分析地下洞室中柱状节理岩体的开挖响应特征和揭示现象，结合岩石力学理论和数值分析，对柱状节理玄武岩表现出的典型破坏模式及其破坏机制进行深入分析和总结。在此基础上，针对柱状节理玄武岩卸荷易松弛的特点，结合现场监测、检测数据等信息，总结提炼现场实施过程中有效的支护措施、支护时机、开挖方案、爆破控制等支护手段和施工方法，以有效控制围岩松弛变形和松弛向深部扩展，实现复杂条件下的地下洞室围岩稳定控制。
关键词：岩石力学；地下洞室；柱状节理玄武岩；破坏模式；工程对策
中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)增1–3064–12
The failure modes，failure mechanisms and countermeasures
of columnar jointed basalt rock mass
，，，
NI Shaohu12，HE Shihai1，CHEN Yimin12，PAN Yibing12，LU Kang1，YANG Fei1，ZHENG Haisheng1
(1. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou ，Zhejiang 310014，China ；2. Pumped Storage Engineering
Center of Zhejiang Province，Hangzhou ，Zhejiang 310014，China )
Abstract ：Columnar jointed rock mass is a geological endemism in volcanic rock area with special geological genesis. Its engineering characteristics and excavation responses are obviously different from that of common intact rock mass. In this work，according to the excavation responses and revealed phenomenon of columnar jointed basalt rock mass in tunnel，the typical failure modes and their failure mechanisms of columnar jointed basalt rock mass are studied and summarized，with rock mechanics theoretic analysis and numerical analysis. In addition ，based on the unloading and relaxation characteristics of columnar jointed basalt rock mass and in-situ monitoring and test data，the reasonable and feasible support methods and construction methods are discussed and proposed ，such as support measurements，support opportunity，excavation scheme， demolish control and so on. These proposed methods are good for controlling columnar jointed rock mass relaxation，deformation and relaxation spreading，so as to enhance the stability under complex geological conditions of underground space such as chamber，house ，tunnel and shaft and etc.. The effectiveness and reliability of above-mentioned research results are tested and verified during follow-up tunnel excavation.
Key words：rock mechanics；underground cases；columnar jointed basalt；failure mode；countermeasures
收稿日期：2015–01–05；修回日期：2015–04–20
基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY13E090003)；国家自然科学基金资助项目(51409265)
