張坤

摘要：隧道及地下工程施工使得天然巖體的固有狀態(tài)被破壞，通過應力調整和變形傳遞，圍巖試圖達到新的平衡狀態(tài)。然而由于地層條件的差異性，在有些條件下隧道圍巖通過應力重新分布后能自行穩(wěn)定，而當?shù)刭|條件較差時隧道圍巖無法自穩(wěn)，常表現(xiàn)為隧道失穩(wěn)和破壞，嚴重威脅工程安全，此時需采取適當?shù)耐獠扛深A，以協(xié)助圍巖形成新的平衡。

關鍵詞：復雜隧道圍巖安全性;評價方法

前言：

根據(jù)隧道開挖擾動范圍內圍巖穩(wěn)定性的差異，將隧道周邊一定范圍內喪失整體穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)長期自穩(wěn)的松動區(qū)圍巖劃分為淺層圍巖，在此范圍以外整體穩(wěn)定性較好且能夠承擔地層荷載的圍巖則為深層圍巖。

一、復雜隧道圍巖穩(wěn)定性特點

因隧道所處地層條件的不同，隧道圍巖結構表現(xiàn)形式及穩(wěn)定性也各有特點。對于砂性地層，圍巖結構表現(xiàn)為復合襯砌結構，復合襯砌通常表現(xiàn)為以下三種破壞模式。（1）上部垮落：當拱腳尚處于穩(wěn)定狀態(tài)時，復合襯砌結構承載主體階段性向上移動，承載結構逐漸趨于穩(wěn)定，垮落程度會階段性趨緩，并最終穩(wěn)定。（2）拱腳失穩(wěn)：由于穩(wěn)定襯砌結構滿足合理襯砌軸線，其矢跨比是一定的，因此拱腳失穩(wěn)造成復合襯砌跨度增大，拱腳位置外移，隨著上部圍巖繼續(xù)垮落，復合襯砌高度進一步增大，最終形成的穩(wěn)定襯砌結構的范圍將大于上部垮落模式下的范圍。（3）下部滑移：該模式對復合襯砌結構的影響體現(xiàn)在兩個方面，其一為拱腳支撐條件發(fā)生變化而失穩(wěn)，其二為維持穩(wěn)定的強力鏈無法構成完整閉合環(huán)而發(fā)生重組。在這兩種因素的共同作用下，襯砌結構在高度和跨度上同時向外擴展。上述破壞模式對應于三種不同的復合襯砌失穩(wěn)模式，其中后兩種模式都伴隨著拱腳的失穩(wěn)破壞，從而使得復合襯砌結構跨度增大，導致最終穩(wěn)定時破壞范圍大于模式?？梢?，對隧道圍巖穩(wěn)定除結構面的組合狀態(tài)和初始應力、巖石硬度、地下水、人為因素等因素外，控制的關鍵在于拱腳的保護，這同時也是控制最終破壞范圍的最有效手段。

二、復雜隧道圍巖安全性

1.隧道圍巖失穩(wěn)破壞的結構性特點。由于工程地質條件的復雜性以及隧道施工的周期性，伴隨著圍巖應力狀態(tài)的改變，圍巖強度也在不斷變化。內層圍巖應力狀態(tài)較差而率先失穩(wěn)破壞，而后應力再次重分布，形成新的傳力襯砌結構，如此循環(huán)。當圍巖中所形成的傳力襯砌結構在一定時間內能維持自穩(wěn)時，則為支護的施作留有余地。實際工程中，這部分松動巖體荷載通常已由及時施作的支護結構所支撐，因此并不會失穩(wěn)垮落。根據(jù)隧道開挖擾動范圍內圍巖穩(wěn)定性的差異，將隧道周邊一定范圍內喪失整體穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)長期自穩(wěn)的松動區(qū)圍巖劃分為淺層圍巖，在此范圍以外整體穩(wěn)定性較好且能夠承擔地層荷載的圍巖則為深層圍巖，實際工程中淺層圍巖需要及時有效的支護以防止圍巖失穩(wěn)坍塌，而對于深層圍巖則可能需要一定的干預措施以維持其自穩(wěn)能力。

