巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性研究綜述

王信普

(遼寧省東水西調工程建設局，遼寧 沈陽 110003)

0 引言

近些年我國巖溶區(qū)的隧道建設有了長足的發(fā)展，在我國隧道建設中已占有相當大的比例。隧道圍巖的穩(wěn)定性一直是科研工作者重點研究和備受關注的問題，而巖溶發(fā)育的復雜性使這一研究的難度增大。盡管前人做了不少工作也取得了一些成果，但巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性問題一直處于研究探討中。為了方便做進一步的研究，筆者對該問題的研究現狀進行了深入的了解并做了綜述，以供參考。

1 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性理論研究現狀

地下工程圍巖穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個重要研究內容。巖溶區(qū)隧道雖然具有一般巖土工程的共性，但也有其特殊性，對于巖溶地區(qū)隧道技術的研究，僅有少數學者對巖溶地區(qū)隧道的施工工藝和方法進行過探討，很少有學者針對巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性理論進行過研究。因此，應用于巖溶隧道的圍巖穩(wěn)定性理論并無獨特性。

從19世紀人類對松散地層(主要是土層)圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論進行研究開始到現在，圍巖壓力理論主要經歷了古典壓力理論、散體壓力理論及現在廣泛應用的彈塑性力學理論。工程中對彈塑性問題的研究主要集中在圍巖是否處于塑性狀態(tài)，而局部區(qū)域進入塑性狀態(tài)并不意味著圍巖將發(fā)生坍落或失穩(wěn)。故需要進一步對彈塑性問題進行分析。20世紀50年代:開始有人用彈塑性理論研究圍巖的穩(wěn)定問題，導出著名的芬納(Fenner)—塔勃(TalobreJ)公式和卡斯特納(H.Kastner)公式，得出了圍巖的彈塑性應力圖形[1];賽拉塔(S.Serata)用流變模型進行了隧洞圍巖的粘彈性分析;林銀飛、鄭穎人[2]則將有限厚條和彈塑性分析結合在一起，提出了彈塑性有限厚條法。采用大單元內劃分小網格的方法判斷塑性區(qū)范圍，并將該法編制成程序應用于地下工程三維彈塑性圍巖穩(wěn)定性分析。其實，圍巖穩(wěn)定性理論的發(fā)展離不開巖石力學理論的發(fā)展，圍巖穩(wěn)定性理論向前的每一步都是建立在巖石力學發(fā)展基礎之上的。

20世紀70年代以來隨著逆向思維在巖土力學中的成功運用，反分析的相關理論逐步建立并開始與工程結合。巖土力學中的反問題主要是參數的反分析和本構模型的辨別。在辨別本構模型的研究中，損傷力學理論被成功的運用于圍巖穩(wěn)定性分析。損傷力學建立后，國內外許多學者試圖將其應用于節(jié)理巖體的力學分析中，并做了相關研究，如日本學者Kawamoto[3]及國內學者李術才等。學者李術才采用損傷力學方法建立了斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷(加錨或不加錨)計算模型，并在某些工程中成功地用于評價裂隙巖體的穩(wěn)定性和變形行為[4]。

若以正向思維和反向思維來界定圍巖穩(wěn)定性理論，正面分析多是采用經典力學理論，將巖土體視為單一介質進行研究。而實際上巖土體的非均質性是非常普遍的，其中巖土體中含有的結構面對巖土體力學行為的影響就不容忽視。在解決這一問題上，人們已致力研究多年，雖說在定性方面的認識更加深入，但在滿足工程實際越來越高的定量要求上還是顯得無能為力。反分析理論雖然開辟了巖石力學研究的新途徑，進行了大量的研究也取得了一些相對成熟的理論，但尚不能真正解決實際問題。

2 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法研究現狀

雖然隧道圍巖穩(wěn)定性理論一直在不斷深入研究，但是隧道的建設已有了長足的發(fā)展，在隧道的建設過程中也積累了豐富的經驗并發(fā)展了一些分析方法。

2.1 工程地質判別法

在進行隧道圍巖穩(wěn)定性評價時，運用工程地質理論闡述隧道圍巖的變形破壞機制和影響圍巖穩(wěn)定性的地質因素，按照各種隧道圍巖分類標準對隧道圍巖進行分段和分類，給出相應各段各類圍巖的穩(wěn)定性級別，供隧道設計和施工使用。

