隧道圍巖穩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計研究院有限公司，陜西 西安 710075

1 隧道圍巖穩定及安全分析概述

對隧道圍巖支護系統的實時觀測，以及對圍巖安全位移的防護是一個系統而又復雜的問題，在隧道工程監測中，受到很多條件的限制，比如復雜的地質條件、經濟投入、技術水平以及運行時間等，這些方面都會對圍巖穩定性造成一定的影響。可以說，對圍巖穩定性定量信息的獲取受到很多方面的限制，并且，支護的措施、施工方式等的不斷變化對圍巖穩定的預測也會造成影響。圍巖穩定性的計算方式以及影響因素，諸如地質、初始地應力等還沒有形成完整且科學準確的體系，對使用材料的更換以及利用等也并未形成統一的規則。在這些因素還不甚清楚的情況下，對圍巖位移量的監測可以對圍巖穩定性的分析，起到積極的作用。

直接的說，圍巖的穩定性計算是基于系統力學以及工程力學的雙重作用來進行的，而隧道周圍的支護系統變形是系統力學狀況發生變化的最直接體現，也是對圍巖穩定性能進行計算分析的最直接參數。圍巖變形監測過程是在開挖隧道之初就開始的，是對圍巖變形過程進行的一個全面監測，這也是建筑工程現場測量的主要部分，現場測量是新奧法的主要組成部分之一。采用現場測量的方式，加強施工的預期設計，合理的利用圍巖自身的承重能力，將支護的強度融合于圍巖自身，使圍巖的穩定性控制在科學的水平上，以達到經濟性和安全性的施工目的。因此，在隧道開挖過程中，就應該對各類數據進行分析記錄，加強支護，結合隧道開挖地界的地形以及工程特點等，對圍巖的極限位移進行計算，并通過對現場變形量的管控來判定圍巖的穩定強度。

2 如何對隧道圍巖極限位移進行確定

極限位移的確定可以通過理論研究分析、室內模擬試驗以及實地調查等方式得到。使用實地調查的方式確定隧道的極限位移，將隧道圍巖的支護系統在正常使用時所得到的測量資料作為基礎，并且還應該對支護系統破壞時的隧道測量資料進行統計。一般來說，隧道支護系統破壞下的測量資料是很難得到的，最實際的就是利用模擬實驗代替。但是，在現場進行破壞系統的模擬實驗是不被允許的。而室內模擬實驗由于其不能準確的對隧道所在地區的地質條件、圍巖狀態、隧道結構等進行反映，因此，室內模擬實驗可行性也是很低的。因此，對隧道的現場情況進行測量之后，結合計算機技術來對隧道的極限位移進行計算，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方法:第一，隧道在施工過程中就實行位移監測，將神經網絡以及灰色預測結合起來，對位移監測所得到的數據進行分析。并估計出數值，在對數值進行處理后可以得到隧道的位移。第二，記錄施工的隧道條件，并計算巖層的應力以及支護的負荷數據，將這些數據作為參數進行計算，可以獲得實際的隧道極限位移。

3 影響隧道圍巖穩定性的因素

3．1 地質構造的影響

不同的地質構造是在不同位置的地球內動力條件下形成的，不同的地理位置所受到的地球內動力也就不同。但是在地球內動力的作用下，這些地理位置都會發生不同的變位和變形，就構成了地質。常見的地質構造有水平構造、直立構造、斷層和單斜等，不同的地質構造對隧道圍巖的穩定性有不同的影響，通常上，地質構造的強烈程度已經被作為圍巖穩定性的基本衡量因素之一。究其原因，是因為圍巖所承受的地質運動的次數越多，巖層的裂縫發育得就越大，也就會造成巖體的穩定性不斷變差。地質構造對巖體的影響主要表現在對巖體宏觀結構、微觀結構的改變，從而對巖體的物理力學造成影響，改變其化學性質，最終造成圍巖的穩定性變差。根據隧道穿越的巖層地質構造不同，穿越位置不一等因素，巖層穩定性受到的影響也不同。

3．2 巖體的初始應力狀態

初始應力是對開挖隧道前巖石土體初始靜應力的泛指，巖體的性質、結構、埋藏深度以及地質運動等都會對初始應力的形成產生影響。初始靜應力在開挖隧道前是始終存在的，該應力場一般由構造應力、地溫應力、地下水壓力以及自重力等構成。在工程中，該應力場的構造應力和自重力對巖體穩定性的影響較大，構造應力是隨著時間推移而形成的動態應力，而自重力是其本身固有的，是靜態的力場。一般來說，當初始應力場處于平衡時，巖體的穩定性較強。

3．3 施工因素

圍巖的形變過程實質上是時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，由于其結構性沒有受到太大的影響，隧道開挖后不至于因為周圍應力場的失衡而失穩。但是對于一些在施工過程中被碎裂、結構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，逐漸的會使其產生變形，進而失穩。尤其應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構面較為發達，并且平板狀面積大，更容易發生失穩的情況。因此，在施工的過程中，開挖時應該注意對大型巖體結構的保護，并且在隧道挖好后，還應對圍巖進行保護設立支護措施，避免圍巖在無支護的狀態下長期的暴露在空氣中。

4 隧道圍巖穩定性位移判別準則

對隧道圍巖的穩定性進行判別，首先應該對每個斷面進行測量，進而分析該斷面的地質狀況、施工動態以及工程結構等的因素。判別時應該考慮到隧道施工的復雜性因素，并且，還應該符合斷面的工程特征。當然，單靠圍巖斷面對圍巖穩定性進行判別是不夠的，因此，對隧道圍巖的變形監測就顯得很重要，資深的人員根據監測資料并結合自身經驗，可以對圍巖穩定性進行良好的判別。

隧道圍巖失穩前會有一定的征兆，這些征兆主要表現為:隧道的周圍有巖體斷裂，石塊坍塌，噴層開裂較為嚴重;巖體不斷的發生位移，并且已經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。將這些征兆結合到圍巖穩定性的辨別中，可以起到重要的作用。

5 結束語

對圍巖穩定性產生影響的因素很多，并且這些因素往往都處于一個相互制約、相互關聯的狀態下。當然，這些因素在地殼運動的影響下也在不斷的發生變化。因此，為了保證交通運輸的安全，對隧道圍巖穩定性的監測是很重要的，將監測結果與我國多年以來的辯識經驗結合起來，可以對圍巖穩定性進行科學準確的分析。

［1］高大釗，袁聚云，謝永利．土質學與土力學: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膨脹巖土中盾構脫困技術［期刊論文］-建筑機械化，2010．