Supported by Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(Grant No. LY13E090003) and National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51409265)
作者简介：倪绍虎(1982–) ，男，2010年于武汉大学水利水电工程专业获博士学位，现任高级工程师，主要从事地下洞室稳定控制及裂隙岩体渗流控制方面的研究工作。E-mail ：[email protected] DOI ：10.13722/j.cnki.jrme.2015.0006
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3065 •
1 引 言
柱状节理是玄武岩中较为常见的原生破裂构造，多见于厚层火山熔岩中，将岩体切割成一种比较规则的多边形长柱体。世界范围内火山喷发过程后形成的玄武岩柱体景观比较多见，在一些岩土工程中也有出现。
国内外对柱状节理玄武岩的成因及工程地质特性较早开展了调查研究工作，研究成果主要集中在其特点、组构及成因机制等方面。L. H. Kantha等[1-4]对柱状节理玄武岩的形成原因、形成过程及形成机制进行了研究。L. Goehing和S. W. Morris[5]通过对美国华盛顿和俄勒冈洲的哥伦比亚河组玄武岩的系统调查，对柱状节理玄武岩的柱体尺度、形态特征、纹理进行了统计分析和经验表达。然而柱状节理玄武岩对岩土工程的影响和工程特性，早期相关报道及研究成果并不多见。近年来随着我国水利水电建设的快速发展和尤其是西部水电大力开发，在我国西南已建、在建或拟建的水利水电工程中，多个工程揭露柱状节理玄武岩[6]，少部分大型水电站工程区域较大范围发育柱状节理，对其工程特性和对工程的影响越来越引起设计者和研究人员的关注，并开展了一些较为系统的理论和试验研究工作。
石安池等通过工程地质调查及现场试验，系统研究了白鹤滩水电站柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。孟国涛等
[8-12]
[7]
研究了柱状节理结构面特征及隧洞卸荷破坏机制。肖维民等[18]采用模型试验方法，研究了单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性特性。刘欣宇等[19]在实验室中进行相似材料的模型试验，考虑不同高径比及充填节理特征等对岩石强度变形特性等的影响，对充填柱状节理类岩石材料及其力学性质进行了试验研究。上述研究成果大多基于数值计算、理论分析方法，对柱状节理的力学特性进行了较为系统的研究，但结合实际工程开挖过程所揭示现象对破坏特征、卸荷松弛机制及其工程措施等方面系统论述比较少。
本文以地下洞室中柱状节理玄武岩为研究对象，在已有研究成果的基础上，基于大量现场开挖揭示现象、监测、检测成果及数值分析，对柱状节理岩体的开挖响应特征、破坏模式、破坏机制进行了深入分析和总结，基于此，总结提出合理有效的工程处理措施和对策，实现复杂地质条件下的围岩稳定控制，并在实际工程中得以充分验证。
2 柱状节理玄武岩工程特性及成因
金沙江白鹤滩水电站坝区为中山峡谷地貌，工程区域主要出露峨眉山玄武岩，岩层产状为N35°～55°E ，SE ∠15°～18°。工程区域分布多层柱状节理玄武岩，其中最为典型的柱状节理玄武岩为第一类柱状节理玄武岩，柱体轮廓较明显，但不规则，柱面切割不完全，呈尖棱状、倒锥状，长度一般2～3 m，柱体直径13～25 cm，倾伏角70°～85°，如图1所示。岩石呈灰黑色，其内微裂隙发育，无规律，相互咬合，未完全切断，裂面无充填，紧密接触。截面以不规则五边形和四边形为主，四边形和五边形各占近一半比例，剩余为少量六边形，柱体截面形状统计见图2，柱面平直粗糙，典型柱体截面如图3[7]所示。柱体内近平行柱面纵向微裂隙发育，
通过离散元数值模拟方法，从数值分析角
[13]
度对柱状节理的尺寸效应、各向异性特性、原位变形试验特性等开展了大量研究工作。朱珍德等
采
用Cosserat 理论和Goodman 当量叠加原理，建立了柱状节理岩体的Cosserat 各向异性本构模型，并基于FLAC
3D
对柱状节理岩体的各向异性特性进行了
研究。朱道建等[14-15]通过构建复合型多弱面本构模型进行数值分析，对柱状节理岩体的各向异性特性、尺寸效应、开挖卸荷效应及破裂区分布规律等进行了研究。徐卫亚等[6]对国内外涉及柱状节理岩体工程问题的水利水电工程进行了较为全面的统计，在现场勘测和测试结果基础上，提出了柱状节理岩体的分类方法。江 权等[16]通过现场调查统计、电镜扫描、原位声波测试、单轴压缩试验及点荷载试验研究了柱状节理玄武岩的各向异性特性，分析了其开挖卸荷的“结构–应力”控制型破坏模式及表现
图1 柱状节理玄武岩在勘探平硐中揭露形象 Fig.1 Photography of columnar jointed basalt in an adit
形式。郝宪杰等[17]通过电镜扫描实验从微细观角度
• 3066 • 岩石力学与工程学报 2016年
47.33%
4.00%
