張國(guó)茂

【摘 要】地鐵是我國(guó)21世紀(jì)地下空間利用的重點(diǎn)，其隧道大多屬于淺埋的地下結(jié)構(gòu)。因此，在一些特殊地層中，隧道的支護(hù)尤其重要，并且具有一定的難度，一直以來(lái)制約著地鐵隧道建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。結(jié)合以往國(guó)內(nèi)外的研究成果，分析得出了施工過(guò)程中引起地表變形的基本原因及隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素，有利于對(duì)隧道施工過(guò)程中的支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)的進(jìn)一步研究。

【關(guān)鍵詞】地鐵隧道；研究現(xiàn)狀；地表變形；穩(wěn)定性；影響因素

0 前言

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大、人口數(shù)量的增長(zhǎng)，城市交通擁堵問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重，這就強(qiáng)烈要求人類加大對(duì)地下空間的利用，地下空間成為緩解交通壓力、加快城市化進(jìn)度的有效手段。目前，我國(guó)在地下空間利用方面（特別是地鐵建設(shè)方面）不斷加大力度，地鐵將是我國(guó)21世紀(jì)地下空間利用的重點(diǎn)。

地鐵隧道大多屬于淺埋的地下結(jié)構(gòu)，上覆土層一般不能形成穩(wěn)定的壓力拱，形成開挖面后的隧道頂板圍巖大多數(shù)會(huì)產(chǎn)生比較大的沉降，嚴(yán)重的圍巖甚至?xí)霈F(xiàn)垮塌、巖爆等現(xiàn)象。特別是淺埋強(qiáng)風(fēng)化地鐵隧道周圍的圍巖通常處于節(jié)理密集和非常破碎的狀態(tài)之中，與松散地層十分相似，此時(shí)隧道的支護(hù)就尤其重要，并且具有一定的難度，一直以來(lái)制約著地鐵隧道建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

80多年前，普氏通過(guò)對(duì)均質(zhì)松散體的研究，得出了地層壓力的計(jì)算方法，其中假設(shè)條件是巖石是松散體，并用一個(gè)似摩擦系數(shù)對(duì)巖體之間復(fù)雜的聯(lián)系進(jìn)行描述。雖然這種方法過(guò)于粗糙，但是這種方法簡(jiǎn)單易行，直到現(xiàn)在還經(jīng)常使用著。

隨著研究的深入，隧道支護(hù)理論逐漸產(chǎn)生了兩大派系，一個(gè)是把地層視為松散構(gòu)造的松動(dòng)壓力理論學(xué)派，另一個(gè)是將地層視為連續(xù)體的粘、彈、塑性理論學(xué)派。

近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來(lái)的數(shù)值分析方法，在隧道工程中起著越來(lái)越大的作用。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，人們常采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法（如有限元法、有限差分法等）和非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法（如塊體單元法、離散元法等）來(lái)解決隧道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題。數(shù)值分析具有易于改變參數(shù)、快捷、便利、成本低、模擬性強(qiáng)、可以反復(fù)計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。

2 地鐵隧道施工引起地表變形的基本原因

（1）臨空面土體的位移。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，臨空面土體受到的支護(hù)應(yīng)力可能大于或者小于原始側(cè)壓力，臨空面上前方的土體會(huì)隆起或者下沉；

（2）土體被擠入盾尾空隙。當(dāng)盾構(gòu)法隧道的首次襯砌離開盾尾后，在隧道開挖面和襯砌外形成一個(gè)環(huán)形的空隙，土體將向著一個(gè)空隙產(chǎn)生移動(dòng)，因此引起地面的沉降；

（3）土體與襯砌之間的相互作用，地表沉降是土體與襯砌之間相互作用的綜合表現(xiàn)；

（4）受擾動(dòng)土體的再固結(jié)，尤其是在飽和軟土地層中；

（5）改變了推進(jìn)的方向。

3 隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素

圍巖穩(wěn)定性是指地下洞室（包括隧道）開挖之后，在無(wú)支護(hù)的情況下圍巖的自穩(wěn)能力，其中包括圍巖的變形和破壞兩個(gè)方面。

以性質(zhì)來(lái)分類，基本上可以分為兩大類：第一類屬于自然因素，如巖塊的變形性質(zhì)等；第二類屬于人為因素，如施工方法、形狀、支護(hù)措施、尺寸等。

3.1 巖塊的變形性質(zhì)

外載荷作用下，巖塊將產(chǎn)生變形，變形隨著載荷的增加而增加，當(dāng)載荷大于等于某一限值時(shí)，將導(dǎo)致巖塊破壞。與普通材料類似，巖塊變形也有彈性變形、塑形變形和流變變形之分，但是由于巖塊的復(fù)雜性，從而巖塊變形性質(zhì)也比普通材料要復(fù)雜得多。

3.1.1 單軸壓縮條件下巖塊變形性質(zhì)

1）連續(xù)加載下的變形性質(zhì)

（1）在單軸連續(xù)加載條件下，對(duì)巖塊試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可獲得各級(jí)載荷下的軸應(yīng)變?chǔ)臠和橫向應(yīng)變 εd，且其體積應(yīng)變 εv為：

