隧道圍巖穩(wěn)定性及安全性分析的位移判別方法

■陳 濤，王志銳 ■中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075

1 隧道圍巖穩(wěn)定及安全分析概述

對隧道圍巖支護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觀測，以及對圍巖安全位移的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)而又復(fù)雜的問題，在隧道工程監(jiān)測中，受到很多條件的限制，比如復(fù)雜的地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)水平以及運(yùn)行時(shí)間等，這些方面都會(huì)對圍巖穩(wěn)定性造成一定的影響?？梢哉f，對圍巖穩(wěn)定性定量信息的獲取受到很多方面的限制，并且，支護(hù)的措施、施工方式等的不斷變化對圍巖穩(wěn)定的預(yù)測也會(huì)造成影響。圍巖穩(wěn)定性的計(jì)算方式以及影響因素，諸如地質(zhì)、初始地應(yīng)力等還沒有形成完整且科學(xué)準(zhǔn)確的體系，對使用材料的更換以及利用等也并未形成統(tǒng)一的規(guī)則。在這些因素還不甚清楚的情況下，對圍巖位移量的監(jiān)測可以對圍巖穩(wěn)定性的分析，起到積極的作用。

直接的說，圍巖的穩(wěn)定性計(jì)算是基于系統(tǒng)力學(xué)以及工程力學(xué)的雙重作用來進(jìn)行的，而隧道周圍的支護(hù)系統(tǒng)變形是系統(tǒng)力學(xué)狀況發(fā)生變化的最直接體現(xiàn)，也是對圍巖穩(wěn)定性能進(jìn)行計(jì)算分析的最直接參數(shù)。圍巖變形監(jiān)測過程是在開挖隧道之初就開始的，是對圍巖變形過程進(jìn)行的一個(gè)全面監(jiān)測，這也是建筑工程現(xiàn)場測量的主要部分，現(xiàn)場測量是新奧法的主要組成部分之一。采用現(xiàn)場測量的方式，加強(qiáng)施工的預(yù)期設(shè)計(jì)，合理的利用圍巖自身的承重能力，將支護(hù)的強(qiáng)度融合于圍巖自身，使圍巖的穩(wěn)定性控制在科學(xué)的水平上，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性的施工目的。因此，在隧道開挖過程中，就應(yīng)該對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析記錄，加強(qiáng)支護(hù)，結(jié)合隧道開挖地界的地形以及工程特點(diǎn)等，對圍巖的極限位移進(jìn)行計(jì)算，并通過對現(xiàn)場變形量的管控來判定圍巖的穩(wěn)定強(qiáng)度。

2 如何對隧道圍巖極限位移進(jìn)行確定

極限位移的確定可以通過理論研究分析、室內(nèi)模擬試驗(yàn)以及實(shí)地調(diào)查等方式得到。使用實(shí)地調(diào)查的方式確定隧道的極限位移，將隧道圍巖的支護(hù)系統(tǒng)在正常使用時(shí)所得到的測量資料作為基礎(chǔ)，并且還應(yīng)該對支護(hù)系統(tǒng)破壞時(shí)的隧道測量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一般來說，隧道支護(hù)系統(tǒng)破壞下的測量資料是很難得到的，最實(shí)際的就是利用模擬實(shí)驗(yàn)代替。但是，在現(xiàn)場進(jìn)行破壞系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)是不被允許的。而室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)由于其不能準(zhǔn)確的對隧道所在地區(qū)的地質(zhì)條件、圍巖狀態(tài)、隧道結(jié)構(gòu)等進(jìn)行反映，因此，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)可行性也是很低的。因此，對隧道的現(xiàn)場情況進(jìn)行測量之后，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)來對隧道的極限位移進(jìn)行計(jì)算，就成了可行性最高的方法。

在隧道施工的過程中，對極限位移的確定主要有以下兩個(gè)方法:第一，隧道在施工過程中就實(shí)行位移監(jiān)測，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及灰色預(yù)測結(jié)合起來，對位移監(jiān)測所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并估計(jì)出數(shù)值，在對數(shù)值進(jìn)行處理后可以得到隧道的位移。第二，記錄施工的隧道條件，并計(jì)算巖層的應(yīng)力以及支護(hù)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以獲得實(shí)際的隧道極限位移。

