胞工技木 隧道围岩与支护结构稳定性与可靠度研究 Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ＆ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｕｎｎｅｌｔ 杨驰（浙江义达工程监理咨询有限公司，浙江义乌３２２０００） 摘要：本文以高速公路隧道围岩一支护结构稳定性评价为主线，以提高公路隧道的整体设计与施工水平为目的，采 用定性评价和定量评价、整体评价和局部评价相结合的方法，对隧道围岩一支护结构的整体稳定性开展了系统的研究。首 先对围岩一支护结构的稳定判据进行了分析，接着讨论了支护体系稳定的计算方法和特点，对隧道施工过程中的围岩一支 护结构的稳定性和安全性评价有一定指导意义。 关键词：公路隧道；围岩一支护结构；稳定性 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｉｃｋｓ ｔｏ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ’Ｓ ｓｔａｂｉｈｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｌｅｖｅｌ ｏｆｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆｈ￣ｇｈｗａｖ ｔｕｎｎｅｌｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ—ｓｕｐｐｏｒｔ’ｓ ｓｔａｈｉｈｔｙ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ—ｓｕｐｐｏｒｔ’ｓ ｓｔａｂｉｌｉＷ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌｓ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｒｍｓ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ—ｓｕｐｐｏｒｔ’Ｓ ｓｔａｂｉｈｔｙ；ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｗａｙｓ ａｎｄ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｏｆ ｒｏｃｋ—ｓｕｐｐｏｒｔ’Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｇｅｔｓ ｓｏｍｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｇｕｉｄｉｎｇ ｍｅａｎｉｎｇ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉｎ ｒｏｃｋ—ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｖ ｔｕｎｎｅｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｒｍｅｌ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｅｋ＆ｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 中图分类号：Ｕ４５２．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００３－８９６５（２０１１）０３—００４２—０３ １绪论 隧道围岩一支护系统的稳定性和安全性是一 个非常复杂的问题，由于受复杂地质条件的影响 以及受经济、技术、时间等条件的限制，故对其 定量信息的获取是非常有限的，对相应的支护措 材料本身的性质，如这个截面承受的应力或应变 超过自身承载能力的极限，围岩在这个截面上必 然发生破坏。支护的作用，主要是改变应力场和 位移场的分布，使围岩体各截面的负担比较均匀， 并提供承载能力较强的高强度抗力点，使各截面 的承载能力可充分发挥，设计中可取较小的安全 系数。