在實際工程的計算與設計中，因圍巖分類法簡單、明了而被廣泛使用。圍巖穩(wěn)定性分類方法[5]主要有Stini法、Franklin法、Bieniawski的 RMR法和 Barton等人的 Q法，以及 Arild Palmstrom[6]于1995年提出的RMI(Rock Mass Index)法。日本的鈴木昌次等[7，8]提出了采用模糊回歸分析進行巖體類的方法。鐵二院莫君政等[9]通過對百余座隧道洞口圍巖的分析統(tǒng)計，得出埋深對于圍巖穩(wěn)定性的隸屬函數，導出了圍巖穩(wěn)定性的隸屬函數。同濟大學黃宏偉等[10]采用模糊數學及層次分析法，對圍巖穩(wěn)定性分類中的不確定因素做了分析，提出了工程類比模糊經驗法。我國學者李世輝編寫的《隧道圍巖穩(wěn)定系統(tǒng)分析》中，對多種常用的圍巖分類方法作了系統(tǒng)深入的闡述和分析，對我國地下工程圍巖穩(wěn)定性分析作了較為全面的總結。

2.2 解析法

解析法是指在對地質條件詳細了解的基礎上進行高度、合理概化，得出簡單的計算模型，借助數學力學工具對圍巖應力分布狀態(tài)進行計算，進而進行圍巖穩(wěn)定性評價。其最終演變?yōu)榍蠼鈴妥兒瘮档慕馕鼋?。目前解析法分析圍巖應力和變形多限于深埋地下工程，對于受復雜邊界影響的淺埋隧道圍巖穩(wěn)定分析在數學模型概化處理上存在一定的困難。特別當圍巖應力超過極限強度進入剛體滑移和張裂狀態(tài)時，解析法就不再適用。另外，對于多孔、非均質及各向異性等問題，現今的解析方法幾乎是無法解決的，只能借助數值法來求解。對解析法的發(fā)展，國內學者于學馥教授、劉懷恒教授用復變函數進行圍巖應力變形計算，得出了彈性解析解。在任意形狀斷面隧道洞室的應力研究中:呂愛鐘提出了應用最優(yōu)化技術求解映射函數的新方法[11]，為應用復變函數求解復雜形狀洞室圍巖應力開辟了新的途徑;工程兵工程學院的朱大勇等也對映射函數的求解提出了一種新方法[12];另外，張倬元教授等對含單一軟弱結構面穩(wěn)定以及頂拱圍巖中簡單塊體穩(wěn)定性的分析計算方法作了詳細介紹[13]。

2.3 物理模型試驗法

荷蘭S.Cbandis等在模擬高地應力條件下的圓形洞室開挖模型試驗后，認為即使在超高應力條件下，圍巖的各向異性性質還是很明顯，其二次應力和變形都由巖體構造控制[14]。20世紀80年代，國內學者也在這方面做了很多工作[15]:朱維申、馮光北等研究了單排裂隙巖體模型的抗剪強度;陳霞齡通過平面應變和三維兩種破壞模型對地下洞室的穩(wěn)定性進行了研究。孫世國等則作了開挖巖體擾動與滑移機理的模擬試驗。

2.4 數值分析法

20世紀70年代以來，隨著數學、力學理論及計算機技術的發(fā)展，數值分析方法迅速涌現。由于數值模擬分析經濟、直觀、周期短、可重復，且可以分析形狀十分復雜、非均質的各種實際的工程結構，所以在工程地質和沿途領域得到了廣泛應用。就目前的數值計算而言，有如下幾種:

1)有限元法是一種較早、較成熟的巖體數值分析方法，該方法以彈塑性力學作為理論基礎，通過求解彈塑性力學方程，計算巖土體在一定條件下的應力場和變形場，然后根據巖土體的破壞準則，判斷巖體所處的應力狀態(tài)，并據此對整個結構的穩(wěn)定性做出定量的評價[16，17]。為了克服有限元法在無限域中的應用問題，印度的P.Kumar[18]結合無限單元與有限單元，運用有限元計算程序，對圍巖穩(wěn)定性問題進行了一系列的計算分析。

2)邊界元法是繼有限差分法、有限元法之后發(fā)展起來的又一數值計算方法，H.G.Poulos等人[19]對邊界元法作了詳細的研究。同濟大學的朱合華等對邊界元法在隧道等巖土工程中的應用進行了大量研究。邊界元有直接邊界元和間接邊界元之分，中國臺灣的K.J.Shou[20]采用模擬地下洞室的虛擬力法和求解不連續(xù)面問題的位移不連續(xù)法兩者相結合的混合模型，提出了三維混合邊界元法。與有限元相比，具有降一維、計算時間短、計算范圍大、占計算機內存少的特點，但是邊界元法對奇異邊界的計算較難處理。

