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        巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性研究綜述

        2012-08-15 00:51:18王信普
        山西建筑 2012年31期
        關(guān)鍵詞:溶洞巖溶力學(xué)

        王信普

        (遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局,遼寧 沈陽 110003)

        0 引言

        近些年我國巖溶區(qū)的隧道建設(shè)有了長足的發(fā)展,在我國隧道建設(shè)中已占有相當(dāng)大的比例。隧道圍巖的穩(wěn)定性一直是科研工作者重點研究和備受關(guān)注的問題,而巖溶發(fā)育的復(fù)雜性使這一研究的難度增大。盡管前人做了不少工作也取得了一些成果,但巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性問題一直處于研究探討中。為了方便做進(jìn)一步的研究,筆者對該問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的了解并做了綜述,以供參考。

        1 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性理論研究現(xiàn)狀

        地下工程圍巖穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個重要研究內(nèi)容。巖溶區(qū)隧道雖然具有一般巖土工程的共性,但也有其特殊性,對于巖溶地區(qū)隧道技術(shù)的研究,僅有少數(shù)學(xué)者對巖溶地區(qū)隧道的施工工藝和方法進(jìn)行過探討,很少有學(xué)者針對巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性理論進(jìn)行過研究。因此,應(yīng)用于巖溶隧道的圍巖穩(wěn)定性理論并無獨特性。

        從19世紀(jì)人類對松散地層(主要是土層)圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論進(jìn)行研究開始到現(xiàn)在,圍巖壓力理論主要經(jīng)歷了古典壓力理論、散體壓力理論及現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的彈塑性力學(xué)理論。工程中對彈塑性問題的研究主要集中在圍巖是否處于塑性狀態(tài),而局部區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)并不意味著圍巖將發(fā)生坍落或失穩(wěn)。故需要進(jìn)一步對彈塑性問題進(jìn)行分析。20世紀(jì)50年代:開始有人用彈塑性理論研究圍巖的穩(wěn)定問題,導(dǎo)出著名的芬納(Fenner)—塔勃(TalobreJ)公式和卡斯特納(H.Kastner)公式,得出了圍巖的彈塑性應(yīng)力圖形[1];賽拉塔(S.Serata)用流變模型進(jìn)行了隧洞圍巖的粘彈性分析;林銀飛、鄭穎人[2]則將有限厚條和彈塑性分析結(jié)合在一起,提出了彈塑性有限厚條法。采用大單元內(nèi)劃分小網(wǎng)格的方法判斷塑性區(qū)范圍,并將該法編制成程序應(yīng)用于地下工程三維彈塑性圍巖穩(wěn)定性分析。其實,圍巖穩(wěn)定性理論的發(fā)展離不開巖石力學(xué)理論的發(fā)展,圍巖穩(wěn)定性理論向前的每一步都是建立在巖石力學(xué)發(fā)展基礎(chǔ)之上的。

        20世紀(jì)70年代以來隨著逆向思維在巖土力學(xué)中的成功運(yùn)用,反分析的相關(guān)理論逐步建立并開始與工程結(jié)合。巖土力學(xué)中的反問題主要是參數(shù)的反分析和本構(gòu)模型的辨別。在辨別本構(gòu)模型的研究中,損傷力學(xué)理論被成功的運(yùn)用于圍巖穩(wěn)定性分析。損傷力學(xué)建立后,國內(nèi)外許多學(xué)者試圖將其應(yīng)用于節(jié)理巖體的力學(xué)分析中,并做了相關(guān)研究,如日本學(xué)者Kawamoto[3]及國內(nèi)學(xué)者李術(shù)才等。學(xué)者李術(shù)才采用損傷力學(xué)方法建立了斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷(加錨或不加錨)計算模型,并在某些工程中成功地用于評價裂隙巖體的穩(wěn)定性和變形行為[4]。

        若以正向思維和反向思維來界定圍巖穩(wěn)定性理論,正面分析多是采用經(jīng)典力學(xué)理論,將巖土體視為單一介質(zhì)進(jìn)行研究。而實際上巖土體的非均質(zhì)性是非常普遍的,其中巖土體中含有的結(jié)構(gòu)面對巖土體力學(xué)行為的影響就不容忽視。在解決這一問題上,人們已致力研究多年,雖說在定性方面的認(rèn)識更加深入,但在滿足工程實際越來越高的定量要求上還是顯得無能為力。反分析理論雖然開辟了巖石力學(xué)研究的新途徑,進(jìn)行了大量的研究也取得了一些相對成熟的理論,但尚不能真正解決實際問題。

