關于山嶺隧道塌方機制研究現狀

(重慶交通大學 重慶 400074)

引言

近年來隨著我國經濟不但迅猛發展，交通在經濟發展中有著極為關鍵的作用，其中陸路交通和鐵路交通承擔了大部分運輸任務。為了迎合經濟發展的需要，發展交通事業是當今及以后較長時間內的重要任務。隧道作為公路工程和鐵道工程的重要組成部分，隧道建設與施工安全關系重大。

大型交通基礎設施項目的陸續上馬，公路、高鐵中存在大量是隧道工程。隧道塌方是山嶺隧道施工中的常見災害,是阻礙隧道建設的重大障礙。預測和防治隧道塌方成為加速隧道建設的重要任務，自上個世紀開始國內外學者對于隧道塌方機制進行了大量研究，取得了豐碩的成果，已經廣泛應用于實際工程中的隧道塌方治理。

一、隧道塌方特征和發生機制

(一)塌方的分類

依據塌方的不同特征，國內外學者提出了塌方的多種分類方法。其中王毅才，依據塌方發生的機制不同分為蠕變型塌方、崩塌型塌方兩類，依據塌方形態不同分為局部塌方、拱形塌方、異型塌方、膨脹巖隧道塌方、巖爆五類，依據發生的位置分為不同分為拱頂塌方、側壁塌方和掌子面塌方三類[1]。

劉洪洲，從塌方發生的機制出發接合工程實例將塌方分為危巖滑動型塌方、松散介質垮落型塌方、軟巖蠕變型塌方、硬巖巖爆型塌方四類[2]。

(二)塌方發生機制

1.洞口塌方

洞口塌方較洞內塌方少，多是表現為洞口邊仰坡垮塌及山體滑坡。

洞口段邊仰坡存在強風化巖體和堆積層，自身穩定性不足。洞口開挖后破壞其原有的穩定性，加劇了洞口邊坡的不穩定性。當洞口段處于滑坡地帶時，開挖洞口段破壞了滑體原有穩定性。

2.洞內塌方

洞內塌方又可以分為洞內巖質塌方和洞內土質塌方。山嶺隧道多采用爆破法開挖，巖石隧道在爆破開挖后形成臨空面，圍巖壓力釋放凌空面發生位移直至收斂，開挖后初始圍巖應力的釋放導致圍巖中存在的節理和層理發展，洞室周圍巖石節理發展聯通后巖石將被擠出形成掉塊，此時如果支護不及時大量“掉塊”后將形成塌方。此外采用爆破發必將對洞室圍巖造成擾動，當圍巖穩定性較差時就會導致掉塊現象，當速率較快時將給施工帶來極大不便。

二、隧道塌方發生的原因分析

隧道塌方受到多種因素的影響，有人為因素、非人為因素等，國內學者通過對大量塌方案例進行分析整理后將塌方的影響因素劃分歸納為四大類，分別是地質因素、勘察設計因素、施工因素和自然因素。

(一)地質因素

隧道施工前，隧道內的地質情況是難以準確預測的，而在隧道建設的全周期過程中地質情況都舉足輕重，像支護參數、開挖方法、施工工藝等都需要依據圍巖地質來確定。地質情況是隧道全周期過程中都無法忽視的重要影響因素。山嶺隧道地質情況十分復雜，在隧道開挖過程中容易出現圍巖發生突變的情況，尤其是較好圍巖向較差圍巖發生突變時容易發生塌方，而在淺埋段有偏壓作用時容易導致局部塌方。隧道挖掘過程中遇見斷層、破碎帶、軟弱堆積層、特殊巖土或不良地質區，都是塌方發生的高危區。

(二)勘察設計因素

由于隧道在開挖前地質的不可預見性，這就要求勘察設計單位進行前期地質鉆探，依據鉆探結果進行地質分析并據此調整設計參數，制定設計方案。如果地質勘察做的不夠仔細，甚至錯誤估計隧道地質，設計人員依據地勘所做設計參數將無法適應隧道施工，導致隧道塌方的發生風險增大。

(三)施工因素

施工因素是造成隧道塌方的最直接原因，施工單位的施工方法、工藝的采用決定了隧道施工的安全性。國內學者通過對大量隧道塌方案例總結分析后認為隧道施工中以下不當行為將增大造成隧道塌方的風險。

圍巖較差地段超前支護措施偏于保守沒有達到預期效果或施工單位進行超前支護施工時存在質量問題；開挖方法不當，施工單位為了趕工期沒有嚴格依據設計要求的開挖方法進行施工如在Ⅳ級等交差圍巖采用全斷面開挖；初期支護不牢固或施做不及時；圍巖較差時仰拱修筑不及時超過安全距離，未能及時封閉成環；圍巖變形收斂后未及時施做二襯；爆破開挖時藥量過大，對圍巖造成較大的擾動，降低圍巖的穩定性；施工過程中監控不及時，對監控所獲得信息不重視或者數據處理不當，沒有正確監控開挖后圍巖變形情況；塌方發生后處置不及時或處置措施不當，造成二次塌方。

