復(fù)雜隧道圍巖安全性及其評(píng)價(jià)方法

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(yīng)力調(diào)整和變形傳遞，圍巖試圖達(dá)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(yīng)力重新分布后能自行穩(wěn)定，而當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí)隧道圍巖無法自穩(wěn)，常表現(xiàn)為隧道失穩(wěn)和破壞，嚴(yán)重威脅工程安全，此時(shí)需采取適當(dāng)?shù)耐獠扛深A(yù)，以協(xié)助圍巖形成新的平衡。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜隧道圍巖安全性;評(píng)價(jià)方法

前言：

根據(jù)隧道開挖擾動(dòng)范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性的差異，將隧道周邊一定范圍內(nèi)喪失整體穩(wěn)定性而無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期自穩(wěn)的松動(dòng)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(dān)地層荷載的圍巖則為深層圍巖。

一、復(fù)雜隧道圍巖穩(wěn)定性特點(diǎn)

因隧道所處地層條件的不同，隧道圍巖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式及穩(wěn)定性也各有特點(diǎn)。對(duì)于砂性地層，圍巖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，復(fù)合襯砌通常表現(xiàn)為以下三種破壞模式。（1）上部垮落：當(dāng)拱腳尚處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)承載主體階段性向上移動(dòng)，承載結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，垮落程度會(huì)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(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合襯砌高度進(jìn)一步增大，最終形成的穩(wěn)定襯砌結(jié)構(gòu)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(duì)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的影響體現(xiàn)在兩個(gè)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(qiáng)力鏈無法構(gòu)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(jié)構(gòu)在高度和跨度上同時(shí)向外擴(kuò)展。上述破壞模式對(duì)應(yīng)于三種不同的復(fù)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(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)跨度增大，導(dǎo)致最終穩(wěn)定時(shí)破壞范圍大于模式。可見，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定除結(jié)構(gòu)面的組合狀態(tài)和初始應(yīng)力、巖石硬度、地下水、人為因素等因素外，控制的關(guān)鍵在于拱腳的保護(hù)，這同時(shí)也是控制最終破壞范圍的最有效手段。

二、復(fù)雜隧道圍巖安全性

1.隧道圍巖失穩(wěn)破壞的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)。由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及隧道施工的周期性，伴隨著圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變，圍巖強(qiáng)度也在不斷變化。內(nèi)層圍巖應(yīng)力狀態(tài)較差而率先失穩(wěn)破壞，而后應(yīng)力再次重分布，形成新的傳力襯砌結(jié)構(gòu)，如此循環(huán)。當(dāng)圍巖中所形成的傳力襯砌結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間內(nèi)能維持自穩(wěn)時(shí)，則為支護(hù)的施作留有余地。實(shí)際工程中，這部分松動(dòng)巖體荷載通常已由及時(shí)施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)所支撐，因此并不會(huì)失穩(wěn)垮落。根據(jù)隧道開挖擾動(dòng)范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性的差異，將隧道周邊一定范圍內(nèi)喪失整體穩(wěn)定性而無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期自穩(wěn)的松動(dòng)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(dān)地層荷載的圍巖則為深層圍巖，實(shí)際工程中淺層圍巖需要及時(shí)有效的支護(hù)以防止圍巖失穩(wěn)坍塌，而對(duì)于深層圍巖則可能需要一定的干預(yù)措施以維持其自穩(wěn)能力。