        2 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀

        雖然隧道圍巖穩(wěn)定性理論一直在不斷深入研究,但是隧道的建設(shè)已有了長足的發(fā)展,在隧道的建設(shè)過程中也積累了豐富的經(jīng)驗并發(fā)展了一些分析方法。

        2.1 工程地質(zhì)判別法

        在進(jìn)行隧道圍巖穩(wěn)定性評價時,運(yùn)用工程地質(zhì)理論闡述隧道圍巖的變形破壞機(jī)制和影響圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)因素,按照各種隧道圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)對隧道圍巖進(jìn)行分段和分類,給出相應(yīng)各段各類圍巖的穩(wěn)定性級別,供隧道設(shè)計和施工使用。

        在實際工程的計算與設(shè)計中,因圍巖分類法簡單、明了而被廣泛使用。圍巖穩(wěn)定性分類方法[5]主要有Stini法、Franklin法、Bieniawski的 RMR法和 Barton等人的 Q法,以及 Arild Palmstrom[6]于1995年提出的RMI(Rock Mass Index)法。日本的鈴木昌次等[7,8]提出了采用模糊回歸分析進(jìn)行巖體類的方法。鐵二院莫君政等[9]通過對百余座隧道洞口圍巖的分析統(tǒng)計,得出埋深對于圍巖穩(wěn)定性的隸屬函數(shù),導(dǎo)出了圍巖穩(wěn)定性的隸屬函數(shù)。同濟(jì)大學(xué)黃宏偉等[10]采用模糊數(shù)學(xué)及層次分析法,對圍巖穩(wěn)定性分類中的不確定因素做了分析,提出了工程類比模糊經(jīng)驗法。我國學(xué)者李世輝編寫的《隧道圍巖穩(wěn)定系統(tǒng)分析》中,對多種常用的圍巖分類方法作了系統(tǒng)深入的闡述和分析,對我國地下工程圍巖穩(wěn)定性分析作了較為全面的總結(jié)。

        2.2 解析法

        解析法是指在對地質(zhì)條件詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行高度、合理概化,得出簡單的計算模型,借助數(shù)學(xué)力學(xué)工具對圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行計算,進(jìn)而進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評價。其最終演變?yōu)榍蠼鈴?fù)變函數(shù)的解析解。目前解析法分析圍巖應(yīng)力和變形多限于深埋地下工程,對于受復(fù)雜邊界影響的淺埋隧道圍巖穩(wěn)定分析在數(shù)學(xué)模型概化處理上存在一定的困難。特別當(dāng)圍巖應(yīng)力超過極限強(qiáng)度進(jìn)入剛體滑移和張裂狀態(tài)時,解析法就不再適用。另外,對于多孔、非均質(zhì)及各向異性等問題,現(xiàn)今的解析方法幾乎是無法解決的,只能借助數(shù)值法來求解。對解析法的發(fā)展,國內(nèi)學(xué)者于學(xué)馥教授、劉懷恒教授用復(fù)變函數(shù)進(jìn)行圍巖應(yīng)力變形計算,得出了彈性解析解。在任意形狀斷面隧道洞室的應(yīng)力研究中:呂愛鐘提出了應(yīng)用最優(yōu)化技術(shù)求解映射函數(shù)的新方法[11],為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)求解復(fù)雜形狀洞室圍巖應(yīng)力開辟了新的途徑;工程兵工程學(xué)院的朱大勇等也對映射函數(shù)的求解提出了一種新方法[12];另外,張倬元教授等對含單一軟弱結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定以及頂拱圍巖中簡單塊體穩(wěn)定性的分析計算方法作了詳細(xì)介紹[13]。

        2.3 物理模型試驗法

        荷蘭S.Cbandis等在模擬高地應(yīng)力條件下的圓形洞室開挖模型試驗后,認(rèn)為即使在超高應(yīng)力條件下,圍巖的各向異性性質(zhì)還是很明顯,其二次應(yīng)力和變形都由巖體構(gòu)造控制[14]。20世紀(jì)80年代,國內(nèi)學(xué)者也在這方面做了很多工作[15]:朱維申、馮光北等研究了單排裂隙巖體模型的抗剪強(qiáng)度;陳霞齡通過平面應(yīng)變和三維兩種破壞模型對地下洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。孫世國等則作了開挖巖體擾動與滑移機(jī)理的模擬試驗。