48.67%
四边形
五边形
六边形
缩理论具备了较为系统的理论分析及实验再现，目前运用比较多并逐渐得到认可。
冷却收缩理论认为，柱状节理为较为均质的岩浆在冷凝过程中形成，岩浆冷却收缩是柱状节理形成的主要原因。这与河塘干涸，引起淤泥表层脱水
收缩形成龟裂，十分相似，如图4所示。G . Müller等[2
，9]
图2 典型柱状节理柱体截面形状百分比分布 Fig.2 Distribution of cross section shape of typical columnar
jointed basalt
通过不同比例的面粉与水混合，形成黏稠状
混合物，再让其风干，形成了类似柱状节理的长条状柱体，以此来解释柱状节理的冷却收缩机制。
图4 河塘干涸引起淤泥表层脱水收缩龟裂形态 Fig.4 The crevasse crack phenomenon of silt in pond because
of drying and deprivation of water
图3 勘探平硐中的典型柱状节理玄武岩柱体截面
[7]
岩浆喷出地表或侵入岩层后，温度逐渐降低，而均匀冷却收缩。岩浆冷却时内外温差形成等温面，形成冷却收缩中心和沿收缩方向的张力，岩石开裂形成柱体[20-21]，如图5所示。理想均质的熔岩各方向产生同等程度的收缩，形成六边形断面的柱体，收缩裂隙垂直于熔岩体的冷却面[20-21]，形成过程如图6所示。由于岩浆的非均质性和岩浆流动方向多
火山口
岩流①
②
①
①
②
岩流
Fig.3 The geological sketch of columnar jointed basalt[7]
长度0.5～2.0 m，裂隙面光滑，横向微裂隙短小，发育于柱体内。
室内试验分析成果表明，柱状节理玄武岩岩石(岩块) 本身是十分坚硬致密的岩石，微新条件岩块天然密度平均为2.87 g/cm，颗粒密度平均为2.93 g/cm3，孔隙率平均为2.01%，自然状态下单轴抗压强度平均在100 MPa以上，弹性模量平均在50 GPa以上，岩块强度高，属脆性硬岩。包含各类结构面的第一类柱状节理岩体，微新无卸荷状态下的物理力学特性为：容重为27～28 kN/m3，水平向变形模量为9～11 GPa，铅直向变形模量为7～9 GPa，泊松比为0.24～0.26，黏聚力为1.0～1.2 MPa，内摩擦角为45°～50.2°。实际工程中，包含各类结构面的节理岩体表现出较为复杂的工程特性，受岩体内柱状节理、微裂隙、隐节理等结构面及水平向构造应力为主的应力场影响，开挖卸荷易松弛。
火山岩柱状节理构造的形成是一个较为复杂的过程，自20世纪80年代以来，国内外学者开始采用非平衡态统计理论来研究地质中的自组织现象，对柱状节理的成因特别是冷却中心的确定有了新的认识，出现了冷却收缩、力学旋回、Benard 对流模
3
③③
岩浆冷却等温面 柱状节理面方向
①—垂直柱状节理；②—倾斜柱状节理；③—平行柱状节理
图5 柱状节理玄武岩形成与冷却等温面 Fig.5 The relationship between columnar jointed basalt
formation and cooling isothermal surfaces
岩浆喷发形成熔岩流
冷却收缩
形成柱状节理
图6 岩浆冷却收缩形成柱状节理过程示意图
Fig.6 The schematic diagram of magma cooling and resulting
columnar jointed basalt
型、双扩散对流等多种新的成因理论，其中冷却收
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3067 •
变性，并且外界温度变化异常，难以形成绝对均匀对称的收缩力，从而形成三角形、四边形、五边形、六边形等多种形状组合的柱体断面。
通过对白鹤滩水电站坝址区玄武岩样品硅酸盐全分析和稀土元素数据处理得知，该区域玄武岩属于大陆裂谷环境，是攀西裂谷宁静式溢流喷发的产物[22]。通过对柱状节理柱体长度、柱体直径的野外调查统计研究，柱状节理发育大多不太规则，柱体纵横比不大，柱体上下化学成分的梯度变化较小，均不符合双扩散对流作用形成的柱体结构。柱状节理的起伏粗糙、局部弯曲特点以及坝区岩浆的化学成分、黏度及温度环境，均符合冷却收缩理论，综合判断认为工程区域的柱状节理玄武岩为岩浆冷却收缩作用形成。
图7 原始自然边坡出露柱状节理玄武岩的卸荷松弛形象 Fig.7 The unloading and relaxation phenomenon of columnar
jointed basalt on original and natural slope
3 柱状节理玄武岩开挖响应特征及破坏模式
勘探平硐、交通洞、施工支洞等前期辅助洞室开挖过程中，多条隧洞揭露了柱状节理玄武岩，揭示了各种不同的开挖响应特征及破坏模式。从现场揭露现象看，总结起来，柱状节理岩体开挖后主要表现为卸荷松弛、应力型解体2种较为典型的破坏模式，前者主要属于卸荷变形问题，后者主要属于应力型问题。
3.1 卸荷松弛破坏模式
