隧道圍巖穩(wěn)定性研究綜述

文云波

摘 要：隨著科學技術的高速發(fā)展，人們對隧道圍巖穩(wěn)定性研究的方法呈現(xiàn)出各種各樣。文章通過資料的查閱，總結(jié)了隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，在前人研究的基礎上分析了其以后的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：公路隧道；圍巖穩(wěn)定性；理論研究；數(shù)值模擬；模型試驗

1 概述

近幾年隨著我國加大了對基礎設施建設的力度，我國的隧道也隨之不斷發(fā)展，其規(guī)模越來越大，樣式越來越多，據(jù)統(tǒng)計，截至2015年底，我國大陸運營公路隧道14006座，總長12684km，每年其數(shù)量都在以16%的速度增長，這其中包含了各種地質(zhì)、環(huán)境等差的隧道。為了解決隧道施工及運行的安全，因此，大量的從事隧道相關的科研人員對其穩(wěn)定進行了大量的研究。本文對他們的研究總結(jié)及其闡述，并在前人研究的基礎上分析了未來隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢。

2 圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

2.1 理論研究現(xiàn)狀

圍巖壓力理論從19世紀的古典壓力理論，后來的散體壓力理論，到現(xiàn)在的彈性力學理論及塑性力學理論，人們無不時時刻刻在對圍巖壓力理論進行研究。在國外，芬納（Fenner）-塔羅勃根據(jù)壓力理論總結(jié)出了圍巖的彈塑性應力圖形，日本研究人員Kawamoto采用美國學者Krajcinova提出的損傷力學知識對節(jié)理巖體的力學性質(zhì)進行研究。在國內(nèi)孫鈞通過對圍巖-支護系統(tǒng)受力機理的理論研究，其提出了西原模型在隧道圍巖-支護系統(tǒng)中的有限元解朱合華[1]提出了廣義虛擬支撐力法，其采用位移釋放系數(shù)來反映掘進面對圍巖的空間約束程。大量理論研究表明隧道開挖后會使圍巖原始應力發(fā)生改變，并在開挖面附近出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值模擬現(xiàn)狀

進入21世紀以來，由于計算機技術得到迅猛發(fā)展，其計算能力得到不斷提高，能夠方便快速的解決問題，因此越來越多科研人員采用數(shù)值模擬來解決圍巖穩(wěn)定性問題?，F(xiàn)有的數(shù)值模擬大致分為4種，其包括有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法。

有限元法是發(fā)展的非常早的數(shù)值分析方法，發(fā)展到現(xiàn)在其十分成熟，并包含了幾十種巖體的本構(gòu)模型。邊界元法是在有限差分法、有限元法發(fā)展了很多年后提出了的，其不占用計算機大量內(nèi)存、能夠快速得到圍巖穩(wěn)定性計算結(jié)果，在對無限域和半無限域的圍巖穩(wěn)定性研究中被廣泛采用，同濟大學的朱合華對邊界元法在隧道等巖土工程中的應用進行了大量研究。離散元法具有不受節(jié)理巖體相對微小位移的限制這一特點，其被用來計算具有不連續(xù)變形性質(zhì)的節(jié)理巖層，得到圍巖坍落力學效應。

2.3 模型試驗現(xiàn)狀

理論分析和數(shù)值研究采用的參數(shù)和假定的條件與實際工程狀況存在一定偏差，因此導致計算出來的結(jié)果與實際情況不一樣。國內(nèi)外很多學者針對這些不足提出了模型試驗研究這一方法。他們得到了很多跟實際工程相似的結(jié)論，S.C.Bandi對圓形洞室開挖進行了模擬試驗，其發(fā)現(xiàn)在高地應力條件下圍巖的各向異性性質(zhì)十分明顯，巖體構(gòu)造控制著其應力和變形。中科院武漢巖土力學研究所的陳衛(wèi)忠對節(jié)理圍巖變形特性和錨固效應進行了模型試驗研究，他得到了在不同初始地應力場條件下，開挖過程中圍巖力應力的變化規(guī)律。大連理工大學朱瑋[2]通過對裂碎圍巖進行模型試驗，其得到了該圍巖存力學模型，為其的穩(wěn)定性研究提供了基礎。西南交通大學王明年利用平面應力模型對三車道的公路隧道進行了研究。但此試驗是在臥式試驗坑內(nèi)進行的，只限于平面問題，無法反映巖體的自重效應。蔣樹屏[3]通過公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實驗系統(tǒng)對公路隧道進行相似模型實驗，其發(fā)現(xiàn)可以用S型函數(shù)擬合大跨度扁坦隧道圍巖位移的時變響應，開挖方法和施工過程等因素決定位移釋放系數(shù)，不采用支護的隧道圍巖應力場與開挖斷面形狀有關。李英杰通過模型試驗對軟弱破碎深埋隧道圍巖漸進性破壞進行研究，其表明在逐漸加載過程中隧道拱腰處形成v楔形體，其范圍逐漸擴大到拱頂，深埋隧道圍巖受力可分為三個區(qū)域，其從開挖輪廓線向外依次是松動區(qū)、壓力拱拱體、原巖應力區(qū)。