从力学观点来看，囤岩丧失稳定是其中应 力达到或超过岩体强度的范围比较大，最后形成 一施与施工方法的变化也是难以准确定量预测的。 目前还没有一种计算模式能全面地、客观地描述 各种情况下支护系统和围岩之间的相互作用关系。 本论文主要是研究了隧道围岩结构的稳定性 判断依据，在此基础上对隧道围岩一支护结构整 体稳定性进行分析，判断了围岩一支护结构的失 稳顺序，从而为隧道围岩一支护结构稳定性的判 定提出一条新的思路。 个连续贯通的塑性区和滑裂面，因而这部分岩 据围岩在隧道洞室开挖成形２４小时后的主应 体将会产生很大位移。 力分布和塑性区分布，按以往设计、施工经验就 可定性地判断定围岩的受力形态和破坏机理。当 围岩某点应力超过其屈服极限时，则该处围岩就 ２隧道围岩稳定性的基本判据 ２．１围岩强度判据 进入塑性状态，从围岩应力分布规律可知，应力 极值一般出现在隧道周边上，也就是说，只要对 这些极值点的应力作弹性分析，就可以确定围岩 是否处于弹性状态，从而可避免大量的计算工作。 但由于整个隧道断面的地质条件分布不均匀，围 岩的强度指标难以确定，且各点的应力状态也不 支护材料本身能够提供的承载能力有限，因 此，围岩在某个截面上的承载能力还取决于围岩 ４２ 一样，破坏理论规定的滑动限界范围也很难确定。 ２．２围岩变形量或变形率判据 （１）容许极限位移量的确定及失稳判别 容许极限位移量是指保证隧道不产生有害松 动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，自隧 道开挖起到变形稳定为止，在起拱线位置的隧道 壁面间水平位移总量的最大容许值，也有用拱顶 的最大容许下沉量表示的。在隧道开挖中，若发 现量到的位移总量超过容许极限值，预测围岩稳 定时的位移将超过极限值，则意味着围岩位移超 限，支护系统必须加强，否则有失稳的危险。 （２）容许位移速率和加速度 容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松 动的条件下，隧道壁面间水平位移速度的最大容 许值。它同样与隧道围岩、隧道埋深及断面尺寸 和施工方法等因素有关。位移速率也是支护系统 稳定性的又一重要指标，各国掌握也不一样，容 许位移速率无统一的标准，一般都根据经验选定。 ３隧道围岩一支护结构整体稳定性分析 ３．１隧道支护体系的力学计算方法 隧道是修建在底层中的工程结构，在挖开地 层并把隧道衬砌修建在地层内的过程中和以后， 地层始终对隧道衬砌结构产生作用。岩土的物质 组成、组织结构特点、干湿或疏密状态都是自然 历史的产物，是人类无力控制的条件下形成的， 岩土性状呈现很大变异。人们对岩土性状及其工 作条件的认识也有很大局限性。 １）特征曲线法 特征曲线法也称收敛一约束法，它的实质是 ：决定隧道衬砌的变形特征曲线：决定岩体的变形 特征曲线；建立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷 载作用下的变形和岩体在衬砌反作用的阻止下变 形之间的协调平衡。这个方法主要决定于两个特 征曲线，一个是围岩收敛曲线，它的确定与岩体 的强度性质，应力一应变动态及隧道的初应力场 等有关：一个是支护结构的约束曲线，它主要决 定于支护结构的刚度、材料性质及支护类型。 旋工技术 ２）剪切滑移破坏法 剪切滑移法进行支护结构设计是按下述原则 进行的：隧道周围出现塑性滑移楔体，造成支护 结构的剪切破坏：支护结构与围岩粘结紧密，两 者共同工作，形成无弯矩结构：由锚杆、钢支撑、 喷混凝土等所提供的支护阻力恰恰与塑性滑移楔 体之滑移力达成平衡时所需要的。剪切滑移破坏 法是以构造岩体破坏形态决定支护体系承载能力 的，方法简单。但这种简化不是从空洞的推理而 来的，而是通过对工程破坏的考察和模型试验结 构提出的，在实践中获得较广泛的应用。 ３）数值分析法 数值分析法包括微分方程的直接数值解法、 边界积分方程法和有限元单元法等几种。边界元 法目前所考虑的问题一般都只限于线性的，它具 有输入数据少而计算时间短的特点。边界元的缺 点则是对各类问题的适应性和灵活性比较差，例 如对非均质和非线性问题，以及对体积力的处理 等均远不如有限元法。有限元方法的模拟能力强， 可以考虑岩土介质的非均质性、各向异性、非连 续，ｌ￣＇ｇｎ材料与几何非线性等，且能适用于各种实 际边界条件。