文云波

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性研究的方法呈現(xiàn)出各種各樣。文章通過(guò)資料的查閱，總結(jié)了隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，在前人研究的基礎(chǔ)上分析了其以后的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：公路隧道；圍巖穩(wěn)定性；理論研究；數(shù)值模擬；模型試驗(yàn)

1 概述

近幾年隨著我國(guó)加大了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度，我國(guó)的隧道也隨之不斷發(fā)展，其規(guī)模越來(lái)越大，樣式越來(lái)越多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，我國(guó)大陸運(yùn)營(yíng)公路隧道14006座，總長(zhǎng)12684km，每年其數(shù)量都在以16%的速度增長(zhǎng)，這其中包含了各種地質(zhì)、環(huán)境等差的隧道。為了解決隧道施工及運(yùn)行的安全，因此，大量的從事隧道相關(guān)的科研人員對(duì)其穩(wěn)定進(jìn)行了大量的研究。本文對(duì)他們的研究總結(jié)及其闡述，并在前人研究的基礎(chǔ)上分析了未來(lái)隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2 圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

2.1 理論研究現(xiàn)狀

圍巖壓力理論從19世紀(jì)的古典壓力理論，后來(lái)的散體壓力理論，到現(xiàn)在的彈性力學(xué)理論及塑性力學(xué)理論，人們無(wú)不時(shí)時(shí)刻刻在對(duì)圍巖壓力理論進(jìn)行研究。在國(guó)外，芬納（Fenner）-塔羅勃根據(jù)壓力理論總結(jié)出了圍巖的彈塑性應(yīng)力圖形，日本研究人員Kawamoto采用美國(guó)學(xué)者Krajcinova提出的損傷力學(xué)知識(shí)對(duì)節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。在國(guó)內(nèi)孫鈞通過(guò)對(duì)圍巖-支護(hù)系統(tǒng)受力機(jī)理的理論研究，其提出了西原模型在隧道圍巖-支護(hù)系統(tǒng)中的有限元解朱合華[1]提出了廣義虛擬支撐力法，其采用位移釋放系數(shù)來(lái)反映掘進(jìn)面對(duì)圍巖的空間約束程。大量理論研究表明隧道開(kāi)挖后會(huì)使圍巖原始應(yīng)力發(fā)生改變，并在開(kāi)挖面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值模擬現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，其計(jì)算能力得到不斷提高，能夠方便快速的解決問(wèn)題，因此越來(lái)越多科研人員采用數(shù)值模擬來(lái)解決圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題。現(xiàn)有的數(shù)值模擬大致分為4種，其包括有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法。

有限元法是發(fā)展的非常早的數(shù)值分析方法，發(fā)展到現(xiàn)在其十分成熟，并包含了幾十種巖體的本構(gòu)模型。邊界元法是在有限差分法、有限元法發(fā)展了很多年后提出了的，其不占用計(jì)算機(jī)大量?jī)?nèi)存、能夠快速得到圍巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，在對(duì)無(wú)限域和半無(wú)限域的圍巖穩(wěn)定性研究中被廣泛采用，同濟(jì)大學(xué)的朱合華對(duì)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。離散元法具有不受節(jié)理巖體相對(duì)微小位移的限制這一特點(diǎn)，其被用來(lái)計(jì)算具有不連續(xù)變形性質(zhì)的節(jié)理巖層，得到圍巖坍落力學(xué)效應(yīng)。

2.3 模型試驗(yàn)現(xiàn)狀

理論分析和數(shù)值研究采用的參數(shù)和假定的條件與實(shí)際工程狀況存在一定偏差，因此導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際情況不一樣。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)這些不足提出了模型試驗(yàn)研究這一方法。他們得到了很多跟實(shí)際工程相似的結(jié)論，S.C.Bandi對(duì)圓形洞室開(kāi)挖進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，其發(fā)現(xiàn)在高地應(yīng)力條件下圍巖的各向異性性質(zhì)十分明顯，巖體構(gòu)造控制著其應(yīng)力和變形。中科院武漢巖土力學(xué)研究所的陳衛(wèi)忠對(duì)節(jié)理圍巖變形特性和錨固效應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，他得到了在不同初始地應(yīng)力場(chǎng)條件下，開(kāi)挖過(guò)程中圍巖力應(yīng)力的變化規(guī)律。大連理工大學(xué)朱瑋[2]通過(guò)對(duì)裂碎圍巖進(jìn)行模型試驗(yàn)，其得到了該圍巖存力學(xué)模型，為其的穩(wěn)定性研究提供了基礎(chǔ)。西南交通大學(xué)王明年利用平面應(yīng)力模型對(duì)三車(chē)道的公路隧道進(jìn)行了研究。但此試驗(yàn)是在臥式試驗(yàn)坑內(nèi)進(jìn)行的，只限于平面問(wèn)題，無(wú)法反映巖體的自重效應(yīng)。蔣樹(shù)屏[3]通過(guò)公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)公路隧道進(jìn)行相似模型實(shí)驗(yàn)，其發(fā)現(xiàn)可以用S型函數(shù)擬合大跨度扁坦隧道圍巖位移的時(shí)變響應(yīng)，開(kāi)挖方法和施工過(guò)程等因素決定位移釋放系數(shù)，不采用支護(hù)的隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)與開(kāi)挖斷面形狀有關(guān)。李英杰通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)軟弱破碎深埋隧道圍巖漸進(jìn)性破壞進(jìn)行研究，其表明在逐漸加載過(guò)程中隧道拱腰處形成v楔形體，其范圍逐漸擴(kuò)大到拱頂，深埋隧道圍巖受力可分為三個(gè)區(qū)域，其從開(kāi)挖輪廓線向外依次是松動(dòng)區(qū)、壓力拱拱體、原巖應(yīng)力區(qū)。