3 圍巖穩(wěn)定性研究展望

雖然近年來在巖體的本構(gòu)關系、邊界條件、應力條件等方面取得了重大進步，但在隧道圍巖的非線性的本構(gòu)關系，多樣的邊界條件以及不同應力條件多變性等方面，我們需要更深入的研究，用更好的研究方式與方法來研究圍巖的穩(wěn)定性，使得其結(jié)果跟接近實際工程情況。

總所周知隧道圍巖具有非連續(xù)性和多變性等特點，及數(shù)值模擬方法的局限性，我們很難用一種數(shù)值模擬方法得到其很好的結(jié)果，因此，為了圍巖穩(wěn)定的數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，現(xiàn)在許多學者借助其他領域在數(shù)值模擬的先進性，在對隧道圍巖穩(wěn)定性研究的過程中，他們開始采用幾個數(shù)值模擬軟件來對圍巖穩(wěn)定性進行耦合分析。耦合的數(shù)值分析如有限元與邊界元的耦合、離散元與邊界元的耦合等。通過幾個軟件的耦合分析，其不僅能夠充分發(fā)揮數(shù)值模擬各自的優(yōu)點，并能很好的去掉各種的不足，而且數(shù)值模擬的結(jié)果更趨近于真實值。

由于圍巖是一個十分復雜的整體，其包含的很多分支，所以近年來，有些學者認為隧道圍巖穩(wěn)定性研究實際是對應力、應變、位移、巖體的特點、環(huán)境等的研究，其是一個十分復雜的系統(tǒng)，因此他們提出把所有影響圍巖穩(wěn)定性的因素考慮進去，對圍巖穩(wěn)定性研究建立一個系統(tǒng)的分析方法，這樣才能夠全方位且真實的對隧道穩(wěn)定性研究。

由于隧道圍巖被結(jié)構(gòu)面分為許多不同大小的塊體，因此根據(jù)巖體的塊體理論可把其分成不穩(wěn)定和穩(wěn)定兩類塊體，運用數(shù)學方面的理論知識構(gòu)造出圍巖的所有存在的塊體，并將這些塊體進行系統(tǒng)的分類，其可分為穩(wěn)定、可能發(fā)生危險、危險等，在圍巖穩(wěn)定性分析過程中，確定這些類型的塊體，從而的到處與真實值相識的結(jié)果，有助于設計和施工的安全。

4 結(jié)束語

隨著科學技術的高速發(fā)展，人們對隧道圍巖穩(wěn)定性研究的方法呈現(xiàn)出各種各樣。本文通過資料的查閱，從理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗三方面總結(jié)了隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，在前人研究的基礎上分析了以后對圍巖穩(wěn)定性研究方面技術的發(fā)展趨勢，表明圍巖穩(wěn)定性研究方式會越來越系統(tǒng)化、多種手段相結(jié)合。

參考文獻

[1]孫鈞，朱合華.軟弱圍巖隧洞施工性態(tài)的力學模擬與分析[J].巖土力學，1994，15（4）：20-32.

[2]朱瑋，許勁松.碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道工程穩(wěn)定性的模型試驗研究[J].東北公路，1989，（2）：70- 73.

[3]蔣樹屏，劉洪洲，鮮學福.大跨度扁坦隧道動態(tài)施工的相似模擬與數(shù)值分析研究[J].巖石力學與工程學報，2000，19（5）：567- 572.

[4]李英杰，張頂立，宋義敏，等.軟弱破碎深埋隧道圍巖漸進性破壞試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31（6）：1138-1147.