(1) 破坏模式及松弛特征
在未受扰动影响的情况下，柱状节理玄武岩岩石坚硬，柱体镶嵌紧密，岩体强度较高。但开挖后卸荷易松弛，给地下洞室围岩稳定来带不利影响。卸荷松弛是柱状节理岩体最为显著的特征，如图7所示，原始自然边坡柱状节理玄武岩长期暴露，在长期卸荷风化作用下，松散掉块，松弛特征明显。如图8所示，地下洞室开挖后，洞周应力调整，柱
图8 隧洞开挖后柱状节理玄武岩的局部卸荷松弛形象 Fig.8 The unloading and relaxation phenomenon of columnar
jointed basalt in tunnel
状节理玄武岩出现浅层松弛，若支护不及时或支护力不足，松弛向深部进一步扩展，则可能发生局部坍塌破坏。
根据现场开挖揭示情况及监测、监测数据分析，笔者描述了隧洞中柱状节理玄武岩的卸荷松弛发展演化过程，如图9所示。由于开挖过程的爆破扰动及应力卸荷，开挖后洞周表层节理面微破裂、隐节理张开在很短时间(数小时内) 发生，此时表现为微、
图9 柱状节理玄武岩的卸荷松弛发展演化过程
Fig.9 The processes of development and evolution of unloading and relaxation phenomenon of columnar jointed basalt in tunnel
• 3068 • 岩石力学与工程学报 2016年
细观破坏特征，随着洞周卸荷应力调整及微破裂的不断累积，在较短时间内即发展为浅层节理面张开和洞周变形(约1周以内，前3 d内发展最快) ，表现出浅层变形松弛宏观特征，若支护不及时或支护力不足，宏观现象不断累积最终演变成表层宏观破裂、深层松弛扩展。因此对于柱状节理玄武岩，支护及时性十分关键，需在浅层发生变形松弛前即完成系统支护，防止出现宏观破裂和深层松弛扩展。
柱状节理玄武岩卸荷松弛还具有一个十分显著的特征，即与不连续结构面组合，卸荷松弛显著加剧，围岩稳定性明显恶化。主要原因是经不连续结构面切割，原本镶嵌致密的结构被破坏，其自稳能力明显降低，局部稳定性较差，更易松弛坍塌，如图10所示。因此，对于图9中卸荷松弛发展演化过程，有层内错动带、断层、长大裂隙等不利地质构造组合影响时，柱状节理岩体的卸荷松弛更快，从微、细观特征转变到宏观特征的时间也会更短，围岩自稳时间缩短，因此更应保证支护及时性和有效性。
施工支洞导流洞中导洞
宽一般0～1 cm，局部1.5 cm
裂缝
图11 施工支洞交叉口柱状节理岩体卸荷松弛发展过程 Fig.11 The relaxation developing process of columnar jointed
basalt at the crossroads of two adits
声波测试成果表明，洞室开挖卸荷应力调整，柱状节理玄武岩应力调整过程较长，在较长时间内卸荷松弛会有所发展，开挖后前期松弛较快，开挖完成一段时间后逐渐趋缓，如图12所示。图中监测断面1未受分层开挖影响，初喷和系统锚杆支护均比较及时，松弛深度与时间在前期基本呈近似对数关系，系统支护后松弛发展明显趋于平缓，并最终逐渐趋于稳定。监测断面2初喷和系统锚杆明显滞后，松弛发展速度比监测断面1明显要快，在初喷、系统锚杆支护后逐渐放缓，但最终的松弛深度已发展到较深部，期间受下一层开挖扰动影响，松弛深度有明显发展，发生突变，但总的来说松弛深度与时间规律也基本近似对数关系。
层内错动带
图10 柱状节理玄武岩结构面组合型松弛坍塌破坏形象 Fig.10 The relaxation collapse image of columnar jointed
basalt cut by structure in tunnel
(2) 时间效应
如图9所示，前期地下洞室开挖揭示现象表明，洞室开挖后柱状节理岩体的卸荷松弛是渐进性的，从开挖到失稳是一个复杂的演变过程，表现出明显的时间效应特征。
图11为2条施工支洞交叉口部位，揭示了柱状节理玄武岩从卸荷松弛至最终局部坍塌的发展变化过程。刚开挖完成洞室交叉口围岩稳定，喷锚支护后初期喷层局部开裂，较短时间内开裂加剧，较长时间后出现局松弛部坍塌。洞室开挖后，洞周表层卸荷松弛较快，随着围压增加，较深部围岩的卸荷松弛程度逐渐降低，但随着洞周应力不断调整，卸荷松弛不断向深部扩展，因此卸荷松弛深度随时间是不断变化的，从最初的微细观现象不断演变为宏观破坏特征。
图12 柱状节理岩体卸荷松弛声波测试
Fig.12 The acoustic test results of relaxation in columnar
jointed basalt
由此可以看出，及时有效系统支护的条件下，松弛深度与时间在松弛前期基本呈近似对数关系发展，但后期逐渐平稳收敛，卸荷松弛时间效应如图13所示(图中所示为20 m级跨度、15～20 MPa地应力水平、及时支护的隧洞洞段) 。隧洞受爆破开挖扰动影响，爆破后即形成d 0的松弛深度，在不受下层开挖影响，开挖后至t 1较短时间内(本隧洞约3 d内) 松弛发展最快，近似呈线性剧增，至t 2较长一段时间内(本洞段约7 d)发展略微缓和，但增长仍