2.深層圍巖的結構層效應。在施工擾動作用下，每組深層圍巖結構的協(xié)調運動表明該組巖層力學行為相似。然而，由于天然地層物理力學性質的差異性、結構的空間尺度效應及外部荷載分布性特點，同一深層圍巖中各巖層的受力特性和承載結構也有所不同。一般來說，內側巖層承載能力和穩(wěn)定性較好，可將其稱為“結構層”，而在此之外穩(wěn)定性較差的巖層，通常作為“結構層”的載荷而存在，可將其稱為“荷載層”?？梢娒拷M深層圍巖均由“結構層”和“荷載層”所組成，其穩(wěn)定性由“結構層”的力學性能所決定，因此“結構層”的穩(wěn)定性也是該組深層圍巖穩(wěn)定性控制的核心。而由于地層條件的差異性和與工程影響的復雜性，在某些條件下深層圍巖中并不存在荷載層，即整個圍巖組均表現(xiàn)出“結構層”的性能，這顯然有利于圍巖組的穩(wěn)定性。一般來說，第一組深層圍巖結構層對隧道圍巖穩(wěn)定性起著至關重要的作用。在淺層圍巖發(fā)展過程中，若采取有效的預加固和預支護措施，則淺層圍巖發(fā)展即行停止，部分原本屬于淺層圍巖范疇的巖層穩(wěn)定性提高而成為深層圍巖的一部分;反之若在施工過程中缺乏有效的圍巖穩(wěn)定性控制措施，使得深層圍巖結構層破壞而轉化為淺層圍巖，造成淺層圍巖范圍進一步擴大，直至相對穩(wěn)定的結構層出現(xiàn)后再次實現(xiàn)短期平衡?？梢姡顚优c淺層圍巖是相對的，在一定條件下可相互轉化。此外，當外側深層圍巖某一結構層失穩(wěn)后則該組深層圍巖將作為上一組深層圍巖的荷載層所存在，這表明深、淺層圍巖以及不同圍巖組之間是動態(tài)發(fā)展的，因此深、淺層圍巖邊界亦將呈現(xiàn)階段性發(fā)展的特點。

3.輔助施工措施的影響分析。對于極不穩(wěn)定的復雜圍巖狀態(tài)，采取輔助施工措施一直都是一項必要的工作，通常采取以提高圍巖穩(wěn)定性為核心的地層預加固和以防坍塌為核心的地層預支護措施。按照圍巖失穩(wěn)模式，地層加固可采取超前帷幕注漿、小導管注漿、全斷面注漿，垂直旋噴以及必要時的凍結加固等，而預支護則包括各種形式的長短管棚以及水平旋噴支護等。注漿加固地層的本質作用是提高圍巖的強度和穩(wěn)定性，也是隧道及地下工程中極為有效的關鍵技術，其加固效果受到多種因素的影響和制約，包括漿材料、工藝方式以及所采用的注漿裝備等。不同地層條件具有不同的注漿作用機制和方式，包括充填注漿、擠壓注漿、劈裂注漿和滲透注漿等，但地層加固參數(shù)仍然是影響加固效果的重要技術指標。

綜合以上分析可知，為了保證復雜圍巖條件隧道施工的安全，對地層進行預加固和預支護通常是必要的，這在隧道工程中也稱為輔助施工措施，其作用效果取決于地層條件、工程性質以及施工效應和特點，同時這也將決定了工程的安全性。

三、復雜隧道圍巖安全性評價方法

1.安全性評價指標的確定。為了客觀地評價隧道圍巖的安全性，應建立包括圍巖超前變形、施工破壞和預支護有效性三個方面

的控制指標，具體是指：（1）圍巖變形指標包括掌子面處的最大變形量、超前變形范圍和急劇變形范圍;（2）圍巖破壞指標包括超前破壞模式、破壞區(qū)的縱向范圍和徑向范圍;（3）圍巖加固有效性指標包括圍巖加固后變形量的。指標權重的確定與評價體系如前所述，基于對隧道圍巖安全性的影響，這三類指標的權重是不同的，圍巖的超前變形和破壞應是核心指標，決定了隧道圍巖的加固方式、加固范圍以及隧道開挖方法，而加固有效性則重點是針對特殊結構的圍巖條件，更多涉及到技術難度和經(jīng)濟指標的內容。根據(jù)以上確定的因子及其相互關系，建立遞階狀層次結構，可分為3 個層次：目標層、類指標層和基礎指標層。其中目標層是指隧道工程安全性，是整個層次分析的最終目標;類指標層表示隧道圍巖超前變形、超前破壞和加固有效性特征，它是一級評價因子;針對分析影響一級評價因子的因素，本文采用層次分析法（簡稱AHP）確定各個評價指標的權重。參照大量工程實踐的監(jiān)測結果，對各因素進行評價，構成判斷矩陣，進而確定指標權重。擬確定圍巖超前變形量、超前破壞度和加固有效性的權重按照具體的圍巖和工程特點進一步確定各類指標中單項指標的權重分配，據(jù)此可對綜合效果做出預測和評價。

2.安全度的分析與計算。為對隧道圍巖安全的差異性做出描述，可借助圍巖安全度進行表征，針對具體的工程條件，可分別計算出圍巖變形量、圍巖超前破壞系數(shù)和圍巖加固有效度參數(shù)，然后再按照各自的權重計算出隧道圍巖安全度，由此得到的安全度即表征了隧道圍巖的安全性。復雜圍巖控制的核心問題是避免潛在安全事故的發(fā)生，使圍巖變形、破壞和穩(wěn)定性處于受控狀態(tài)，安全度則是對這種狀況的客觀描述，可以作為安全性量化評價的重要依據(jù)。

結束語：

復雜隧道圍巖安全性的建立使可靠性評價和精細化控制設計成為可能，實現(xiàn)了圍巖穩(wěn)定性評價和控制設計理論的新突破，可望解決極不穩(wěn)定圍巖控制的瓶頸問題。

參考文獻：

[1]關寶樹，趙 勇. 軟弱圍巖隧道施工技術[M]. 北京：人民交通出版社，2019：7–12.