陳欣 姚延化

摘要：隧道及地下工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)隧道工程理論和實(shí)驗(yàn)的研究提出了新的挑戰(zhàn)，許多學(xué)者對(duì)隧道硐室的圍巖穩(wěn)定做了大量的工作，并對(duì)影響圍巖穩(wěn)定性的因素、圍巖強(qiáng)度判據(jù)和圍巖失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析，取得了許多成果。

關(guān)鍵詞 隧道硐室 穩(wěn)定性 強(qiáng)度判據(jù) 圍巖失穩(wěn)

一、隧道圍巖失穩(wěn)形式

周圍巖體作用于隧道或地下硐室襯砌或支護(hù)上的荷載，稱為地層壓力。地層壓力產(chǎn)生效應(yīng)，使圍巖及硐室支護(hù)失穩(wěn)破壞，這就是隧道及地下硐室圍巖破壞的起因。人們通過對(duì)開挖后或者襯砌與支護(hù)后硐室圍巖的變形與破壞，開始認(rèn)識(shí)到地層壓力，目前的研究與實(shí)踐表明，隧道開挖后，應(yīng)力狀態(tài)可分為三個(gè)區(qū)域，即應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、初始應(yīng)力區(qū)。圍巖壓力類型則一般分為松動(dòng)壓力、形變壓力、膨脹壓力、沖擊壓力四種。

工程實(shí)際中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，隧道破壞的類型也不近相同，但地下硐室圍巖的破壞類型一般分為以下幾種：

（1）圍巖的局部坍塌。這種破壞大多在硐室的拱部發(fā)生，在硐室的側(cè)壁也會(huì)偶爾出現(xiàn)，對(duì)于大塊律巖體，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面切割巖體后產(chǎn)生了許多形狀各異不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體，而硐室在開挖后，這些結(jié)構(gòu)體之間的摩擦力朝洞內(nèi)滑移，使圍巖坍塌。此類坍塌的規(guī)模一般比較小，高度一般在0.5米至2.5米，在2類及2類以上的硬巖中容易出現(xiàn).

（1）圍巖的拱形塌方。這類破壞形式一般在層狀巖體或碎塊狀巖體等節(jié)理巖體中發(fā)生。它分二類：―類是在硐室截面范圍之內(nèi)，只是在拱部出現(xiàn)；另一類是擴(kuò)大形的拱形塌方，塌方在側(cè)壁等位置也會(huì)出現(xiàn)。此類塌方大多在2類以下的軟弱地層中出現(xiàn)。

（2）圍巖的異形破壞。異形破壞是由于硐室圍巖存在溶洞、陷穴、淺埋、偏壓等工程地質(zhì)缺陷而產(chǎn)生的。在有上述特殊工程地質(zhì)條件下的巖體中進(jìn)行隧道施工時(shí)，應(yīng)查明上述工程地質(zhì)規(guī)模和對(duì)隧道的影響。

（3）膨脹巖硐室破壞。產(chǎn)生此類塌方的主要原因是由于膨脹壓力很高，作用于硐室支護(hù)上，使圍巖的穩(wěn)定性和強(qiáng)度受到損失。

（3）大變形失穩(wěn)和巖爆。巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)硐室中圍巖彈性變形勢(shì)能突然猛烈釋放造成的巖體爆裂并彈射出來的現(xiàn)象。巖爆一般發(fā)生在有較大埋深硬脆巖體區(qū)，巖爆危害較大，嚴(yán)重威脅施工人員與施工設(shè)備的安全。巖爆產(chǎn)生的巖體結(jié)構(gòu)為塊狀巖體，與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。

二、圍巖穩(wěn)定性判據(jù)

圍巖的穩(wěn)定性研究一直是研究隧道工程的熱門問題，也是研究隧道等地下工程無法規(guī)避的一個(gè)問題。但是圍巖穩(wěn)定的判據(jù)到目前為止，仍然沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這主要因?yàn)樵趯?shí)際工程中所面對(duì)的情況太復(fù)雜了。通過大量的總結(jié)工作，當(dāng)前的圍巖穩(wěn)定性判據(jù)一般分為以下三種：

（1）圍巖強(qiáng)度判據(jù)：圍巖強(qiáng)度判據(jù)是以巖石強(qiáng)度理論理論為基礎(chǔ)建立的，如Drucker-Prager和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則等，從力學(xué)觀點(diǎn)看，圍巖喪失穩(wěn)定就是其中應(yīng)力達(dá)到或超過巖體強(qiáng)度的范圍比較大，最后形成一個(gè)連續(xù)貫通的塑性區(qū)和滑裂面，因此，圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)上就是巖體應(yīng)力和變形的分析。