(四)自然因素

自然因素主要是極端天氣的發生如連續暴雨加劇圍巖不穩定；以及一些不可預見的自然災害如地震破壞了圍巖的穩定。

三、隧道塌方預測研究與模擬

(一)隧道塌方預測研究

對于隧道塌方的預測國內外學者做了大量研究，目前主要為以下兩個方面：

1.隧道塌方的現場預測

在隧道發生塌方前一段時間內會有一些征兆,監控量測能夠幫助我們及時發現隧道開挖后的不良變化。定期和不定期觀察洞內圍巖的變形情況，測量支護結構位移，與以往數據對比觀察支護結構是否發生較大變形，監測巖層、節理裂隙的變化,坑頂或坑壁的松動情況、噴射混凝土是否發生掉塊及掉塊混凝土是否發生脫落，監控地表沉降等,可以很好的預測塌方[3]。實踐證明隧道施工現場及時的監控量測觀測隧道開挖后洞室的各種變化能夠有效的預防塌方的發生。

2.運用各種理論方法對塌方的時間進行研究和預測。

目前在塌方預測中使用的主要理論有：①關鍵塊理論，是針對節理巖體隧道的穩定性分析；②突變理論，基于隧道塌方的突變型特征，建立各種判定依據，目前預測塌方應用最多的是尖點突變模型；③灰色系統理論，利用現場監控采集的數據，接合回歸分析法，建立塌方預測模型，判定圍巖的穩定性；④其他一些非線性理論和算法,如神經網絡、生長模型、支持向量機等。

(二)塌方機制模擬

近百年來國內外學者對塌方機制模擬做了大量研究，主要從物理模型試驗研究和數值分析模擬研究兩個方面展開。

1.物理模型試驗研究

目前隧道物理模型試驗研究中主要采用地質力學模型試驗，研究巖體變形破壞機制和結構的整體穩定問題的模型試驗技術。國內外多位學者利用室內物理模型對隧道塌方機制進行了大量研究[4-7]，對于隧道塌方機制做出來了很多很多貢獻。雖然室內物理試驗研究能夠較好的模擬隧道塌方的實際情況，但需要消耗大量的資源，同時很難滿足實際的邊界條件。

2.數值模擬在隧道塌方中的應用

隨著計算機技術的迅猛發展，又由于巖體是一種復雜的地球介質,數值模擬方法可考慮其各向異性、復雜的邊界條件、不連續性及隨時間變化特性的優點,很好的契合了工程實際，因此數值模擬方法日益廣泛地應用于巖體工程分析的各個方面。近年來計算機領域的飛速發展加速了隧道圍巖穩定性的數值分析方法的發展,目前在隧道塌方研究分析領域廣泛使用的數值模擬方法有限單元法、離散單元法和非連續變形分析方法。

有限單元法自上個世紀五十年代開始盛行，隨著巖土領域理論的發展尤其是巖土本構理論的的發展，加上計算機技術的迅猛發展，國內外利用有限元法解決了大量巖土問題。國內外學者將有限元法應用到隧道圍巖穩定性及隧道塌方破壞機理的模擬研究中，成功的模擬了隧道塌方的過程。

離散單元法與有限元法類似的將分析域劃分成單元,即塊體單元,與有限元法不同的是離散單元法的塊單元受結構面等不連續面的控制下發生運動，塊體單元之間可以發生分離,在滿足單元之間的約束條件下通過牛頓第二定律建立各個單元的運動方程。由于采用顯式解法,不需要求解大型方程組,假設塊體在運動時動能轉化為熱能而耗散掉，利用中點有限差分方程近似地對運動方程進行積分計算[8]。離散元法以及大量應用于隧道塌方全過程的模擬。

非連續變形分析方法(DDA)在充分考慮巖體的復雜性后將結構面切割為塊體作為分析單元,靜力、動力學相結合,利用最小勢能原理把，利用矩陣求解塊體單元之間的接觸問題和塊體單元本身的變形問題,充分滿足了運動學理論、平衡假定和能量消耗[9-16]。DDA很好的解釋了隧道塌方的機制，目前廣泛應用于巖土工程各領域。

四、結論與展望

二十世紀以來國內外大量學者對隧道塌方進行了深入研究，結合物理試驗模型研究結果以及實際工程案例提出了許多關于隧道塌方機制的理論，解決了大量實際工程問題。但由于室內物理試驗模型需要需要大量資源同時很大達到與實際工程相似的條件，利用該方法進行研究進展緩慢。隨著計算機技術的發展以及對于巖土體本構模型理論的深入研究，數值模擬方法發展迅猛，因其能達到滿足工程實際需要的邊界條件或滿足精度要求的近似邊界條件而廣泛應用于工程實際。

到目前為止，我們還內有完全理解隧道塌方機制。隧道塌方機制研究還需要從巖土基礎理論入手，充分利用數值模擬的方法不斷完善隧道塌方理論。