3)離散元法是用來計算具有不連續(xù)變形性質的節(jié)理巖層的一種新的數值計算方法，它不受節(jié)理巖體相對微小位移的限制，一般適用于模擬巖體破壞晚期階段。在該方法的研究中，Cundall P.A和Hart.R在早期做了突出貢獻，成功開發(fā)了二維和三維計算程序[21];Charles Fairhurst等[22]分別運用離散元法和有限元法對節(jié)理巖層中洞室圍巖穩(wěn)定性作了分析并進行了比較;在國內，王泳嘉教授等一些學者也做了大量的研究工作，對地下洞室圍巖的變形與破壞進行了全過程的模擬研究，并開發(fā)了應用軟件[23]。

4)FLAC是連續(xù)介質快速拉格朗日差分分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的英文縮寫[24]，可以更好地考慮巖體的不連續(xù)性和大變形特征，求解速度較快，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)。

此外，任青文教授在石根華和Goodman等人創(chuàng)建的塊體理論基礎上提出了塊體單元法[25]。近年來，美籍華人石根華博士又提出了非連續(xù)變形分析(DDA)和數值流形方法(NMM)，被譽為是21世紀的新一代方法，得到理論界和工程界的公認和歡迎[26，27]。

3 溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究現狀

任美鍔、劉振中[28]認為，巖溶對隧道工程的危害主要表現為隧道突然涌水;隧道遇地下洞穴時的懸空;隧道頂部溶洞充填物的塌陷以及隧道基底洞穴頂板塌陷等問題。

李彪、梁富清[29]結合京珠高速公路石門坳隧道的施工，認為隧道周邊溶洞將使隧道圍巖變形增加，造成隧道因變形過大而失穩(wěn);隧道開挖中易出現局部坍塌、掉塊和落石。

陳成宗、何發(fā)亮[30]調查認為:溶洞引起的隧道圍巖大變形和支護結構破壞是巖溶隧道的主要災害之一;且以揭穿性溶洞地質災害最多，隱伏溶洞引發(fā)的巖溶災害具有不可預見性，危害性將更大。

李治國[31]也認為，隧道周邊溶洞將引起隧道圍巖及支護結構的變形、開裂和失穩(wěn)。

此外，鐵二院鮑鶴齡[32]在統(tǒng)計分析我國西南、中南鐵路隧道建設中由溶洞引起的隧道圍巖失穩(wěn)典型案例的基礎上，提出:在工程中未揭露的溶洞，因未能采取預處理措施，易遭受到猝不及防的破壞，對隧道施工危害性大。

鄒成杰[33]在總結了我國西南地區(qū)水工隧道巖溶災害時，通過對工程中揭露溶洞和隱伏溶洞從施工、設計到穩(wěn)定性評價做了深入的比較分析，同樣認為:對于在施工中揭露出來的溶洞，其穩(wěn)定性一般易于分析和評價，而對隱伏溶洞，其穩(wěn)定性的分析要復雜的多;且由于其引起的隧道災害具有一定的隱蔽性，危害性要大一些。當前，溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究主要集中在，溶洞對開挖后圍巖應力分布和位移變形的影響。在這些問題上學者們試圖探索到一些可普遍適用的規(guī)律來解決實際問題。

國內對該問題研究較多且比較系統(tǒng)的學者有莫陽春、趙明階、吳夢軍等。其中，莫陽春[34-37]結合達成高速公路寶石巖隧道工程，用數值模擬試驗的方法研究了側部和底部溶洞對圍巖及支護結構的穩(wěn)定性影響，通過試驗得出了一些有意義的結論并可以和現場監(jiān)測數據吻合。趙明階等[38，40-44]采用物理模型試驗與數值模擬試驗相結合的方法探討了頂部和底部溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，該研究突破了莫陽春固定溶洞尺寸、位置的限制，對不同洞徑比，不同洞徑距的溶洞進行了模擬。探討了其對圍巖穩(wěn)定性的影響，得出了一些規(guī)律性的結論，并且對得出的結論專門在文獻[43]中進行了驗證。吳夢軍[44，45]也采取同樣的方法，對隧道頂部含有溶洞的情況進行了圍巖穩(wěn)定性分析，也得出了相似結論。此外，鐵四院的黎代仁[46]對含有側部水壓充填型溶洞的隧道進行了圍巖變形分析;劉招偉等[47]對各種地質模式下充填型(充水、充泥)溶洞進行了圍巖突水失穩(wěn)的研究，這就將研究的對象從非充填型溶洞引向了充填型溶洞。這將會在今后的研究中受到更多的關注。