3 圍巖穩(wěn)定性研究展望

雖然近年來(lái)在巖體的本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、應(yīng)力條件等方面取得了重大進(jìn)步，但在隧道圍巖的非線性的本構(gòu)關(guān)系，多樣的邊界條件以及不同應(yīng)力條件多變性等方面，我們需要更深入的研究，用更好的研究方式與方法來(lái)研究圍巖的穩(wěn)定性，使得其結(jié)果跟接近實(shí)際工程情況。

總所周知隧道圍巖具有非連續(xù)性和多變性等特點(diǎn)，及數(shù)值模擬方法的局限性，我們很難用一種數(shù)值模擬方法得到其很好的結(jié)果，因此，為了圍巖穩(wěn)定的數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)在許多學(xué)者借助其他領(lǐng)域在數(shù)值模擬的先進(jìn)性，在對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性研究的過(guò)程中，他們開(kāi)始采用幾個(gè)數(shù)值模擬軟件來(lái)對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行耦合分析。耦合的數(shù)值分析如有限元與邊界元的耦合、離散元與邊界元的耦合等。通過(guò)幾個(gè)軟件的耦合分析，其不僅能夠充分發(fā)揮數(shù)值模擬各自的優(yōu)點(diǎn)，并能很好的去掉各種的不足，而且數(shù)值模擬的結(jié)果更趨近于真實(shí)值。

由于圍巖是一個(gè)十分復(fù)雜的整體，其包含的很多分支，所以近年來(lái)，有些學(xué)者認(rèn)為隧道圍巖穩(wěn)定性研究實(shí)際是對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、巖體的特點(diǎn)、環(huán)境等的研究，其是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，因此他們提出把所有影響圍巖穩(wěn)定性的因素考慮進(jìn)去，對(duì)圍巖穩(wěn)定性研究建立一個(gè)系統(tǒng)的分析方法，這樣才能夠全方位且真實(shí)的對(duì)隧道穩(wěn)定性研究。

由于隧道圍巖被結(jié)構(gòu)面分為許多不同大小的塊體，因此根據(jù)巖體的塊體理論可把其分成不穩(wěn)定和穩(wěn)定兩類塊體，運(yùn)用數(shù)學(xué)方面的理論知識(shí)構(gòu)造出圍巖的所有存在的塊體，并將這些塊體進(jìn)行系統(tǒng)的分類，其可分為穩(wěn)定、可能發(fā)生危險(xiǎn)、危險(xiǎn)等，在圍巖穩(wěn)定性分析過(guò)程中，確定這些類型的塊體，從而的到處與真實(shí)值相識(shí)的結(jié)果，有助于設(shè)計(jì)和施工的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性研究的方法呈現(xiàn)出各種各樣。本文通過(guò)資料的查閱，從理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)三方面總結(jié)了隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，在前人研究的基礎(chǔ)上分析了以后對(duì)圍巖穩(wěn)定性研究方面技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，表明圍巖穩(wěn)定性研究方式會(huì)越來(lái)越系統(tǒng)化、多種手段相結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1]孫鈞，朱合華.軟弱圍巖隧洞施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J].巖土力學(xué)，1994，15（4）：20-32.

[2]朱瑋，許勁松.碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道工程穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)研究[J].東北公路，1989，（2）：70- 73.

[3]蔣樹(shù)屏，劉洪洲，鮮學(xué)福.大跨度扁坦隧道動(dòng)態(tài)施工的相似模擬與數(shù)值分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（5）：567- 572.

[4]李英杰，張頂立，宋義敏，等.軟弱破碎深埋隧道圍巖漸進(jìn)性破壞試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（6）：1138-1147.