        2.4 數(shù)值分析法

        20世紀(jì)70年代以來,隨著數(shù)學(xué)、力學(xué)理論及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值分析方法迅速涌現(xiàn)。由于數(shù)值模擬分析經(jīng)濟(jì)、直觀、周期短、可重復(fù),且可以分析形狀十分復(fù)雜、非均質(zhì)的各種實際的工程結(jié)構(gòu),所以在工程地質(zhì)和沿途領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。就目前的數(shù)值計算而言,有如下幾種:

        1)有限元法是一種較早、較成熟的巖體數(shù)值分析方法,該方法以彈塑性力學(xué)作為理論基礎(chǔ),通過求解彈塑性力學(xué)方程,計算巖土體在一定條件下的應(yīng)力場和變形場,然后根據(jù)巖土體的破壞準(zhǔn)則,判斷巖體所處的應(yīng)力狀態(tài),并據(jù)此對整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出定量的評價[16,17]。為了克服有限元法在無限域中的應(yīng)用問題,印度的P.Kumar[18]結(jié)合無限單元與有限單元,運(yùn)用有限元計算程序,對圍巖穩(wěn)定性問題進(jìn)行了一系列的計算分析。

        2)邊界元法是繼有限差分法、有限元法之后發(fā)展起來的又一數(shù)值計算方法,H.G.Poulos等人[19]對邊界元法作了詳細(xì)的研究。同濟(jì)大學(xué)的朱合華等對邊界元法在隧道等巖土工程中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。邊界元有直接邊界元和間接邊界元之分,中國臺灣的K.J.Shou[20]采用模擬地下洞室的虛擬力法和求解不連續(xù)面問題的位移不連續(xù)法兩者相結(jié)合的混合模型,提出了三維混合邊界元法。與有限元相比,具有降一維、計算時間短、計算范圍大、占計算機(jī)內(nèi)存少的特點,但是邊界元法對奇異邊界的計算較難處理。

        3)離散元法是用來計算具有不連續(xù)變形性質(zhì)的節(jié)理巖層的一種新的數(shù)值計算方法,它不受節(jié)理巖體相對微小位移的限制,一般適用于模擬巖體破壞晚期階段。在該方法的研究中,Cundall P.A和Hart.R在早期做了突出貢獻(xiàn),成功開發(fā)了二維和三維計算程序[21];Charles Fairhurst等[22]分別運(yùn)用離散元法和有限元法對節(jié)理巖層中洞室圍巖穩(wěn)定性作了分析并進(jìn)行了比較;在國內(nèi),王泳嘉教授等一些學(xué)者也做了大量的研究工作,對地下洞室圍巖的變形與破壞進(jìn)行了全過程的模擬研究,并開發(fā)了應(yīng)用軟件[23]。

        4)FLAC是連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的英文縮寫[24],可以更好地考慮巖體的不連續(xù)性和大變形特征,求解速度較快,特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)。

        此外,任青文教授在石根華和Goodman等人創(chuàng)建的塊體理論基礎(chǔ)上提出了塊體單元法[25]。近年來,美籍華人石根華博士又提出了非連續(xù)變形分析(DDA)和數(shù)值流形方法(NMM),被譽(yù)為是21世紀(jì)的新一代方法,得到理論界和工程界的公認(rèn)和歡迎[26,27]。

        3 溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

        任美鍔、劉振中[28]認(rèn)為,巖溶對隧道工程的危害主要表現(xiàn)為隧道突然涌水;隧道遇地下洞穴時的懸空;隧道頂部溶洞充填物的塌陷以及隧道基底洞穴頂板塌陷等問題。

        李彪、梁富清[29]結(jié)合京珠高速公路石門坳隧道的施工,認(rèn)為隧道周邊溶洞將使隧道圍巖變形增加,造成隧道因變形過大而失穩(wěn);隧道開挖中易出現(xiàn)局部坍塌、掉塊和落石。

        陳成宗、何發(fā)亮[30]調(diào)查認(rèn)為:溶洞引起的隧道圍巖大變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞是巖溶隧道的主要災(zāi)害之一;且以揭穿性溶洞地質(zhì)災(zāi)害最多,隱伏溶洞引發(fā)的巖溶災(zāi)害具有不可預(yù)見性,危害性將更大。

        李治國[31]也認(rèn)為,隧道周邊溶洞將引起隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、開裂和失穩(wěn)。

        此外,鐵二院鮑鶴齡[32]在統(tǒng)計分析我國西南、中南鐵路隧道建設(shè)中由溶洞引起的隧道圍巖失穩(wěn)典型案例的基礎(chǔ)上,提出:在工程中未揭露的溶洞,因未能采取預(yù)處理措施,易遭受到猝不及防的破壞,對隧道施工危害性大。

