隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠度研究

楊 馳（浙江義達工程監(jiān)理咨詢有限公司，浙江 義烏322000）

1 緒論

隧道圍巖一支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性是一個非常復(fù)雜的問題，由于受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響以及受經(jīng)濟、技術(shù)、時間等條件的限制，故對其定量信息的獲取是非常有限的，對相應(yīng)的支護措施與施工方法的變化也是難以準確定量預(yù)測的。目前還沒有一種計算模式能全面地、客觀地描述各種情況下支護系統(tǒng)和圍巖之間的相互作用關(guān)系。

本論文主要是研究了隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性判斷依據(jù)，在此基礎(chǔ)上對隧道圍巖—支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進行分析，判斷了圍巖—支護結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)順序，從而為隧道圍巖一支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判定提出一條新的思路。

2 隧道圍巖穩(wěn)定性的基本判據(jù)

2.1 圍巖強度判據(jù)

支護材料本身能夠提供的承載能力有限，因此，圍巖在某個截面上的承載能力還取決于圍巖材料本身的性質(zhì)，如這個截面承受的應(yīng)力或應(yīng)變超過自身承載能力的極限，圍巖在這個截面上必然發(fā)生破壞。支護的作用，主要是改變應(yīng)力場和位移場的分布，使圍巖體各截面的負擔(dān)比較均勻，并提供承載能力較強的高強度抗力點，使各截面的承載能力可充分發(fā)揮，設(shè)計中可取較小的安全系數(shù)。從力學(xué)觀點來看，圍巖喪失穩(wěn)定是其中應(yīng)力達到或超過巖體強度的范圍比較大，最后形成一個連續(xù)貫通的塑性區(qū)和滑裂面，因而這部分巖體將會產(chǎn)生很大位移。

據(jù)圍巖在隧道洞室開挖成形24 小時后的主應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布，按以往設(shè)計、施工經(jīng)驗就可定性地判斷定圍巖的受力形態(tài)和破壞機理。當圍巖某點應(yīng)力超過其屈服極限時，則該處圍巖就進入塑性狀態(tài)，從圍巖應(yīng)力分布規(guī)律可知，應(yīng)力極值一般出現(xiàn)在隧道周邊上，也就是說，只要對這些極值點的應(yīng)力作彈性分析，就可以確定圍巖是否處于彈性狀態(tài)，從而可避免大量的計算工作。但由于整個隧道斷面的地質(zhì)條件分布不均勻，圍巖的強度指標難以確定，且各點的應(yīng)力狀態(tài)也不一樣，破壞理論規(guī)定的滑動限界范圍也很難確定。

2.2 圍巖變形量或變形率判據(jù)

(1)容許極限位移量的確定及失穩(wěn)判別

容許極限位移量是指保證隧道不產(chǎn)生有害松動和保證地表不產(chǎn)生有害下沉量的條件下，自隧道開挖起到變形穩(wěn)定為止，在起拱線位置的隧道壁面間水平位移總量的最大容許值，也有用拱頂?shù)淖畲笕菰S下沉量表示的。在隧道開挖中，若發(fā)現(xiàn)量到的位移總量超過容許極限值，預(yù)測圍巖穩(wěn)定時的位移將超過極限值，則意味著圍巖位移超限，支護系統(tǒng)必須加強，否則有失穩(wěn)的危險。

(2)容許位移速率和加速度

容許位移速率是指在保證圍巖不產(chǎn)生有害松動的條件下，隧道壁面間水平位移速度的最大容許值。它同樣與隧道圍巖、隧道埋深及斷面尺寸和施工方法等因素有關(guān)。位移速率也是支護系統(tǒng)穩(wěn)定性的又一重要指標，各國掌握也不一樣，容許位移速率無統(tǒng)一的標準，一般都根據(jù)經(jīng)驗選定。

