隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠度研究

楊 馳（浙江義達(dá)工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，浙江 義烏322000）

1 緒論

隧道圍巖一支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，由于受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響以及受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、時(shí)間等條件的限制，故對(duì)其定量信息的獲取是非常有限的，對(duì)相應(yīng)的支護(hù)措施與施工方法的變化也是難以準(zhǔn)確定量預(yù)測(cè)的。目前還沒(méi)有一種計(jì)算模式能全面地、客觀地描述各種情況下支護(hù)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(duì)隧道圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，判斷了圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)順序，從而為隧道圍巖一支護(hù)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(qiáng)度判據(jù)

支護(hù)材料本身能夠提供的承載能力有限，因此，圍巖在某個(gè)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(gè)截面承受的應(yīng)力或應(yīng)變超過(guò)自身承載能力的極限，圍巖在這個(gè)截面上必然發(fā)生破壞。支護(hù)的作用，主要是改變應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布，使圍巖體各截面的負(fù)擔(dān)比較均勻，并提供承載能力較強(qiáng)的高強(qiáng)度抗力點(diǎn)，使各截面的承載能力可充分發(fā)揮，設(shè)計(jì)中可取較小的安全系數(shù)。從力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，圍巖喪失穩(wěn)定是其中應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖體強(qiáng)度的范圍比較大，最后形成一個(gè)連續(xù)貫通的塑性區(qū)和滑裂面，因而這部分巖體將會(huì)產(chǎn)生很大位移。

據(jù)圍巖在隧道洞室開(kāi)挖成形24 小時(shí)后的主應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布，按以往設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)就可定性地判斷定圍巖的受力形態(tài)和破壞機(jī)理。當(dāng)圍巖某點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)其屈服極限時(shí)，則該處圍巖就進(jìn)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(shuō)，只要對(duì)這些極值點(diǎn)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(jì)算工作。但由于整個(gè)隧道斷面的地質(zhì)條件分布不均勻，圍巖的強(qiáng)度指標(biāo)難以確定，且各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)也不一樣，破壞理論規(guī)定的滑動(dòng)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(dòng)和保證地表不產(chǎn)生有害下沉量的條件下，自隧道開(kāi)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(kāi)挖中，若發(fā)現(xiàn)量到的位移總量超過(guò)容許極限值，預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定時(shí)的位移將超過(guò)極限值，則意味著圍巖位移超限，支護(hù)系統(tǒng)必須加強(qiáng)，否則有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

(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(dòng)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(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的又一重要指標(biāo)，各國(guó)掌握也不一樣，容許位移速率無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定。

3 隧道圍巖一支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

3.1 隧道支護(hù)體系的力學(xué)計(jì)算方法

隧道是修建在底層中的工程結(jié)構(gòu)，在挖開(kāi)地層并把隧道襯砌修建在地層內(nèi)的過(guò)程中和以后，地層始終對(duì)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(diǎn)、干濕或疏密狀態(tài)都是自然歷史的產(chǎn)物，是人類(lèi)無(wú)力控制的條件下形成的，巖土性狀呈現(xiàn)很大變異。人們對(duì)巖土性狀及其工作條件的認(rèn)識(shí)也有很大局限性。

l)特征曲線法

特征曲線法也稱(chēng)收斂一約束法，它的實(shí)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(gè)方法主要決定于兩個(gè)特征曲線，一個(gè)是圍巖收斂曲線，它的確定與巖體的強(qiáng)度性質(zhì)，應(yīng)力一應(yīng)變動(dòng)態(tài)及隧道的初應(yīng)力場(chǎng)等有關(guān);一個(gè)是支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束曲線，它主要決定于支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、材料性質(zhì)及支護(hù)類(lèi)型。

2)剪切滑移破壞法

剪切滑移法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是按下述原則進(jìn)行的：隧道周?chē)霈F(xiàn)塑性滑移楔體，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪切破壞;支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖粘結(jié)緊密，兩者共同工作，形成無(wú)彎矩結(jié)構(gòu);由錨桿、鋼支撐、噴混凝土等所提供的支護(hù)阻力恰恰與塑性滑移楔體之滑移力達(dá)成平衡時(shí)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(hù)體系承載能力的，方法簡(jiǎn)單。但這種簡(jiǎn)化不是從空洞的推理而來(lái)的，而是通過(guò)對(duì)工程破壞的考察和模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)提出的，在實(shí)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(wèn)題一般都只限于線性的，它具有輸入數(shù)據(jù)少而計(jì)算時(shí)間短的特點(diǎn)。邊界元的缺點(diǎn)則是對(duì)各類(lèi)問(wèn)題的適應(yīng)性和靈活性比較差，例如對(duì)非均質(zhì)和非線性問(wèn)題，以及對(duì)體積力的處理等均遠(yuǎn)不如有限元法。有限元方法的模擬能力強(qiáng)，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(shí)際邊界條件。其缺點(diǎn)是需要將整個(gè)物理系統(tǒng)離散成有限自由度的計(jì)算模型，并進(jìn)行分片插值。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)分析的特點(diǎn)

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(diǎn)：

(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(qiáng)度和結(jié)構(gòu)方面存在很大的差異，正因?yàn)檫@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(dòng)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(dòng)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(kāi)挖之后，處于一種動(dòng)態(tài)的平衡過(guò)程，巖體內(nèi)部各種因素相互作用，彼此消漲，當(dāng)演化到臨界點(diǎn)附近時(shí)，微小的擾動(dòng)可能起到不可估量的作用，原來(lái)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(gè)意義上說(shuō)，巖體失穩(wěn)具有突發(fā)性。

(4)巖體失穩(wěn)演化過(guò)程具有混沌現(xiàn)象，即失穩(wěn)的進(jìn)程可能會(huì)停止下來(lái)，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(gè)大的方面，一是隧道圍巖失穩(wěn)，另一個(gè)是支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.3 支護(hù)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(dòng)圍巖壓力、膨脹圍巖壓力和沖擊圍巖壓力等。按其計(jì)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(jì)算方法;有的把圍巖視為彈塑性體，確立了相應(yīng)的計(jì)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(jì)算問(wèn)題還沒(méi)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(hù)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(hù)設(shè)置太早，則是支護(hù)結(jié)構(gòu)先破壞而圍巖很可能還未破壞，但支護(hù)破壞之后，圍巖發(fā)生過(guò)大的位移而松弛，也會(huì)很快失穩(wěn);由于圍巖彈塑性變形、松動(dòng)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(jì)算模型的選擇

圍巖和結(jié)構(gòu)之間的相互作用使得計(jì)算復(fù)雜很多，于是可以采用有限元分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。支護(hù)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(jiàn)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(jìn)行分析。這種方法，不管對(duì)圍巖，還是對(duì)襯砌均可直接用有限元法進(jìn)行計(jì)算。一般說(shuō)來(lái)，襯砌及其附近分割的單元較小，計(jì)算工作量大，但計(jì)算機(jī)發(fā)展的今天，這己不是困維。

第二種方法是把支護(hù)結(jié)構(gòu)作為骨架結(jié)構(gòu)，采用梁?jiǎn)卧牧W(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(jìn)行分析的方法。這種方法的計(jì)算量較前一種少。第一種方法對(duì)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(guò)程，就隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判斷準(zhǔn)則進(jìn)行了分析，并且分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖體的失穩(wěn)順序。隧道工程的失穩(wěn)分析問(wèn)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(wèn)題。“定量計(jì)算，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(shí)際工程問(wèn)題。

[1]朱維申，何滿潮.復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動(dòng)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(bào)，2005，24(17)