4 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究發(fā)展趨勢和存在的問題

筆者認為，巖溶隧道穩(wěn)定性問題的解決受限于兩個方面:1)對地質條件勘探技術的提高;2)穩(wěn)定性分析理論的發(fā)展。但近年來對二者研究所取得的進展甚微。隨著研究者認識的提高和思維方式的轉變，力學、數學、系統(tǒng)學等理論將會越來越多的運用于穩(wěn)定性理論的發(fā)展。有了這些理論的豐富，新的研究方法不斷涌現。在這一方面今后會有更多的研究投入，但會趨向于實際工程的運用。自奧地利地質學家L.繆勒提出新奧法以來，加上反分析理論的發(fā)展，近幾年來位移反分析方法在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中逐漸被推廣，在實際運用中有著廣闊的前景，對該方法的研究也將不斷完善。此外，數值分析方法在今后的研究中仍是具有較強生命力的一種方法。

通過對巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性研究現狀的分析來看，當前巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性的研究主要集中在對揭露溶洞的治理和施工方法的研究，再就是溶洞對開挖后圍巖應力分布和位移變形的影響。

其中后者更具有普遍性，針對該方面的研究筆者總結了如下幾方面的問題:

1)現有的研究很少與隧道的開挖方式相結合，幾乎全都采用全斷面開挖，這對低級別圍巖隧道是不可行的;

2)現有的研究很少考慮地形的影響，隧道的埋深都很大，模型的地形邊界都是平直的，很少研究隧道淺埋的情況;

3)研究的溶洞類型多是非充填性的，僅有少數學者對充填型溶洞做了研究;

4)在數值模擬中，研究者都把溶洞的形狀概化為規(guī)則的圓形或橢圓形。這從應力分布的角度來講，一定程度上減少了應力集中，這與實際會有偏差。

[1] 于學馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1980.

[2] 林銀飛，鄭穎人.彈塑性有限厚條法及工程應用[J].工程力學，1997，14(2):108-112.

[3] T Kawamoto，Y Ichikawa，T Kyoya.Deformation and Fracturing Behaviour of Discontinous Rock Mass and Damage Mechanics Theory[J].Int J.Num.Analy geo，1988，12(4):321-327.

[4] 李術才，李樹忱，朱維申，等.三峽右岸地下電站廠房圍巖穩(wěn)定性斷裂損傷分析[J].巖土力學，2000，21(3):193-197.

[5] 沈明榮.巖體力學[M].上海:同濟大學出版社，2000.

[6] Arild Palmstrom.Characterizing Rock Mass by the RMI for Usein Practical Rock Engineering[J].Tunnelling and Underground Oinace Technology，1996，11(2):175-188.

[7] 鈴木昌次，古川浩屏，井上洋司，等.基于模糊回歸模型的隧道圍巖分類與巖石特性[J].隧道譯叢，1992(12):12-16.

[8] 井上洋司.隧道巖體分類的模糊模型的應用和巖體特性[J].隧道譯叢，1994(4):44-48.

[9] 莫君政，達吟霞.山嶺隧道洞口淺埋地段的圍巖穩(wěn)定性評價[J].隧道及地下工程，1991，12(4):19-23.

[10] 黃宏偉，楊新安.隧道錨噴支護設計的工程類比模糊經驗法[J].隧道及地下工程，1997，18(3):52-56.

[11] 張路青，楊志法，呂愛鐘.兩平行的任意形狀嗣室圍巖位移場解析法研究及其在位移反分析中的應用[J].巖石力學與工程學報，2000，19(3):584-588.

[12] 朱大勇，錢七虎，周早生.復雜形狀嗣室圍巖應力彈性解析分析[J].巖石力學與土程學報，1999(4):62-63.

[13] 張倬元，王仕天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社，1994.

[14] BandisSC.Uardakis G Instability and Stress Transformations around Underground Excavations in Highly Stressed Anisotro Pie Media[M].Balkema:Maury ＆ Fourmaintraux，1989.

[15] 胡 斌.深切峽谷區(qū)大型地卜洞室群圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)仿真研究[D].成都:成都理工學院，2001.

[16] 徐芝綸.彈性力學問題的有限單元法[M].南京:河海大學出版社，1974.

[17] 姜弘道，陳和群.有限單元法程序設計[M].北京:水利電力出版社，1998.