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3069 •
图14 卸荷松弛深度与洞室跨度的相关关系
图13 柱状节理岩体卸荷松弛时间效应示意图 Fig.13 The schematic diagram of time effect of relaxation in
columnar jointed basalt
Fig.14 Relationship between relaxation depth and tunnel span
然较快，若及时系统支护条件下，后逐渐缓和并最终趋于稳定，若支护明显滞后，较长一段时间内松弛深度仍然会持续发展，直至发生宏观破裂、深层扩展、松弛坍塌。因此及时支护十分关键，可有效控制早期节理张开和卸荷松弛深度，并有效抑制卸荷松弛向深部扩展。
需要说明的是，柱状节理玄武岩卸荷松弛的时间效应特征与洞室规模(跨度、高度) 、地应力方向及水平、支护强度及支护时机等多种因素息息相关。洞室跨度越小(如跨度小于10 m)，地应力水平越低(如地应力水平低于5 MPa)，支护越及时的洞室，柱状节理卸荷松弛的时效特征越不明显，松弛主要发生在很短时间内，后续不再发展。洞室跨度越大、地应力水平越高，支护越滞后的洞室，柱状节理卸荷松弛的时效特征表现得越明显，早期卸荷松弛发展较快，后逐渐趋于缓和但仍然不断发展，数月后松弛程度仍可能发生变化。
(3) 空间效应
不同规模、不同跨度洞室的开挖揭示现象表明，柱状节理发育的地下洞室开挖过程中，其卸荷松弛程度与洞室尺寸、跨度、高度有一定关联，表现出较为明显的空间效应特征。笔者统计了包含勘探平硐、交通洞、施工支洞、试验洞及导流隧洞等多个前期辅助洞室，分析了开挖过程中不同跨度、尺寸洞室的柱状节理岩体卸荷松弛深度实测数据信息，如图14～16所示，分别统计了卸荷松弛深度与洞室跨度、洞室断面面积及洞室开挖高度的相关关系。
由图14，15可知，隧洞跨度/断面积较小时，
图16 卸荷松弛深度与洞室开挖高度的相关关系 Fig.16 Relationship between relaxation depth and tunnel
height
图15 卸荷松弛深度与洞室断面面积的相关关系 Fig.15 Relationship between relaxation depth and sectional
area of tunnel
和松弛范围分布较为均匀，洞室顶拱、拱肩、边墙的卸荷松弛深度均不大，且松弛深度基本相当。洞室跨度/断面积达到一定量级时，顶拱和拱肩的松弛深度有一定变化，但变化不大，而边墙卸荷松弛深度会明显增大，出现突变，空间效应较为显著，表现出松弛深度与跨度和断面面积的非线性特征。
图16选择从开挖分层至开挖完成各阶段松弛深度测试数据比较完备的洞室进行分析，隧洞为城门洞型，跨度为6.5 m，分3层开挖，开挖层高分别为4，4，5 m。可以看出，随着洞室开挖高度的增加，顶拱和拱肩的松弛深度有缓慢增长，增幅不
卸荷松弛深度的空间效应并不明显，洞周松弛深度
• 3070 • 岩石力学与工程学报 2016年
大，但随着边墙高度增加，边墙卸荷松弛深度增长较快，也是柱状节理岩体卸荷松弛空间效应的一个体现。
本工程的柱状节理为陡倾角发育，洞室开挖后形成拱效应，洞周切向应力(大主应力) 增加，顶拱及拱肩柱体被压密，而边墙柱体则由于围压解除及内鼓变形，柱体沿轴向受压，垂直于轴向受拉，因此顶拱、拱肩及边墙部位表现出不同的卸荷松弛特征，其空间效应也不尽一致，陡倾角柱体使得边墙卸荷松弛的空间效应更明显，详见下文分析内容。
需要特别说明的是，柱状节理岩体卸荷松弛特征与柱体的空间分布形态、应力赋存环境、支护时机、施工方法等均有较大关系，即使洞室尺寸相同，不同条件下的松弛特性也是不同的，多种因素影响下建立松弛深度与洞室尺寸的绝对对应关系十分复杂。图14～16中所统计的各洞室有其特定环境条件，仅为定性分析卸荷松弛的空间效应，而具体松弛深度的量值不能作为参考依据。 3.2 应力型解体破坏模式
柱状节理岩体由于其内部原生节理、隐节理、微裂隙及层内错动带较为发育，相比一般完整岩体，完整性略差，能量不易聚集，利于应力释放。因此，同等埋深和构造应力条件下，相比一般完整岩体的应力水平略低，实际地下洞室开挖过程中也表明应力型片帮破坏程度要弱得多。然而当埋深较大，应力水平达到一定程度时，与一般完整岩体类似，柱状节理岩体同样会发生应力型破坏。
图17为隧洞柱状节理发育洞段的顶拱应力型破坏，隧洞跨度、高度均为20 m级，埋深300～500 m。由于隧洞应力水平属中偏高等，前期应力型解体破坏并不十分普遍，仅在局部应力较高洞段有所表现。应力型破坏主要表现为局部片帮剥落、柱体解体，片帮深度为0.2～0.5 m。
(b) 洞室左侧拱肩
图17 柱状节理玄武岩片帮破坏形象
Fig.17 The spalling failure of columnar jointed basalt in tunnel
4 柱状节理玄武岩破坏机制
4.1 卸荷松弛破坏机制
