卜崇陽李 明

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院）

關(guān)門式塌方的四種模型及機(jī)理探討

卜崇陽1李 明1

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院）

近年來隨著隧道修建在交通網(wǎng)中的日益凸顯，隧道關(guān)門式塌方對人員生命和財(cái)產(chǎn)、工期等造成破壞性的后果。塌方原因錯(cuò)綜復(fù)雜，關(guān)門式塌方以拱形塌方與塌穿型塌方為主。依據(jù)塌方原因及性質(zhì)，塌方模型可分為四種；各向異性Maxwell黏彈性模型、蠕變時(shí)程特性與本構(gòu)模型、突變失穩(wěn)彈塑性模型、層狀巖層引起關(guān)門式塌方模型等，不同的模型探討、演化出不同的適用于自身模型的塌方機(jī)理。四種關(guān)門式塌方模型及機(jī)理在近些年工程實(shí)際中得到了較好的驗(yàn)證。

關(guān)門式塌方；各向異性Maxwell黏彈性模型；蠕變時(shí)程特性與本構(gòu)模型；突變失穩(wěn)彈塑性模型；層狀巖層引起關(guān)門式塌方模型

科技進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動我國交通事業(yè)的飛速前行。因此，隧道建設(shè)成為我國這個(gè)群山延綿不絕國家交通網(wǎng)必不可少的一部分。20世紀(jì)末至21世紀(jì)各種用途的隧道的修建改善了我國運(yùn)輸出行、線路。然而隧道修中常常發(fā)生不同程度的塌方事故。關(guān)門式塌方可分為局部塌方、拱形塌方、塌穿型塌方等基本三大類[1]。近年來，關(guān)門式塌方主要是拱形塌方與塌穿型塌方。

1 各向異性Maxwell黏彈性模型[2]

在各向異性巖體中，隧道連續(xù)開挖時(shí)隧道內(nèi)邊界條件隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，著重信息化施工，要求隧道開挖工程不僅關(guān)注開挖后的狀態(tài)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，對開挖過程中的各個(gè)工況及人員安全及隧道安全穩(wěn)定也提出了更高的要求。

1）勻速開挖粘彈性時(shí)變位移解

隧道以勻速進(jìn)行開挖，假定開挖速度得到黏彈性時(shí)變Laplace變換位移解經(jīng)一系列換得到的隧道勻速開挖過程中粘彈性時(shí)變位移解：

式中：

2）加速開挖黏彈性時(shí)變位移解

對于隧道加速開挖情況 ，假定加速度，并經(jīng)變換得到隧道加速開挖過程中圍巖黏彈性時(shí)變位移解：

式中：

利用 Maxwell 黏彈性模型，不僅考慮巖體各向異性特性在隧道開挖過程及開挖后對圍巖時(shí)變位移的影響，還可以考慮在各向異性狀態(tài)下，隧道勻速開挖進(jìn)尺、速度及加速開挖進(jìn)尺對圍巖時(shí)變位移的影響，從而確定更加合適的隧道初支厚度、開挖進(jìn)尺、開挖速度以及正常情況下隧道開挖工期。

2 蠕變時(shí)程特性與本構(gòu)模型[3]

隧道在近水平軟巖層中開挖時(shí)，往往會因?yàn)榈刭|(zhì)情況不良而遇到擠壓性大變形問題。導(dǎo)致隧道圍巖擠壓大變形的因素往往不是單一的，造成隧道圍巖擠壓變形的原因一般為：圍巖巖性極度軟弱或者是圍巖松散破碎；巖體埋深較深呈現(xiàn)出高地應(yīng)力狀態(tài)；隧道圍巖屬于強(qiáng)擠壓型的地質(zhì)構(gòu)造帶；隧道開挖對隧道圍巖二次應(yīng)力重分布的影響大。隧道圍巖的這種擠壓型大變形特征通常表現(xiàn)為圍巖變形速率快，收斂穩(wěn)定時(shí)間持續(xù)長，隧道經(jīng)常在開挖后，在隧道圍巖形變過程中發(fā)生失穩(wěn)或者坍塌。這種現(xiàn)象從流變的角度歸結(jié)為巖體大變形非線性蠕變行為。

近水平軟巖層中隧道圍巖的蠕變模型通?？刹捎肕axwel模型、Kelvin模型、廣義Kelvin模型、Poyting-Thomson模型、Burgers模型等基本模型。

3 突變失穩(wěn)彈塑性模型[4-5]

因此，鉛直應(yīng)力、水平應(yīng)力、彈塑性梁自重、圍巖體屈服應(yīng)力等因素滿足特殊關(guān)系時(shí)，隧道即發(fā)生失穩(wěn)破壞。此失穩(wěn)條件應(yīng)引起足夠的重視，尤其是隧道開挖后，受時(shí)間效應(yīng)、空間效應(yīng)、蠕變及擾動等的影響，應(yīng)力會發(fā)生很大的變化，容易在初期支護(hù)后的某個(gè)時(shí)刻發(fā)生破壞，極易導(dǎo)致關(guān)門式塌方。

4 層狀巖層引起關(guān)門式塌方模型[6]

在近水平巖層中隧道開挖對巖體擾動、圍巖壓力形成應(yīng)力重分布不能再局限于只計(jì)算整體圍巖壓力，而要考慮巖體中部分控制性的微元體、節(jié)理、裂隙、巖體受力特征等對巖體的影響，避免因忽略局部問題而引發(fā)的隧道失穩(wěn)破壞。

因此，對于隧道開挖影響范圍內(nèi)的巖層，巖體強(qiáng)度、圍巖穩(wěn)定等都與交界面層的強(qiáng)度有著極為密切的動態(tài)關(guān)系。面層或者節(jié)理的存在均弱化了圍巖強(qiáng)度，應(yīng)用莫爾強(qiáng)度理論和最大剪應(yīng)力理論可以得到相似的結(jié)論。只有巖體材料屬性完全相同時(shí)，近水平巖層巖體強(qiáng)度才與面層、節(jié)理無關(guān)。而實(shí)際工程中極少存在完美的地質(zhì)條件。

[1]王成兵.軟弱破碎隧道圍巖漸進(jìn)性破壞機(jī)理研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[2]李鏡培，饒平平等.各向異性黏彈性隧道開挖位移時(shí)變解析解[J]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,4（43）：94-98.

[3]高焱.軟弱圍巖隧道流變特性研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013.

[4]凌復(fù)華.突變理論及其應(yīng)用[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1987：101-105.

[5]陳先國. 隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及判據(jù)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2002.

[6]鮮學(xué)福，譚學(xué)術(shù).層狀巖體破壞機(jī)理[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，1989:41-96.

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1007-6344（2016）07-0332-01

卜崇陽（1988），女，漢族，陜西省靖邊縣，碩士研究生，重慶交通大學(xué)，從事道橋及隧道方面理論研究。