[18] P.Kumar.Infinite Elements for Numerical Analysis of Underground excavations[J].Tunnelling and Underground Technology，2000，15(1):117-124.

[19] Poulos.H.G.Analysis of piles in soil undergoing lateral movement[J].Journal of The Soil Mechanics and Foundations Division，1973(99):391-400.

[20] K.J.Shou.Three-Dimensional Hybrid Boundary Element Method for Non-Linear Analysis of a Weak Plane Near an Underground Excavation[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2000，15(2):215-226.

[21] Cundall P.A.A computer model for simulating Progressive large scale movements in blocky systems[A].Proceedings of the Symposium of the International Society of Rock Mechanics[C].Nancy France，1971:8-12.

[22] Charles Fairhurst，Jue min Pei.A Comparison Between the Distinct Element Method and the Finite Element Method for Analysis of the Stability of an Excavation in Jointed Rock[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1990，5(1):111-117.

[23] 王泳嘉.離散單元法一種適用于節(jié)理巖石力學分析的數值方法[A].第三屆全國巖石力學數值計算及模型試驗討論會文集[C].1986.

[24] FLAC-3D.Fast Lagrangian analysis of continua in 3Diemension sversion 2.0 user’s MANUAL ITASCA Consulting Group，in USA.

[25] 任青文，余天堂.塊體單元法的理論和計算模型[J].工程力學，1999，16(1):73-74.

[26] 石根華.數值流形方法與非聯系變形分析[M].北京:清華大學出版社，1997.

[27] 王如路，孫 均.DDA理論及在三峽船閘巖體高邊坡中工程中的應用[A].第三屆全國青年巖土力學與工程會討論文集[C].1998.

[28] 任美鍔，劉振中.巖溶學概論[M].北京:商務印書館，1983.

[29] 李 彪，梁富清.高速公路隧道施工中的巖溶問題研究[J].工程力學，2000(sup):33-35.

[30] 陳成宗，何發(fā)亮.隧道工程地質與聲波探測技術[M].成都:西南交通大學出版社，2004.

[31] 李治國.隧道巖溶處理技術[J].鐵道標準設計，2003(sup):98-99.

[32] 鐵道部第二勘察設計院.巖溶工程地質[M].北京:中國鐵道出版社，1984.

[33] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質[M].北京:水利電力出版社，1994.

[34] 莫陽春，周曉軍.側部巖溶隧道圍巖變形特征數值模擬分析[J].水文地質工程地質，2008(2):30-34.

[35] 莫陽春，周曉軍，鄧遙林.側部巖溶隧道圍巖與支護結構力學特性分析[J].四川建筑科學研究，2009，35(3):99-102.

[36] 莫陽春，周曉軍.達成高速鐵路巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].中國鐵道科學，2008，29(3):52-57.

[37] 莫陽春，周曉軍.巖溶隧道施工圍巖變形動態(tài)監(jiān)測與仿真分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27(S2):3816-3821.

[38] 趙明階，徐 容，許錫賓.巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形特性模擬[J].同濟大學學報(自然科學版)，2004，32(6):710-715.

[39] 史世雍，梅世龍，楊志剛.隧道頂部溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響分析[J].地下空間與工程學報，2005，1(5):698-702.

[40] 趙明階，敖建華，劉緒華.巖溶尺寸對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(2):213-217.

[41] 趙明階.隧道頂部巖溶對圍巖穩(wěn)定性影響的數值分析[J].巖土力學，2003，24(3):445-449.

[42] 趙明階，敖建華，劉緒華，等.隧道底部溶洞對圍巖的變形特性的影響分析[J].重慶交通學院學報，2003，22(2):21-23.

[43] 趙明階，徐 容，許錫賓.巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形規(guī)律及其監(jiān)測[J].同濟大學學報(自然科學版)，2004，32(7):866-871.

[44] 吳夢軍，趙明階，劉緒華，等.巖溶區(qū)公路隧道圍巖穩(wěn)定性模型試驗研究[A].中國巖石力學與工程學會第七次學術大會論文集[C].北京:中國科學技術出版社，2002.

[45] 吳夢軍，許錫賓，劉緒華，等.巖溶對公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究[J].地下空間，2003，23(1):59-62.

[46] 黎代仁.側部水壓充填型巖溶隧道圍巖變形特征分析[J].路基工程，2004，4(145):144-145.

[47] 劉招偉，何滿潮，王樹仁.圓梁山隧道巖溶突水機理及防治對策研究[J].巖土力學，2006，27(2):228-232.