隧洞圍巖穩定性分析

任婧婧 鄭恒祥

摘 要：隧洞作為水利工程中重要的水工建筑物，其圍巖穩定性在整個工程中至關重要。因此，總結地下洞室圍巖穩定性研究分析方法，分析不同支護類型對圍巖穩定性的影響，并對不同支護時機選擇方法做出評判，從而為以后隧洞的開挖施工和支護提供參考。

關鍵詞：圍巖穩定性;分析方法;強度折減法

中圖分類號：U451.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0082-03

Abstract： As an important hydraulic structure in hydraulic engineering， the stability of surrounding rock of tunnel is a crucial issue in the whole project. This paper summarizes the research and analysis methods of the stability of surrounding rock of underground tunnel， and evaluates different supporting timing selection methods. It provides a reference for the excavation and support of tunnel in the future.

Keywords： surrounding rock stability;analysis method;strength reduction

在地下洞室的穩定性研究中，圍巖是否穩定和支護結構是否安全通常是研究的重中之重。圍巖的穩定性不僅與施工工序、混凝土強度等級、支護形式以及圍巖結構有關，還受洞室埋深和截面尺寸的影響。目前，對地下洞室圍巖穩定性的分析仍沒有形成統一的理論，大多停留在定性分析階段，所以對地下洞室圍巖穩定分析方法進行總結十分必要，以掌握其優點與不足，從而在實際工程中做出準確判斷，為其他地下工程提供參考，最終推動圍巖穩定性的發展。

1 隧洞圍巖穩定性分析方法研究現狀

20世紀初，越來越多的國家開始探究圍巖穩定性。從隧洞圍巖穩定性的局部變形理論到連續介質力學模型，人們把圍巖和支護系統當作一個整體進行研究。隨著計算機技術的不斷進步，在隧洞的支護和施工中，數值模擬法作為一種高效、準確的方法被廣泛應用，在隧洞圍巖的穩定性研究中起到了較好的作用。目前，國內外進行圍巖穩定性分析的研究方法主要有經驗類比法、解析法以及數值模擬法3類。

1.1 經驗類比法

經驗類比法主要包括工程地質類比法、歷史分析法、專家系統等，其中工程地質類比法應用最為廣泛。這種方法需要確定的參數較多，而一些參數難以通過經驗獲得，所以多應用于隧洞截面尺寸較小、埋深較淺的地下洞室穩定性分析，在解決地下工程問題中發揮了重要作用。

1.2 解析法

解析法通常被用來分析節理發育不好、圍巖巖石堅硬、完整性良好的圍巖，在一定程度上可以對洞型方案、成洞條件做出穩定性評價，但是對于淺埋洞室以及受地面擾動影響的軟弱圍巖不能得出準確結果，無法準確描述圍巖的失穩破壞詳細過程。另外，解析法具有精度高、分析速度快和易于規律性研究等優點，在實際工程中是一種分析圍巖穩定性最基礎的方法。它的不足在于當圍巖應力應變大于峰值應力和極限應變時，圍巖將進入全應力、應變曲線峰后段的剛體滑移和張裂狀態，此方法將不再適用[1]。

1.3 數值模擬法

數值模擬法是將實際工程進行合理的簡單化處理，先建立模型，再確定需計算的材料參數，最后提取結果。數值模擬法不僅可以考慮各種非均質、非線性等復雜工程因素，還可以模擬不同支護方案和施工工序對地下洞室圍巖穩定性的影響，能夠直觀地反映實際工況。

2 基于強度折減法的圍巖穩定性

1975年，英國科學家Zienkiewicz最先提出強度折減法，該方法多應用于邊坡、地基等工程。鄭穎人等首次將這種方法引入隧道圍巖穩定性分析，通常折減的是巖土體的黏聚力和內摩擦角，計算時用折減后的參數。如果在分析判斷后結構依然保持穩定，材料參數將繼續進行折減，直到結構恰好失穩，此時得到的折減系數就是結構的安全因數。

當洞室的圍巖安全系數小于1時，洞室將會發生失穩。此時，若材料參數的折減再從1開始增加，將不適用于此條件，而是應該將黏聚力和摩擦角擴大[N]倍，直到監測點位移變化不能滿足穩定性要求。此時得到的折減系數除以[N]，將會得到洞室小于1的安全儲備系數。強度折減示意圖如圖1所示。