2.深層圍巖的結(jié)構(gòu)層效應(yīng)。在施工擾動(dòng)作用下，每組深層圍巖結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)表明該組巖層力學(xué)行為相似。然而，由于天然地層物理力學(xué)性質(zhì)的差異性、結(jié)構(gòu)的空間尺度效應(yīng)及外部荷載分布性特點(diǎn)，同一深層圍巖中各巖層的受力特性和承載結(jié)構(gòu)也有所不同。一般來說，內(nèi)側(cè)巖層承載能力和穩(wěn)定性較好，可將其稱為“結(jié)構(gòu)層”，而在此之外穩(wěn)定性較差的巖層，通常作為“結(jié)構(gòu)層”的載荷而存在，可將其稱為“荷載層”。可見每組深層圍巖均由“結(jié)構(gòu)層”和“荷載層”所組成，其穩(wěn)定性由“結(jié)構(gòu)層”的力學(xué)性能所決定，因此“結(jié)構(gòu)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(fù)雜性，在某些條件下深層圍巖中并不存在荷載層，即整個(gè)圍巖組均表現(xiàn)出“結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。在淺層圍巖發(fā)展過程中，若采取有效的預(yù)加固和預(yù)支護(hù)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(jié)構(gòu)層破壞而轉(zhuǎn)化為淺層圍巖，造成淺層圍巖范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，直至相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)后再次實(shí)現(xiàn)短期平衡。可見，深層與淺層圍巖是相對(duì)的，在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。此外，當(dāng)外側(cè)深層圍巖某一結(jié)構(gòu)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(dòng)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(diǎn)。

3.輔助施工措施的影響分析。對(duì)于極不穩(wěn)定的復(fù)雜圍巖狀態(tài)，采取輔助施工措施一直都是一項(xiàng)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(yù)加固和以防坍塌為核心的地層預(yù)支護(hù)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(dǎo)管注漿、全斷面注漿，垂直旋噴以及必要時(shí)的凍結(jié)加固等，而預(yù)支護(hù)則包括各種形式的長(zhǎng)短管棚以及水平旋噴支護(hù)等。注漿加固地層的本質(zhì)作用是提高圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也是隧道及地下工程中極為有效的關(guān)鍵技術(shù)，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(jī)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(shù)指標(biāo)。

綜合以上分析可知，為了保證復(fù)雜圍巖條件隧道施工的安全，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固和預(yù)支護(hù)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(zhì)以及施工效應(yīng)和特點(diǎn)，同時(shí)這也將決定了工程的安全性。

三、復(fù)雜隧道圍巖安全性評(píng)價(jià)方法

1.安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定。為了客觀地評(píng)價(jià)隧道圍巖的安全性，應(yīng)建立包括圍巖超前變形、施工破壞和預(yù)支護(hù)有效性三個(gè)方面

的控制指標(biāo)，具體是指：（1）圍巖變形指標(biāo)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(biāo)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(biāo)包括圍巖加固后變形量的。指標(biāo)權(quán)重的確定與評(píng)價(jià)體系如前所述，基于對(duì)隧道圍巖安全性的影響，這三類指標(biāo)的權(quán)重是不同的，圍巖的超前變形和破壞應(yīng)是核心指標(biāo)，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(diǎn)是針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的圍巖條件，更多涉及到技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的內(nèi)容。根據(jù)以上確定的因子及其相互關(guān)系，建立遞階狀層次結(jié)構(gòu)，可分為3 個(gè)層次：目標(biāo)層、類指標(biāo)層和基礎(chǔ)指標(biāo)層。其中目標(biāo)層是指隧道工程安全性，是整個(gè)層次分析的最終目標(biāo);類指標(biāo)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(jí)評(píng)價(jià)因子;針對(duì)分析影響一級(jí)評(píng)價(jià)因子的因素，本文采用層次分析法（簡(jiǎn)稱AHP）確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。參照大量工程實(shí)踐的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)成判斷矩陣，進(jìn)而確定指標(biāo)權(quán)重。擬確定圍巖超前變形量、超前破壞度和加固有效性的權(quán)重按照具體的圍巖和工程特點(diǎn)進(jìn)一步確定各類指標(biāo)中單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重分配，據(jù)此可對(duì)綜合效果做出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2.安全度的分析與計(jì)算。為對(duì)隧道圍巖安全的差異性做出描述，可借助圍巖安全度進(jìn)行表征，針對(duì)具體的工程條件，可分別計(jì)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(quán)重計(jì)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(fù)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(duì)這種狀況的客觀描述，可以作為安全性量化評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

結(jié)束語：

復(fù)雜隧道圍巖安全性的建立使可靠性評(píng)價(jià)和精細(xì)化控制設(shè)計(jì)成為可能，實(shí)現(xiàn)了圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和控制設(shè)計(jì)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(xiàn)：

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