其缺点是需要将整个物理系统离散 成有限自由度的计算模型，并进行分片插值。 ３．２隧道结构及失稳分析的特点 构成隧道工程的材料与地面结构的材料具有 很大的不同之处，这就决定了隧道围岩失稳具有 与地面结构不同的特点： （Ｉ）失稳原因的多样性 由于以上阐述的原因，工程岩体在强度和结 构方面存在很大的差异，正因为这一差异，使隧 道围岩的失稳存在着多种原因，脆性破裂可造成 的岩体失稳，块体滑动与塌落也可造成岩体失稳， 以及层状岩体的弯曲折断、碎裂岩体的松动解脱、 塑性变形和膨胀都能造成岩体失稳。 （２）失稳形式的多样性 隧道围岩失稳从部位来说，有拱顶悬垂与塌 落失稳、侧壁突出与滑移失稳、以及底拱鼓胀与 隆起失稳：破坏形式从块度来说，有楔体失稳、 有层状剥离以及松散体失稳。 ４３ 胞工技术 （３）岩体失稳具有突发性 一 ＿～ 一 隧道岩体开挖之后，处于一种动态的平衡过 程，岩体内部各种因素相互作用，彼此消涨，当 演化到临界点附近时，微小的扰动可能起到不可 估量的作用，原来的平衡状态被打破，岩体发生 失稳，失稳的发生是在瞬间完成的，从这个意义 上说，岩体失稳具有突发性。 （４）岩体失稳演化过程具有混沌现象，即失稳 的进程可能会停止下来，也可能发展下去，视影 响演化的因素而定。隧道结构失稳包括两个大的 方面，一是隧道围岩失稳，另一个是支护结构失稳。 ３．３支护结构和岩体的失稳顺序 围岩压力按其形成方式，有变形围岩压力、 松动围岩压力、膨胀围岩压力和冲击围岩压力等。 按其计算方法的理论根据，有的把围岩视为松散 介质，确立了平衡拱理论的计算方法 有的把围 岩视为弹塑性体，确立了相应的计算方法，有的 把围岩视为具有一定结构面的地质体，目前，围 岩压力计算问题还没有得到圆满解决。 在松散体围岩中，由于围岩的压力是由于围 岩形成塌落拱产生的，则必然是岩体先破坏，破 坏的岩体成为荷载，才可能使支护破坏：在膨胀 围岩中，如含量较高的高岭石、伊犁石、蒙脱石 围岩，由于围岩吸水膨胀，产生巨大的膨胀应力， 如果支护设置太早，则是支护结构先破坏而围岩 很可能还未破坏，但支护破坏之后，围岩发生过 大的位移而松弛，也会很快失稳：由于围岩弹塑 性变形、松动变形和岩体结构面滑移，则两种可 能性均存在。 １）锚杆的可能破坏形态有４种：①钢筋断裂 ；②围岩别拉裂或剪断使锚杆失效：③钢筋与粘结 材料在接触面上产生粘结破坏：④与围岩锚孔接 触面上的粘结材料产生破坏。 ２）喷层的破坏形态：喷层的破坏形态与围岩 的破坏形态直接相关，在各向同性的软岩中，围 岩在侧墙处发生剪切破坏，将喷层剪裂；层状围 岩的侧墙发生张拉破裂，导致喷层发生张裂：在 块裂岩体中，拱顶块石崩落，导致喷层撕裂破坏。 图１喷层破坏形态示意图 ３．４计算模型的选择 围岩和结构之间的相互作用使得计算复杂很 多，于是可以采用有限元分析法对结构进行计算。 支护结构和围岩的整体有限元分析，有两种方法， 第一种方法常见的是在重力作用下，把围岩视为 二维、三维连续体，分割成单元模型，同样地把 衬砌也分割成二维、三维连续体单元进行分析。 这种方法，不管对围岩，还是对衬砌均可直接用 有限元法进行计算。一般说来，衬砌及其附近分 割的单元较小，计算工作量大，但计算机发展的 今天，这己不是困维。 第二种方法是把支护结构作为骨架结构，采 用梁单元的力学模型并与围岩的二维、三维连续 体力学模型结合在一起进行分析的方法。这种方 法的计算量较前一种少。第一种方法对特别厚的 衬砌，把它作为骨架结构分析是很适用的。 ４结论 本文介绍了围岩稳定性判断的过程，就隧道 围岩及支护结构稳定性的判断准则进行了分析， 并且分析了支护结构和岩体的失稳顺序。隧道工 程的失稳分析问题属于自然科学中地学与力学交 叉的一种应用技术问题。“定量计算，定性使用” 的方法是定量与定性的统一，只有这样，才能解 决实际工程问题。 参考文献 【１】朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体 动态施工力学．北京：科学出版社，１９００ ［２周辉等．隧道及地下工程围岩的屈服接近度分析 ２】（Ｉ）．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１７）