        鄒成杰[33]在總結(jié)了我國西南地區(qū)水工隧道巖溶災(zāi)害時,通過對工程中揭露溶洞和隱伏溶洞從施工、設(shè)計到穩(wěn)定性評價做了深入的比較分析,同樣認(rèn)為:對于在施工中揭露出來的溶洞,其穩(wěn)定性一般易于分析和評價,而對隱伏溶洞,其穩(wěn)定性的分析要復(fù)雜的多;且由于其引起的隧道災(zāi)害具有一定的隱蔽性,危害性要大一些。當(dāng)前,溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究主要集中在,溶洞對開挖后圍巖應(yīng)力分布和位移變形的影響。在這些問題上學(xué)者們試圖探索到一些可普遍適用的規(guī)律來解決實際問題。

        國內(nèi)對該問題研究較多且比較系統(tǒng)的學(xué)者有莫陽春、趙明階、吳夢軍等。其中,莫陽春[34-37]結(jié)合達(dá)成高速公路寶石巖隧道工程,用數(shù)值模擬試驗的方法研究了側(cè)部和底部溶洞對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響,通過試驗得出了一些有意義的結(jié)論并可以和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合。趙明階等[38,40-44]采用物理模型試驗與數(shù)值模擬試驗相結(jié)合的方法探討了頂部和底部溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,該研究突破了莫陽春固定溶洞尺寸、位置的限制,對不同洞徑比,不同洞徑距的溶洞進(jìn)行了模擬。探討了其對圍巖穩(wěn)定性的影響,得出了一些規(guī)律性的結(jié)論,并且對得出的結(jié)論專門在文獻(xiàn)[43]中進(jìn)行了驗證。吳夢軍[44,45]也采取同樣的方法,對隧道頂部含有溶洞的情況進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定性分析,也得出了相似結(jié)論。此外,鐵四院的黎代仁[46]對含有側(cè)部水壓充填型溶洞的隧道進(jìn)行了圍巖變形分析;劉招偉等[47]對各種地質(zhì)模式下充填型(充水、充泥)溶洞進(jìn)行了圍巖突水失穩(wěn)的研究,這就將研究的對象從非充填型溶洞引向了充填型溶洞。這將會在今后的研究中受到更多的關(guān)注。

        4 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究發(fā)展趨勢和存在的問題

        筆者認(rèn)為,巖溶隧道穩(wěn)定性問題的解決受限于兩個方面:1)對地質(zhì)條件勘探技術(shù)的提高;2)穩(wěn)定性分析理論的發(fā)展。但近年來對二者研究所取得的進(jìn)展甚微。隨著研究者認(rèn)識的提高和思維方式的轉(zhuǎn)變,力學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)等理論將會越來越多的運(yùn)用于穩(wěn)定性理論的發(fā)展。有了這些理論的豐富,新的研究方法不斷涌現(xiàn)。在這一方面今后會有更多的研究投入,但會趨向于實際工程的運(yùn)用。自奧地利地質(zhì)學(xué)家L.繆勒提出新奧法以來,加上反分析理論的發(fā)展,近幾年來位移反分析方法在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中逐漸被推廣,在實際運(yùn)用中有著廣闊的前景,對該方法的研究也將不斷完善。此外,數(shù)值分析方法在今后的研究中仍是具有較強(qiáng)生命力的一種方法。

        通過對巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀的分析來看,當(dāng)前巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性的研究主要集中在對揭露溶洞的治理和施工方法的研究,再就是溶洞對開挖后圍巖應(yīng)力分布和位移變形的影響。

        其中后者更具有普遍性,針對該方面的研究筆者總結(jié)了如下幾方面的問題:

        1)現(xiàn)有的研究很少與隧道的開挖方式相結(jié)合,幾乎全都采用全斷面開挖,這對低級別圍巖隧道是不可行的;

        2)現(xiàn)有的研究很少考慮地形的影響,隧道的埋深都很大,模型的地形邊界都是平直的,很少研究隧道淺埋的情況;

        3)研究的溶洞類型多是非充填性的,僅有少數(shù)學(xué)者對充填型溶洞做了研究;

        4)在數(shù)值模擬中,研究者都把溶洞的形狀概化為規(guī)則的圓形或橢圓形。這從應(yīng)力分布的角度來講,一定程度上減少了應(yīng)力集中,這與實際會有偏差。

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