（2）圍巖極限應(yīng)變判據(jù)：巖體處于破壞極限時(shí)的應(yīng)變稱為極限應(yīng)變，極限應(yīng)變一般要由巖石的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)才能得到，許多試驗(yàn)也表明，室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)的結(jié)果比較符合。雖然巖石的極限應(yīng)變可以通過室內(nèi)試驗(yàn)確定確定，但是在工程實(shí)際中如何確定卻是一件很困難的事。所以圍巖極限應(yīng)變判據(jù)在工程實(shí)際中難以實(shí)施。

（3）圍巖向洞內(nèi)收斂位移判據(jù)：巷道圍巖周邊各點(diǎn)趨向于巷道中心的變形稱為收斂，隧道收斂位移是指周邊各點(diǎn)趨向于巷道中心的位移量。

三、隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素

很多因素對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但是從性質(zhì)上來說，一般分為兩大類：第一類為客觀存在的地質(zhì)環(huán)境因素，如巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地下水、巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)等，它們決定了圍巖的質(zhì)量；第二類則屬于工程活動(dòng)的人為因素，如隧道的形狀、尺寸、施工方法、支護(hù)措施等。

（1）巖體的結(jié)構(gòu)特征

巖體的結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的穩(wěn)定具有重大的影響，通過對(duì)圍巖強(qiáng)度產(chǎn)生作用而使圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)受到影響?？梢酝ㄟ^圍巖的完整程度上來判斷圍巖的穩(wěn)定狀況，假如圍巖較為完整，在隧道開挖后，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較小時(shí)，應(yīng)力重分布產(chǎn)生的作用一般不會(huì)使巖體破壞，即使巖體遭到破壞，所產(chǎn)生的破壞變形也較小。

（2）地下水的作用

圍巖巖體中地下水賦存條件與活動(dòng)狀況，不管是對(duì)應(yīng)力狀態(tài)還是圍巖強(qiáng)度，都有較大影響，從而影響險(xiǎn)道圍巖的穩(wěn)定性。按照巖體中含水量的不同，可分為三級(jí)，即干燥、有滲水、潮濕，如表。大量的工程實(shí)踐證明，水是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)重要原因。地下水對(duì)圍巖的影響一般有四個(gè)方面。1、靜水壓力作用，靜水壓力使圍巖增加了額外的外在荷載，使作用于硐室圍巖的荷載增加，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。2、動(dòng)水壓力作用，水流的流動(dòng)帶走了部分較小的巖土，從而破壞了巖石的整體穩(wěn)定性。、潤(rùn)滑作用，地下水的作用，使巖體不連續(xù)面上產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，從而導(dǎo)致摩擦阻力減小，即抗剪強(qiáng)度降低，巖體更易被破壞。3、軟化作用，地下水的作用，使巖體的含水量增加，從而影響了巖體的強(qiáng)度性質(zhì)，使巖體強(qiáng)度降低，增大了圍巖的塑性變形或破壞區(qū)域的范圍。

（3）隧道形狀和埋深

隧道的截面形狀和尺寸對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定具有重大影響，主要體現(xiàn)在對(duì)圍巖應(yīng)力重分布的影響上。許多理論與實(shí)踐證明，隧道的截面形狀和尺寸，尤其是隧道的跨度，對(duì)開挖過程中的應(yīng)力重分布具有顯著的作用，在巖體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)較為相似時(shí)，開挖跨度愈大，穩(wěn)定性就愈差。把未幵挖前的巖體作為一個(gè)整體來看，開挖的跨度越大，巖體的破壞程度越高，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性越差。此外增加硐室的高度時(shí)，硐室兩邊的穩(wěn)定性將受到影響。隧道的截面形狀對(duì)隧道周邊的應(yīng)力集中程度有重要影響。對(duì)于圓形或者橢圓形隧道，室周邊上可能出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力的部位在巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力軸和最小主應(yīng)力軸與周邊垂直相交的，兩點(diǎn)，這兩點(diǎn)之間所產(chǎn)生的應(yīng)力值介于兩個(gè)極值之間，并逐漸過渡。埋深對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在增加圍巖的初始地應(yīng)力方面，深埋硐室導(dǎo)致高地應(yīng)力，從而使圍巖的穩(wěn)定性降低，可能使硐室周邊產(chǎn)生很大的塑性區(qū)域，并加大破壞程度。

參考文獻(xiàn)：

【1】張濤，深埋硐室?guī)r爆應(yīng)力預(yù)測(cè)判據(jù)與應(yīng)用研究 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，

【2】李鈾，彭意論圓形斷面井巷圍巖彈塑性應(yīng)力莫爾一庫倫準(zhǔn)確解答，土工基礎(chǔ)2006，200（2）：