3 隧道圍巖一支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

3.1 隧道支護體系的力學(xué)計算方法

隧道是修建在底層中的工程結(jié)構(gòu)，在挖開地層并把隧道襯砌修建在地層內(nèi)的過程中和以后，地層始終對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。巖土的物質(zhì)組成、組織結(jié)構(gòu)特點、干濕或疏密狀態(tài)都是自然歷史的產(chǎn)物，是人類無力控制的條件下形成的，巖土性狀呈現(xiàn)很大變異。人們對巖土性狀及其工作條件的認識也有很大局限性。

l)特征曲線法

特征曲線法也稱收斂一約束法，它的實質(zhì)是：決定隧道襯砌的變形特征曲線;決定巖體的變形特征曲線;建立和求解隧道襯砌在巖體產(chǎn)生的荷載作用下的變形和巖體在襯砌反作用的阻止下變形之間的協(xié)調(diào)平衡。這個方法主要決定于兩個特征曲線，一個是圍巖收斂曲線，它的確定與巖體的強度性質(zhì)，應(yīng)力一應(yīng)變動態(tài)及隧道的初應(yīng)力場等有關(guān);一個是支護結(jié)構(gòu)的約束曲線，它主要決定于支護結(jié)構(gòu)的剛度、材料性質(zhì)及支護類型。

2)剪切滑移破壞法

剪切滑移法進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計是按下述原則進行的：隧道周圍出現(xiàn)塑性滑移楔體，造成支護結(jié)構(gòu)的剪切破壞;支護結(jié)構(gòu)與圍巖粘結(jié)緊密，兩者共同工作，形成無彎矩結(jié)構(gòu);由錨桿、鋼支撐、噴混凝土等所提供的支護阻力恰恰與塑性滑移楔體之滑移力達成平衡時所需要的。剪切滑移破壞法是以構(gòu)造巖體破壞形態(tài)決定支護體系承載能力的，方法簡單。但這種簡化不是從空洞的推理而來的，而是通過對工程破壞的考察和模型試驗結(jié)構(gòu)提出的，在實踐中獲得較廣泛的應(yīng)用。

3)數(shù)值分析法

數(shù)值分析法包括微分方程的直接數(shù)值解法、邊界積分方程法和有限元單元法等幾種。邊界元法目前所考慮的問題一般都只限于線性的，它具有輸入數(shù)據(jù)少而計算時間短的特點。邊界元的缺點則是對各類問題的適應(yīng)性和靈活性比較差，例如對非均質(zhì)和非線性問題，以及對體積力的處理等均遠不如有限元法。有限元方法的模擬能力強，可以考慮巖土介質(zhì)的非均質(zhì)性、各向異性、非連續(xù)性和材料與幾何非線性等，且能適用于各種實際邊界條件。其缺點是需要將整個物理系統(tǒng)離散成有限自由度的計算模型，并進行分片插值。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)分析的特點

構(gòu)成隧道工程的材料與地面結(jié)構(gòu)的材料具有很大的不同之處，這就決定了隧道圍巖失穩(wěn)具有與地面結(jié)構(gòu)不同的特點：

(l)失穩(wěn)原因的多樣性

由于以上闡述的原因，工程巖體在強度和結(jié)構(gòu)方面存在很大的差異，正因為這一差異，使隧道圍巖的失穩(wěn)存在著多種原因，脆性破裂可造成的巖體失穩(wěn)，塊體滑動與塌落也可造成巖體失穩(wěn)，以及層狀巖體的彎曲折斷、碎裂巖體的松動解脫、塑性變形和膨脹都能造成巖體失穩(wěn)。

(2)失穩(wěn)形式的多樣性

隧道圍巖失穩(wěn)從部位來說，有拱頂懸垂與塌落失穩(wěn)、側(cè)壁突出與滑移失穩(wěn)、以及底拱鼓脹與隆起失穩(wěn);破壞形式從塊度來說，有楔體失穩(wěn)、有層狀剝離以及松散體失穩(wěn)。

(3)巖體失穩(wěn)具有突發(fā)性

隧道巖體開挖之后，處于一種動態(tài)的平衡過程，巖體內(nèi)部各種因素相互作用，彼此消漲，當演化到臨界點附近時，微小的擾動可能起到不可估量的作用，原來的平衡狀態(tài)被打破，巖體發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)的發(fā)生是在瞬間完成的，從這個意義上說，巖體失穩(wěn)具有突發(fā)性。