εv=εL+εd

可將巖塊變形過(guò)程劃分成以下階段：

①孔隙裂隙壓密階段（圖1，OA段）在該階段，試件中結(jié)構(gòu)面或微裂隙隨著載荷的增加而逐漸閉合，巖石被壓密，逐漸形成早期的非線性變形。這個(gè)階段對(duì)裂隙性巖石來(lái)說(shuō)比較明顯，而對(duì)少裂隙的堅(jiān)硬巖石則不明顯或者不顯現(xiàn)。

②彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（圖1，AC）這一階段的曲線近似呈直線關(guān)系，而曲線開始（AB段）基本為直線，隨著應(yīng)力的增加而逐漸變?yōu)榍€（BC段）。彈性變形階段（AB段）不僅應(yīng)變與應(yīng)力成正比例關(guān)系，而且基本表現(xiàn)為可恢復(fù)的彈性變形 ，微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（BC段）的變形主要是塑性變形，試件內(nèi)開始逐漸出現(xiàn)新的微破裂，并隨應(yīng)力的增加，微破裂逐漸發(fā)展。隨著微破裂的出現(xiàn)，試件體積壓縮速率逐漸減緩，曲線偏離原來(lái)直線而向縱軸方向彎曲。

③非穩(wěn)定破碎發(fā)展階段（圖1，CD段）進(jìn)入這一階段后，應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸顯著，即使應(yīng)力保持不變，破碎現(xiàn)象仍會(huì)不斷地發(fā)展，并在其中一些薄弱部位首先發(fā)生破壞，應(yīng)力重分布，其他部位也逐漸破壞，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)容。

④破壞后階段（圖1，D點(diǎn)以后階段）巖塊出現(xiàn)宏觀斷裂面，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿著這個(gè)斷裂面進(jìn)行滑移，試件的承載能力隨著變形的增大而迅速下降，但是并沒(méi)有降到零，即破裂的巖石仍然有少部分的承載能力。

（2）峰值前巖塊的變形特性

根據(jù)米勒曾經(jīng)對(duì)28種巖石的試驗(yàn)成果，將巖塊峰值前的應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線分為以下6類：

類型Ⅰ：變形特性近似為直線，直到突然發(fā)生破壞，特別是堅(jiān)硬、極堅(jiān)硬的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型Ⅱ：初始為直線段，至末端則出現(xiàn)屈服段（即曲線段），特別是較堅(jiān)硬且少裂隙的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型Ⅲ：初始為上凹曲線，然后逐漸變?yōu)橹本€，直到突然發(fā)生破壞，特別是堅(jiān)硬而有裂隙發(fā)育的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型IV：中間部分很陡的“S”形曲線，特別是某些堅(jiān)硬變質(zhì)巖容易出現(xiàn)這類變形特性。類型V：中間部分較緩的“S”形曲線，特別是某些壓縮性較高的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型VI：初始為一直線段，然后就出現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的塑形變形和蠕變變形，特別是某些蒸發(fā)巖和極軟巖容易出現(xiàn)這類變形特性。

2）循環(huán)載荷條件下的變形性質(zhì)

當(dāng)在同一荷載下對(duì)巖塊進(jìn)行加載和卸載時(shí)，如果卸載點(diǎn)P的應(yīng)力小于巖石的彈性極限A，則卸載曲線將沿加載曲線回到出發(fā)點(diǎn)，即彈性恢復(fù)（圖3）；如果卸載點(diǎn)P的應(yīng)力大于巖石的彈性極限A，則卸載曲線將偏離原來(lái)的加載曲線，也不再回到出發(fā)點(diǎn)，變形除了彈性變形外，還出現(xiàn)了塑性變形（圖4）。

在反復(fù)加載和卸載的條件下，進(jìn)行變形試驗(yàn)，得到如圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可以得到以下結(jié)論：①逐級(jí)一次循環(huán)加載條件下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的外包線與連續(xù)加載條件下的曲線基本一致[圖5（a）]，說(shuō)明加載和卸載過(guò)程沒(méi)有改變巖塊變形的基本特性，這種現(xiàn)象也稱為巖石記憶；②每次加載和卸載曲線都不重合，并且圍成一個(gè)環(huán)形，稱為回滯環(huán)；③當(dāng)應(yīng)力在彈性極限以上某一個(gè)較大值下進(jìn)行反復(fù)加載和卸載時(shí)，由圖5（b）可見，曲線隨著反復(fù)的加載和卸載次數(shù)的逐漸增加而逐漸變陡，回滯環(huán)的面積逐漸變小，殘余變形逐漸增加，巖塊的總變形等于各次循環(huán)產(chǎn)生的殘余變形之和。

3.1.2 三軸壓縮條件下巖塊變形性質(zhì)