洞室开挖卸荷应力调整，导致洞周切向应力剧增，径向应力消失，洞周围岩的围压显著降低。对于脆性硬岩，初始应力水平较高时，洞周围压解除，容易引起高应力片帮破坏，其实质是岩体内部由于应力偏张量过大，发生轴向劈裂，如图18[23]所示。
σ1/σc
σ3/σc
图18 硬岩强度包络线及破坏模式示意图[23] Fig.18 Schematic of failure envelope for brittle failure and
rock mass failure mechanisms[23]
对于同为脆性硬岩的柱状节理玄武岩，原生节理(柱状节理) 发育，使得围岩更容易发生剪切、轴向开裂，出现明显松弛，节理面高陡倾角及低围压特征，加剧了柱状节理岩体的卸荷松弛程度。洞周围岩应力变化及变形引起柱状节理岩体柱体间节理
面张开，表现出较为明显的张性破坏特征，如图19所示。卸荷松弛机制如图20所示，在具备一定围压
的条件下(见图20(a))，柱状节理岩体表现为沿结构面的剪切破坏，接近洞壁围压很低或不存在的条件下
(a) 洞室顶拱
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3071 •
缓倾角
隐节理
变形/cm
02468
隧洞
(a) 计算模型 (b) 变形分布
10
图19 洞室边墙浅层柱状节理岩体松弛张性特征 Fig.19 Photography of tensile failure of columnar jointed
basalt near tunnel wall
σ1
σ1
塑性区塑性区
张裂隙5～6 m
20 m
5～6 m
(c) 塑性区分布 (d) 张裂隙分布
柱体
图21 柱状节理发育地下洞室开挖响应特征
σ3
柱体
σ3 开挖轮廊
Fig.21 The excavation response ，unloading and relaxation of
理发育洞段的洞轴线方向近NS 向，埋深约500 m，该洞段隧洞围岩稳定性主要受中间主应力和最小主
σ1
columnar jointed basalt in tunnel
σ1
应力控制，计算模型区域地应力分布为σ1= 25.4 MPa ，σ2= 20.9 MPa，σ3= 14 MPa。
表1 柱状节理玄武岩岩体参数取值
(a) 沿节理面剪切破坏 (b) 压致拉破坏
图20 柱状节理岩体卸荷松弛破坏机制示意图 Fig.20 Schematic of relaxation and failure mechanisms in
columnar jointed basalt
变形模量/GPa
Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass
泊松
比
黏聚力/MPa 1.1
内摩擦 角/(°) 47.7
容重/
－
(kN・m 3) 27.5
单轴抗压强度/MPa
80
(见图20(b))，柱体压致拉，柱状节理岩体表现为明显的张性破坏。
本文所述柱状节理岩体的柱体为陡倾角分布，加之洞室开挖后洞周切向应力剧增，法向应力降低，边墙为应力松弛区，因此洞室顶拱柱体垂直于柱体轴向加载，柱体间受挤压作用，而边墙柱体平行于柱体轴向加载，低围压条件下柱体呈张性特征，更容易松弛开裂。因此卸荷松弛破坏模式主要发生在城门洞型隧洞边墙部位，是目前柱状节理发育的地下洞室中最为主要和普遍的破坏模式。
基于上述卸荷松弛破坏模式和破坏机制，采用二维离散元数值分析软件UDEC ，对地下洞室中柱状节理的开挖卸荷松弛特性进行了模拟再现，模型中考虑了柱体间的致密镶嵌结构，如图21所示。柱状节理岩体、断层及节理面参数采用前期导流隧洞施工开挖期监测反演分析成果，计算模型中各参数取值见表1，2。工程区域以水平向应力为主，最大主应力近NS 向，最小主应力近铅直向，隧洞柱状节
10/8 0.25
表2 断层及柱状节理面参数取值
Table 2 Physico-mechanical parameters of structure and joint
类别 断层 柱状节理面
法向刚度/GPa 2
剪切刚度/ GPa
1
黏聚力/ MPa 0.13
内摩擦 角/(°) 28.8
100 50 0.40 50.0
在图21中所示应力环境和柱体分布条件下，城门洞型洞室边墙部位变形最大，开挖面一定范围内出现拉裂破坏区，柱体间节理出现不同程度张开，离开挖面越近张开越明显，远离开挖面越轻微，并逐渐向原未扰动岩体过渡。边墙中部洞周表面浅层柱体局部发生掉块，由于柱体的空间分布特征，洞室两侧的变形和破坏表现出较为明显的不对称性和差异性，顺倾向一侧边墙柱体表现为顺层滑移，而反倾向一侧边墙柱体则表现为倾倒变形，现象揭示破坏现象如图22所示，一定程度上体现了这种不对称破坏特征。
• 3072 • 岩石力学与工程学报 2016年
反倾向柱
面张开
反倾节理 面张开
顺倾向张 开、滑移
隧洞拱脚结构面导致下盘柱体松弛加剧，局部坍塌
隧洞边墙结构面导致边墙柱体松弛加剧，局部松散解体
(a) (b)
(a) (b)
图24 不连续结构面切割柱状节理岩体的破坏形象 Fig.24 The relaxation collapse image of columnar jointed