(4)巖體失穩(wěn)演化過程具有混沌現(xiàn)象，即失穩(wěn)的進程可能會停止下來，也可能發(fā)展下去，視影響演化的因素而定。隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)包括兩個大的方面，一是隧道圍巖失穩(wěn)，另一個是支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.3 支護結(jié)構(gòu)和巖體的失穩(wěn)順序

圍巖壓力按其形成方式，有變形圍巖壓力、松動圍巖壓力、膨脹圍巖壓力和沖擊圍巖壓力等。按其計算方法的理論根據(jù)，有的把圍巖視為松散介質(zhì)，確立了平衡拱理論的計算方法;有的把圍巖視為彈塑性體，確立了相應(yīng)的計算方法，有的把圍巖視為具有一定結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)體，目前，圍巖壓力計算問題還沒有得到圓滿解決。

在松散體圍巖中，由于圍巖的壓力是由于圍巖形成塌落拱產(chǎn)生的，則必然是巖體先破壞，破壞的巖體成為荷載，才可能使支護破壞;在膨脹圍巖中，如含量較高的高嶺石、伊犁石、蒙脫石圍巖，由于圍巖吸水膨脹，產(chǎn)生巨大的膨脹應(yīng)力，如果支護設(shè)置太早，則是支護結(jié)構(gòu)先破壞而圍巖很可能還未破壞，但支護破壞之后，圍巖發(fā)生過大的位移而松弛，也會很快失穩(wěn);由于圍巖彈塑性變形、松動變形和巖體結(jié)構(gòu)面滑移，則兩種可能性均存在。

1)錨桿的可能破壞形態(tài)有4 種：①鋼筋斷裂;②圍巖別拉裂或剪斷使錨桿失效;③鋼筋與粘結(jié)材料在接觸面上產(chǎn)生粘結(jié)破壞;④與圍巖錨孔接觸面上的粘結(jié)材料產(chǎn)生破壞。

2)噴層的破壞形態(tài)：噴層的破壞形態(tài)與圍巖的破壞形態(tài)直接相關(guān)，在各向同性的軟巖中，圍巖在側(cè)墻處發(fā)生剪切破壞，將噴層剪裂；層狀圍巖的側(cè)墻發(fā)生張拉破裂，導(dǎo)致噴層發(fā)生張裂；在塊裂巖體中，拱頂塊石崩落，導(dǎo)致噴層撕裂破壞。

圖1 噴層破壞形態(tài)示意圖

3.4 計算模型的選擇

圍巖和結(jié)構(gòu)之間的相互作用使得計算復(fù)雜很多，于是可以采用有限元分析法對結(jié)構(gòu)進行計算。支護結(jié)構(gòu)和圍巖的整體有限元分析，有兩種方法，第一種方法常見的是在重力作用下，把圍巖視為二維、三維連續(xù)體，分割成單元模型，同樣地把襯砌也分割成二維、三維連續(xù)體單元進行分析。這種方法，不管對圍巖，還是對襯砌均可直接用有限元法進行計算。一般說來，襯砌及其附近分割的單元較小，計算工作量大，但計算機發(fā)展的今天，這己不是困維。

第二種方法是把支護結(jié)構(gòu)作為骨架結(jié)構(gòu)，采用梁單元的力學(xué)模型并與圍巖的二維、三維連續(xù)體力學(xué)模型結(jié)合在一起進行分析的方法。這種方法的計算量較前一種少。第一種方法對特別厚的襯砌，把它作為骨架結(jié)構(gòu)分析是很適用的。

4 結(jié) 論

本文介紹了圍巖穩(wěn)定性判斷的過程，就隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判斷準則進行了分析，并且分析了支護結(jié)構(gòu)和巖體的失穩(wěn)順序。隧道工程的失穩(wěn)分析問題屬于自然科學(xué)中地學(xué)與力學(xué)交叉的一種應(yīng)用技術(shù)問題?！岸坑嬎?，定性使用”的方法是定量與定性的統(tǒng)一，只有這樣，才能解決實際工程問題。

[1]朱維申，何滿潮.復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動態(tài)施工力學(xué).北京:科學(xué)出版社，1900

[2]周輝等.隧道及地下工程圍巖的屈服接近度分析(J).巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(17)