以往的試驗(yàn)研究表明：在有圍壓作用的條件下，巖石的變形性質(zhì)與單軸壓縮時(shí)有較大的差別。圖6和圖7為大理巖和花崗巖在不同圍壓大小條件下的曲線。由圖可知：首先，破壞前隨著圍壓的增大，巖塊的應(yīng)變也逐漸增大；其次，隨著圍壓的增大，巖塊的塑性也逐漸增大，并且由脆性逐漸轉(zhuǎn)化成延性。如圖6所示的大理巖，在圍壓為零或較低的情況下，巖石呈現(xiàn)脆性狀態(tài)；當(dāng)圍壓增大至50MPa時(shí)，巖石表現(xiàn)出由脆性向延性轉(zhuǎn)化的過(guò)渡狀態(tài)；圍壓增大至68.5MPa時(shí)，表現(xiàn)出延性流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)圍壓增大到165MPa時(shí)，試件承受力隨著圍壓的增大，出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。這說(shuō)明圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵的作用，通常把巖石由脆性轉(zhuǎn)化為延性的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力。圖7所示的花崗巖也有近似的特性。

3.2 巖塊的強(qiáng)度性質(zhì)

3.2.1 單軸抗壓強(qiáng)度

1）單軸抗壓強(qiáng)度的確定

在單向壓縮的情況下，巖塊所能夠承受的最大壓應(yīng)力即單軸抗壓強(qiáng)度，也可以稱為抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度的測(cè)試方法比較簡(jiǎn)單，并且與剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間存在著一定的比例關(guān)系，因此可以借助抗壓強(qiáng)度大致估算出其他強(qiáng)度參數(shù)。

使用標(biāo)準(zhǔn)試件在單軸壓力機(jī)上施加軸向載荷，直到試件破壞所獲取的強(qiáng)度即為巖塊的抗壓強(qiáng)度。例如設(shè)試件已經(jīng)被破壞，則巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度為：

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；pc為荷載，N；A為橫截面面積，mm2。

2）單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素

（1）加工精度和試件的幾何形狀；

（2）加載速率；

（3）端面條件；

（4）濕度和溫度；

（5）層理結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)研究顯示，巖塊的三軸壓縮強(qiáng)度的影響因素有圍壓、空隙壓力、巖塊本身的性質(zhì)、溫度、濕度、試件的形狀大小等。特別是礦物的成分、結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況及其相對(duì)于最大主應(yīng)力的方向和圍壓的影響尤為顯著。

3.3 巖體的結(jié)構(gòu)特征

巖體的結(jié)構(gòu)特征可以采用巖體的破碎或者巖體的完整性來(lái)表示，在一定程度上它反映出了巖體受到地質(zhì)構(gòu)造作用的程度。在近代圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)把巖體的破碎程度或者巖體的完整性作為分類的基本指標(biāo)之一。破碎程度在某種程度上面反映出了巖土體在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的破壞作用的程度，巖土體越破碎則隧道越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生垮塌等現(xiàn)象。

3.4 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合

對(duì)于地下洞室來(lái)說(shuō)，圍巖中僅僅存在單一的結(jié)構(gòu)面，一般不會(huì)影響地下洞室的穩(wěn)定性。只有當(dāng)?shù)叵露词逸S線與結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)大于等于兩組的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才可能出現(xiàn)墜落的分離巖體。因此，在圍巖分類中，可以用如下的5個(gè)方面來(lái)研究結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室穩(wěn)定性影響的大?。?/p>

（1）結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史；

（2）結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；

（3）結(jié)構(gòu)面的密度及組數(shù)；

（4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及方向；

（5）結(jié)構(gòu)面的充填物質(zhì)情況。

3.5 初始應(yīng)力狀態(tài)

自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成了巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)。初始應(yīng)力往往會(huì)影響洞室開挖之后的穩(wěn)定性。地下工程的巖體失穩(wěn)主要是開挖過(guò)程中引起應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖自身的強(qiáng)度或者引起圍巖的變形過(guò)大，而應(yīng)力重分布是否達(dá)到限定值與初始應(yīng)力場(chǎng)的方向和量值有關(guān)。地下洞室軸線的選擇通常與水平最大主應(yīng)力方向平行用來(lái)改善地下洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

3.6 地下水

地下水對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的不利作用主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）滲壓梯度；

（2）潤(rùn)滑作用；

（3）軟化作用；

（4）泥化作用。

3.7 特殊地質(zhì)條件

當(dāng)?shù)叵鹿こ檀┰教厥獾刭|(zhì)條件時(shí)，圍巖穩(wěn)定性的維護(hù)就更加困難，此時(shí)的巖層松散破碎，鄰近地帶的巖層節(jié)理裂隙比較發(fā)育，地下水情況往往也比較復(fù)雜，再加上地應(yīng)力比較大，就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的地壓現(xiàn)象。強(qiáng)擠壓的斷層破碎帶、緊密褶皺帶和較寬的張性斷裂帶以及幾條斷層交會(huì)的地帶，是工程中常見的不良地質(zhì)地段。

3.8 工程施工影響

施工因素主要是指隧道的規(guī)模、施工方法、方位、支護(hù)形式、施工方法及其他工程活動(dòng)的影響等等。一般的支護(hù)方法有注漿法、超前支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)等等，選擇正確的支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)對(duì)于隧道圍巖的穩(wěn)定有著關(guān)鍵性的作用。

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