關門式塌方的四種模型及機理探討

卜崇陽李 明

（重慶交通大學 土木工程學院）

關門式塌方的四種模型及機理探討

卜崇陽1李 明1

（重慶交通大學 土木工程學院）

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

關門式塌方；各向異性Maxwell黏彈性模型；蠕變時程特性與本構模型；突變失穩彈塑性模型；層狀巖層引起關門式塌方模型

科技進步以及經濟發展帶動我國交通事業的飛速前行。因此，隧道建設成為我國這個群山延綿不絕國家交通網必不可少的一部分。20世紀末至21世紀各種用途的隧道的修建改善了我國運輸出行、線路。然而隧道修中常常發生不同程度的塌方事故。關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，隧道連續開挖時隧道內邊界條件隨時間不斷發生變化，著重信息化施工，要求隧道開挖工程不僅關注開挖后的狀態，隨著時間的推進，對開挖過程中的各個工況及人員安全及隧道安全穩定也提出了更高的要求。

1）勻速開挖粘彈性時變位移解

隧道以勻速進行開挖，假定開挖速度得到黏彈性時變Laplace變換位移解經一系列換得到的隧道勻速開挖過程中粘彈性時變位移解：

式中：

2）加速開挖黏彈性時變位移解

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

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變位移的影響，還可以考慮在各向異性狀態下，隧道勻速開挖進尺、速度及加速開挖進尺對圍巖時變位移的影響，從而確定更加合適的隧道初支厚度、開挖進尺、開挖速度以及正常情況下隧道開挖工期。

2 蠕變時程特性與本構模型[3]

隧道在近水平軟巖層中開挖時，往往會因為地質情況不良而遇到擠壓性大變形問題。導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；巖體埋深較深呈現出高地應力狀態；隧道圍巖屬于強擠壓型的地質構造帶；隧道開挖對隧道圍巖二次應力重分布的影響大。隧道圍巖的這種擠壓型大變形特征通常表現為圍巖變形速率快，收斂穩定時間持續長，隧道經常在開挖后，在隧道圍巖形變過程中發生失穩或者坍塌。這種現象從流變的角度歸結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常可采用Maxwel模型、Kelvin模型、廣義Kelvin模型、Poyting-Thomson模型、Burgers模型等基本模型。

3 突變失穩彈塑性模型[4-5]

因此，鉛直應力、水平應力、彈塑性梁自重、圍巖體屈服應力等因素滿足特殊關系時，隧道即發生失穩破壞。此失穩條件應引起足夠的重視，尤其是隧道開挖后，受時間效應、空間效應、蠕變及擾動等的影響，應力會發生很大的變化，容易在初期支護后的某個時刻發生破壞，極易導致關門式塌方。

4 層狀巖層引起關門式塌方模型[6]

在近水平巖層中隧道開挖對巖體擾動、圍巖壓力形成應力重分布不能再局限于只計算整體圍巖壓力，而要考慮巖體中部分控制性的微元體、節理、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的隧道失穩破壞。

因此，對于隧道開挖影響范圍內的巖層，巖體強度、圍巖穩定等都與交界面層的強度有著極為密切的動態關系。面層或者節理的存在均弱化了圍巖強度，應用莫爾強度理論和最大剪應力理論可以得到相似的結論。只有巖體材料屬性完全相同時，近水平巖層巖體強度才與面層、節理無關。而實際工程中極少存在完美的地質條件。

[1]王成兵.軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞機理研究[D]. 上海：同濟大學，2007.

[2]李鏡培，饒平平等.各向異性黏彈性隧道開挖位移時變解析解[J]哈爾濱：哈爾濱工業大學學報，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，2013.

[4]凌復華.突變理論及其應用[M]. 上海：上海交通大學出版社，1987：101-105.

[5]陳先國. 隧道結構失穩及判據研究[D]. 成都：西南交通大學，2002.

[6]鮮學福，譚學術.層狀巖體破壞機理[M].重慶:重慶大學出版社，1989:41-96.

G322

B

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，從事道橋及隧道方面理論研究。