3 影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素

3．1 地質(zhì)構(gòu)造的影響

不同的地質(zhì)構(gòu)造是在不同位置的地球內(nèi)動(dòng)力條件下形成的，不同的地理位置所受到的地球內(nèi)動(dòng)力也就不同。但是在地球內(nèi)動(dòng)力的作用下，這些地理位置都會(huì)發(fā)生不同的變位和變形，就構(gòu)成了地質(zhì)。常見的地質(zhì)構(gòu)造有水平構(gòu)造、直立構(gòu)造、斷層和單斜等，不同的地質(zhì)構(gòu)造對隧道圍巖的穩(wěn)定性有不同的影響，通常上，地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)烈程度已經(jīng)被作為圍巖穩(wěn)定性的基本衡量因素之一。究其原因，是因?yàn)閲鷰r所承受的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)越多，巖層的裂縫發(fā)育得就越大，也就會(huì)造成巖體的穩(wěn)定性不斷變差。地質(zhì)構(gòu)造對巖體的影響主要表現(xiàn)在對巖體宏觀結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)的改變，從而對巖體的物理力學(xué)造成影響，改變其化學(xué)性質(zhì)，最終造成圍巖的穩(wěn)定性變差。根據(jù)隧道穿越的巖層地質(zhì)構(gòu)造不同，穿越位置不一等因素，巖層穩(wěn)定性受到的影響也不同。

3．2 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)

初始應(yīng)力是對開挖隧道前巖石土體初始靜應(yīng)力的泛指，巖體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、埋藏深度以及地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等都會(huì)對初始應(yīng)力的形成產(chǎn)生影響。初始靜應(yīng)力在開挖隧道前是始終存在的，該應(yīng)力場一般由構(gòu)造應(yīng)力、地溫應(yīng)力、地下水壓力以及自重力等構(gòu)成。在工程中，該應(yīng)力場的構(gòu)造應(yīng)力和自重力對巖體穩(wěn)定性的影響較大，構(gòu)造應(yīng)力是隨著時(shí)間推移而形成的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，而自重力是其本身固有的，是靜態(tài)的力場。一般來說，當(dāng)初始應(yīng)力場處于平衡時(shí)，巖體的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

3．3 施工因素

圍巖的形變過程實(shí)質(zhì)上是時(shí)間推移中變量不斷積累的過程。對于完整性較好的圍巖來說，由于其結(jié)構(gòu)性沒有受到太大的影響，隧道開挖后不至于因?yàn)橹車鷳?yīng)力場的失衡而失穩(wěn)。但是對于一些在施工過程中被碎裂、結(jié)構(gòu)受到破壞的軟弱圍巖來說，開挖之后，其不斷的暴露在空氣中，逐漸的會(huì)使其產(chǎn)生變形，進(jìn)而失穩(wěn)。尤其應(yīng)該注意的是隧道洞口、交叉洞等部位，由于在這些部位的圍巖結(jié)構(gòu)面較為發(fā)達(dá)，并且平板狀面積大，更容易發(fā)生失穩(wěn)的情況。因此，在施工的過程中，開挖時(shí)應(yīng)該注意對大型巖體結(jié)構(gòu)的保護(hù)，并且在隧道挖好后，還應(yīng)對圍巖進(jìn)行保護(hù)設(shè)立支護(hù)措施，避免圍巖在無支護(hù)的狀態(tài)下長期的暴露在空氣中。

4 隧道圍巖穩(wěn)定性位移判別準(zhǔn)則

對隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判別，首先應(yīng)該對每個(gè)斷面進(jìn)行測量，進(jìn)而分析該斷面的地質(zhì)狀況、施工動(dòng)態(tài)以及工程結(jié)構(gòu)等的因素。判別時(shí)應(yīng)該考慮到隧道施工的復(fù)雜性因素，并且，還應(yīng)該符合斷面的工程特征。當(dāng)然，單靠圍巖斷面對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行判別是不夠的，因此，對隧道圍巖的變形監(jiān)測就顯得很重要，資深的人員根據(jù)監(jiān)測資料并結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，可以對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行良好的判別。

隧道圍巖失穩(wěn)前會(huì)有一定的征兆，這些征兆主要表現(xiàn)為:隧道的周圍有巖體斷裂，石塊坍塌，噴層開裂較為嚴(yán)重;巖體不斷的發(fā)生位移，并且已經(jīng)超過巖體極限位移的60%，并且沒有停下來的跡象;在無施工干擾等條件下，巖體的變形速度突然加快以及每日的巖體位移量達(dá)到或者超過了巖體極限位移量的十分之一等。將這些征兆結(jié)合到圍巖穩(wěn)定性的辨別中，可以起到重要的作用。

5 結(jié)束語

對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素很多，并且這些因素往往都處于一個(gè)相互制約、相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下。當(dāng)然，這些因素在地殼運(yùn)動(dòng)的影響下也在不斷的發(fā)生變化。因此，為了保證交通運(yùn)輸?shù)陌踩?，對隧道圍巖穩(wěn)定性的監(jiān)測是很重要的，將監(jiān)測結(jié)果與我國多年以來的辯識(shí)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，可以對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的分析。

［1］高大釗，袁聚云，謝永利．土質(zhì)學(xué)與土力學(xué):第三版［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［2］李奕，鐘志全．LI Yi．ZHONG Zhi-quan膨脹巖土中盾構(gòu)脫困技術(shù)［期刊論文］-建筑機(jī)械化，2010．