basalt cut by structure in tunnel
图22 柱状节理发育地下洞室两侧边墙破坏模式 Fig.22 The failure modes of columnar jointed basalt in tunnel
图23为柱状节理岩体受层内错动带、小断层、裂隙等不连续结构面切割时的破坏特征。由于柱状节理岩体内不连续构造较为发育，被这些不连续构造切割时，原有的致密镶嵌结构和整体性被破坏，柱体间相互镶嵌咬合的作用被削弱，因此柱状节理岩体的卸荷松弛特征表现得更为明显，尤其是结构面下盘的柱状节理岩体自稳能力较差，易发生局部范围坍塌，现场揭示破坏现象如图24所示，与数值计算规律基本一致，受不连续结构面切割的柱状节理岩体洞段需加强并及时支护。
柱状节理
缓倾角结构面
2～3 m
下盘柱体裂隙 张开松弛加剧
5～6 m
4.2 应力型解体破坏机制
应力水平较高时，柱体受压，柱体镶嵌紧密，柱体间节理面闭合，内部微裂隙在高应力作用下发生开裂或裂隙扩展，表现为局部片帮剥落，或局部解体坍塌，主要发生在洞室顶拱或拱肩部位，如图25所示。
柱体柱体
节理微裂隙
图25 柱状节理玄武岩洞室顶拱片帮破坏机制
Fig.25 The spilling mechanism of columnar jointed basalt on
倾
倒变形
滑6～7 m 移变形
(a)
tunnel roof
应力型解体破坏模式主要与2个方面因素有关：
(1) 应力水平：由于柱状节理发育，不利于岩
缓倾角 结构面
柱状节理
体的能量储存，应力水平不高时，洞室开挖后顶拱及拱肩切向应力集中，对陡倾角柱体起到压密作用，柱体更不易松弛，对洞室围岩稳定总体有利。然而当应力水平足够高时，洞室开挖后应力集中可能导致围岩发生片帮破坏，局部柱体解体，应力水平在此种破坏模式中起控制作用。现场开挖揭示的应力型破坏现象中，如图17中的柱体解体，与洞室开挖后应力有较紧密的对应关系，如图26所示。
(2) 垂直于柱面的横向微裂隙：除普遍发育的
20 m
5～6 m
结构面切割
松弛加剧柱 体滑移
7～8 m
(b)
柱状节理外，柱状节理岩体的柱体内还发育众多原生微裂隙，包括平行于柱状节理面的纵向微裂隙和垂直于柱面的横向微裂隙。这些原生微裂隙一般延伸不长，且主要是在柱体内，一般表现为隐性，只
图23 不连续结构面切割柱状节理岩体的张裂隙分布 Fig.23 The relaxation collapse image of columnar jointed
basalt cut by structure in tunnel
第35卷 增1 倪绍虎等：柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策 • 3073 •
[1**********]
(a)
0714212835
5.1 支护手段
由柱状节理岩体卸荷松弛时间效应可知，不同于一般完整岩体，洞室开挖后应力调整，柱状节理岩体初期卸荷松弛发展较快，采取针对性支护措施较为关键。
(1) 支护措施：洞室开挖后系统支护需要一定时间，为尽可能保证支护及时性，有效控制柱状节理岩体的初期松弛变形，开挖后首先进行混凝土初期喷护封闭，并保证一定喷护厚度，防止表层松弛掉块，及时提供围压，抑制卸荷松弛进一步扩展。为提高初喷的强度和韧性，初期喷护可采用纳米纤维或钢纤维混凝土。采用预应力锚杆快速系统支护，挂网二次喷护，锚杆与喷层共同作用发挥“群锚”效应，可有效提高洞周围压，改善洞室开挖后洞周围岩应力环境和稳定性。对于柱状节理玄武岩的围岩稳定控制，最为关键的是及时主动支护措施。对于规模较大分层开挖的洞室，下一层开挖前，上一层底部两侧进行预应力锁腰支护加强，以利于下一
(b)
42
层爆破开挖扰动及较高边墙形成的过程中对边墙部位卸荷松弛的有效控制。
(2) 支护时机：由于柱状节理卸荷松弛具有明显的时间效应，其松弛破坏是渐进性的，松弛和变形也是不可逆的，因此支护时机对控制卸荷松弛和围岩稳定至关重要，开挖后及时支护是关键。采用先初喷封闭，再系统锚杆支护，最后挂网二次喷护的支护手段，即为支护及时性的合理体现。及时初喷封闭虽可一定程度降低柱状节理岩体的卸荷松弛，但提供围压比较有限，必须通过及时系统支护提供有效支护力，采用预应力锚杆等主动支护措施，并通过挂网和二次喷护发挥喷层与锚杆联合支护的“群锚”作用，有效提高洞周围压，减小卸荷松弛深度并抑制卸荷松弛向深部扩展。
一般要求爆破出渣后立即初喷封闭，系统预应力锚杆尽可能保证在图13中的t 1时间段内实施，不应滞后于t 2，挂网复喷应控制在t 2时间段内实施完毕，洞室规模、应力环境不同，t 1，t 2略有差异，根据隧洞现场实际监测、检测成果确定。若遇到不连续结构面切割时，更要求保证系统支护的及时性，紧跟掌子面，做到一炮一支护。
针对卸荷松弛空间效应，规模较大的洞室通常采用分层开挖，下一层爆破开挖前，必须实施完成上一层的所有系统支护措施，从而降低爆破扰动对洞室卸荷松弛的影响。 5.2 施工方法
由于柱状节理玄武岩卸荷松弛的时间效应、空
图26 图17中隧洞洞周应力分布(单位：MPa) Fig.26 Distribution of