唐曉松等人將強度折減法引入隧道施工穩定性分析，主要采用洞室圍巖位移發生突變的方法，以塑性區是否貫通和有限元求解是否收斂作為輔助分析方法，最后通過綜合分析得到圍巖的安全系數，為隧道工程施工過程提供了一條新的路徑[2]。

3 不同支護類型對穩定性的影響

隧洞開挖過程中圍巖分布不均勻，施工條件復雜，自穩能力較差，故要采取不同的支護方式來保證圍巖的安全性。胡睿等人通過強度折減法研究了在不同圍巖類型下采用同一支護類型的圍巖變化規律，并對比分析同一圍巖類別不同支護形式的圍巖穩定性變化規律[3]。各類圍巖力學參數見表1。

研究結果表明：施加錨桿支護措施相比于無支護措施的開挖方式，隧洞的安全系數提高了5%～15%;Ⅲ類圍巖在無支護結構情況下的安全系數為3.81，施加錨桿后安全系數增長為4.0，施加噴護后安全系數大于10;Ⅳ類圍巖在施加錨桿后安全系數由無支護的1.83變為2.11，施加噴護和錨桿支護后安全系數也大于10;Ⅴ類圍巖在無支護的情況下安全系數小于1，隧洞自穩能力較差，需加鋼拱架和錨桿支護措施滿足其穩定性要求;Ⅴ類圍巖在加噴護作用下的安全系數為2.63，再加上錨桿后安全系數為3.01。

3.1 不同支護時機下的圍巖穩定性分析

2008年，蘇凱等人為獲得等效節點力而在地下洞室開挖過程釋放的荷載基礎上加以升華，同時為模擬分析對比不同支護時機而通過施加不同比例的等效節點力來實現，支護方式為噴錨支護[4]。結果表明：支護時機越早，開挖荷載由支護結構承擔的越多，圍巖承受的荷載和受波動的范圍區越小，從而圍巖越穩定;支護時機越晚，錨桿受到的應力會相對較小，此時圍巖的塑性屈服區和增量位移逐漸增大，洞室更易發生破壞。

洞室開挖過程即圍巖應力釋放過程，此時圍巖的單元應力狀態為初始狀態應力和開挖時的應力增量的疊加，即

式（1）中，[σ0]為單元的原巖應力。式（2）中，[D]為單元的應力應變關系矩陣;[B]為幾何矩陣。

開挖釋放荷載可按式（4）計算：

3.2 支護時機選擇判據

隧洞在開挖后的單元應力狀態可分為塑性狀態和彈性狀態，表達式分別為：

式（5）和式（6）中：[F]為屈服函數;[σ0]為單元的原始應力;[σc]為開挖后的圍巖應力;[Δσ]為附加應力。

由于隧洞施工條件復雜，胡天明等人分析了裸洞開挖和在不同時期施加初期支護時圍巖的變形、應力和塑性破壞區[5]。結果表明，初期支護可有效改善圍巖的穩定性。圍巖發生變形越小，塑性區范圍也越小，支護措施發揮的作用越大。所以，選擇合適的支護措施對圍巖穩定性有重要意義。

4 結語

地下洞室圍巖失穩是一個特別復雜的非線性過程，同時受到多種因素的影響。在進行地下洞室穩定性判斷時，不僅要參考過去的實踐經驗，還要結合實際情況的真實數據，才能做出正確的判斷。隨著計算機技術的迅猛發展，圍巖穩定性評價不能僅僅依賴于一種方法，而是需將多種方法進行綜合分析，這是未來研究圍巖穩定性的一種發展趨勢。

參考文獻：

[1]鄧聲君，陸曉敏，黃曉陽.地下洞室圍巖穩定性分析方法簡述[J].地質與勘探，2013（3）：541-547.

[2]唐曉松，鄭穎人，王永甫.有限元強度折減法在隧道施工穩定分析與控制中的應用[J].現代隧道技術，2020（3）：49-55.

[3]胡睿，嚴新軍，歐陽君，等.夏特水電站隧洞圍巖初期支護穩定性分析[J].水力發電，2021（1）：34-38.

[4]蘇凱，伍鶴皋，蔣逵超，等.不同支護時機的地下洞室圍巖穩定仿真[J].武漢大學學報（工學版），2008（4）：29-33.

[5]胡天明，張繼勛，任旭華.引水隧洞初期支護及其施加時機對圍巖穩定性的影響[J].水電能源科學，2020（10）：95-98.