the maximum principal stress around
the tunnel in Fig.17(unit：MPa)
是在受到构造改造和表生改造时才会显现张开，对岩体的完整性有一定影响，如图25所示。缓倾角近水平向大主应力作用下，洞室开挖后顶拱切向应力集中，洞壁浅层围压较低，横向微裂隙加剧了片帮破坏和柱体解体，对片帮破坏有较为明显的影响。
应力水平不高，且无不连续结构面发育时，柱状节理岩体开挖后并未明显表现出应力型解体破坏，此种破坏模式主要发生在地应力水平相对较高的洞室中，破坏过程和程度主要受上述2种因素组合控制，高应力在破坏中起主导作用，而柱体内部的微裂隙则是应力型解体破坏的诱因。
5 工程对策
由于柱状节理玄武岩具有卸荷易松弛特性，对地下洞室的围岩稳定性有较明显影响，设计、施工过程中需引起重视，并采取合理可行的施工方法和支护措施，保证地下洞室的围岩稳定性。结合本文所述的开挖响应特征、破坏模式、破坏机制、影响因素和规律等，从施工方法、支护手段方面探讨柱状节理玄武岩合理的开挖支护措施。
• 3074 • 岩石力学与工程学报 2016年
间效应明显，开挖方案和爆破控制对其稳定影响同样重要。
(1) 开挖方案：变形、应力、声波等观测或检测结果表明，不同的开挖分层应力调整幅度有明显差异，开挖分层的单层厚度、单层进尺、单层断面面积对柱状节理卸荷松弛有较大影响。单层开挖厚度越大、开挖进尺越大、断面面积越大，均会导致卸荷松弛深度变大，尤其是边墙下卧过程中，下层开挖对上层边墙卸荷松弛影响明显。因此，开挖方案设计时，需充分考虑这些特点，具体措施包括多分层(如控制单层开挖高度) 、短进尺(如控制掘进循环进尺) 、多分幅开挖(如先中导洞后左右半幅扩挖或分两半幅开挖) 。
(2) 爆破控制：由于柱状节理玄武岩内部节理、微裂隙、隐节理发育的特点，传统意义上的岩体完整性相对较差，开挖爆破对其卸荷松弛影响同样较为明显，因此爆破控制也是控制柱状节理岩体卸荷松弛的重要方面。爆破控制主要体现在以下几个方面：
① 弱爆破。高能炸药的爆炸波和高压膨胀气体可使柱面节理和隐节理张开，对离开挖面一定范围内的柱状节理岩体带来损伤。因此需控制爆破总装药量和最大单响药量，多分层、短进尺、多分幅的开挖方式也是控制爆破的部分体现；
② 预裂爆破或光面爆破。预裂爆破的贯穿裂缝，可以缓冲、反射开挖爆破的震动波，可有效降低爆炸震动波和爆炸气体对保留岩体的扰动影响。但预裂时间不宜太长，否则超前预裂后约束解除，若较长时间无法支护，同样会发生明显的卸荷松弛。光面爆破能有效控制周边孔炸药的爆破作用，减少对保留围岩的扰动，保护开挖面岩体的稳定性和有利于施工安全，是柱状节理玄武岩内优先推荐采用的开挖爆破方式；
③ 预留保护层。通过使保留岩体远离爆破区，预留保护层可有效降低爆破对保留岩体的扰动影响，从而减小因爆破扰动引起的柱状节理岩体卸荷松弛程度，即有效控制爆破损伤或松弛。但值得注意的是，预留保护层厚度有限，对保留岩体的围压作用有限，其开挖不宜太晚，否则松弛仍然向保留岩体内扩展，影响后期保留岩体的稳定性。
通过上述支护手段和施工方法，同时结合各种合理有效的监测、检测手段对柱状节理玄武岩卸荷松弛控制、加强监控、警戒，本工程前期辅助地下洞室开挖过程中，柱状节理玄武岩的卸荷松弛得以有效控制，很好地保证了复杂地质条件下地下洞室
的围岩稳定性。
6 结 论
本文基于柱状节理玄武岩的工程特性、成因及实际工程中的开挖揭示现象，对其开挖响应特征、破坏模式、破坏机制及工程对策进行了分析总结。旨在探讨柱状节理岩体对地下洞室围岩稳定的影响及稳定控制工程对策，为柱状节理发育地下洞室的开挖、支护设计提供参考。主要得到以下结论：
(1) 柱状节理玄武岩开挖后卸荷易松弛，主要表现为卸荷松弛、应力型解体2种典型破坏模式。其破坏机制与洞室开挖体形、柱状节理岩体的内部结构、柱体空间分布形态、应力赋存环境及不连续结构面等多种条件息息相关，不同条件组合会导致不同的破坏模式。
(2) 卸荷松弛是柱状节理岩体的主要破坏模式，尤其是和不连续结构面组合，稳定性显著变差，更易松弛坍塌。卸荷松弛具有明显的时间效应和空间效应特征，是一种渐进性和不可逆的破坏过程。卸荷松弛时间效应在早起表现出明显近似对数发展的非线性特征，初期松弛发展快，逐渐趋缓，若保证支护及时性和有效支护力，最后逐渐稳定。卸荷松弛空间效应同样表现出明显的非线性特征，洞室尺寸较小时，松弛深度较小且空间效应不明显，到达一定尺寸时，空间效应较为明显，卸荷松弛深度急剧增大。
(3) 应力型解体是柱状节理岩体的破坏模式之一，主要受其内部的微裂隙、隐节理以及应力条件控制，当应力水平并不高时表现得并不明显，只有在应力水平达到一定量级时，才会有明显的应力型解体破坏出现。
(4) 支护手段和施工方法对控制柱状节理岩体卸荷松弛十分关键。多分层、短进尺、多分幅、弱爆破、预裂控制、早支护等措施，是针对柱状节理岩体开挖支护的合理有效手段，可有效控制其松弛深度，并抑制卸荷松弛逐步扩展，达到围岩稳定控制目的。
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