岩溶区隧道围岩稳定性研究综述

王信普

(辽宁省东水西调工程建设局，辽宁 沈阳 110003)

0 引言

近些年我国岩溶区的隧道建设有了长足的发展，在我国隧道建设中已占有相当大的比例。隧道围岩的稳定性一直是科研工作者重点研究和备受关注的问题，而岩溶发育的复杂性使这一研究的难度增大。尽管前人做了不少工作也取得了一些成果，但岩溶隧道围岩的稳定性问题一直处于研究探讨中。为了方便做进一步的研究，笔者对该问题的研究现状进行了深入的了解并做了综述，以供参考。

1 岩溶隧道围岩稳定性理论研究现状

地下工程围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容。岩溶区隧道虽然具有一般岩土工程的共性，但也有其特殊性，对于岩溶地区隧道技术的研究，仅有少数学者对岩溶地区隧道的施工工艺和方法进行过探讨，很少有学者针对岩溶隧道围岩稳定性理论进行过研究。因此，应用于岩溶隧道的围岩稳定性理论并无独特性。

从19世纪人类对松散地层(主要是土层)围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹塑性力学理论。工程中对弹塑性问题的研究主要集中在围岩是否处于塑性状态，而局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。故需要进一步对弹塑性问题进行分析。20世纪50年代:开始有人用弹塑性理论研究围岩的稳定问题，导出著名的芬纳(Fenner)—塔勃(TalobreJ)公式和卡斯特纳(H.Kastner)公式，得出了围岩的弹塑性应力图形[1];赛拉塔(S.Serata)用流变模型进行了隧洞围岩的粘弹性分析;林银飞、郑颖人[2]则将有限厚条和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限厚条法。采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围，并将该法编制成程序应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析。其实，围岩稳定性理论的发展离不开岩石力学理论的发展，围岩稳定性理论向前的每一步都是建立在岩石力学发展基础之上的。

20世纪70年代以来随着逆向思维在岩土力学中的成功运用，反分析的相关理论逐步建立并开始与工程结合。岩土力学中的反问题主要是参数的反分析和本构模型的辨别。在辨别本构模型的研究中，损伤力学理论被成功的运用于围岩稳定性分析。损伤力学建立后，国内外许多学者试图将其应用于节理岩体的力学分析中，并做了相关研究，如日本学者Kawamoto[3]及国内学者李术才等。学者李术才采用损伤力学方法建立了断续节理岩体断裂损伤(加锚或不加锚)计算模型，并在某些工程中成功地用于评价裂隙岩体的稳定性和变形行为[4]。

若以正向思维和反向思维来界定围岩稳定性理论，正面分析多是采用经典力学理论，将岩土体视为单一介质进行研究。而实际上岩土体的非均质性是非常普遍的，其中岩土体中含有的结构面对岩土体力学行为的影响就不容忽视。在解决这一问题上，人们已致力研究多年，虽说在定性方面的认识更加深入，但在满足工程实际越来越高的定量要求上还是显得无能为力。反分析理论虽然开辟了岩石力学研究的新途径，进行了大量的研究也取得了一些相对成熟的理论，但尚不能真正解决实际问题。

2 岩溶隧道围岩稳定性分析方法研究现状

虽然隧道围岩稳定性理论一直在不断深入研究，但是隧道的建设已有了长足的发展，在隧道的建设过程中也积累了丰富的经验并发展了一些分析方法。

2.1 工程地质判别法

在进行隧道围岩稳定性评价时，运用工程地质理论阐述隧道围岩的变形破坏机制和影响围岩稳定性的地质因素，按照各种隧道围岩分类标准对隧道围岩进行分段和分类，给出相应各段各类围岩的稳定性级别，供隧道设计和施工使用。

在实际工程的计算与设计中，因围岩分类法简单、明了而被广泛使用。围岩稳定性分类方法[5]主要有Stini法、Franklin法、Bieniawski的 RMR法和 Barton等人的 Q法，以及 Arild Palmstrom[6]于1995年提出的RMI(Rock Mass Index)法。日本的铃木昌次等[7，8]提出了采用模糊回归分析进行岩体类的方法。铁二院莫君政等[9]通过对百余座隧道洞口围岩的分析统计，得出埋深对于围岩稳定性的隶属函数，导出了围岩稳定性的隶属函数。同济大学黄宏伟等[10]采用模糊数学及层次分析法，对围岩稳定性分类中的不确定因素做了分析，提出了工程类比模糊经验法。我国学者李世辉编写的《隧道围岩稳定系统分析》中，对多种常用的围岩分类方法作了系统深入的阐述和分析，对我国地下工程围岩稳定性分析作了较为全面的总结。

2.2 解析法

解析法是指在对地质条件详细了解的基础上进行高度、合理概化，得出简单的计算模型，借助数学力学工具对围岩应力分布状态进行计算，进而进行围岩稳定性评价。其最终演变为求解复变函数的解析解。目前解析法分析围岩应力和变形多限于深埋地下工程，对于受复杂边界影响的浅埋隧道围岩稳定分析在数学模型概化处理上存在一定的困难。特别当围岩应力超过极限强度进入刚体滑移和张裂状态时，解析法就不再适用。另外，对于多孔、非均质及各向异性等问题，现今的解析方法几乎是无法解决的，只能借助数值法来求解。对解析法的发展，国内学者于学馥教授、刘怀恒教授用复变函数进行围岩应力变形计算，得出了弹性解析解。在任意形状断面隧道洞室的应力研究中:吕爱钟提出了应用最优化技术求解映射函数的新方法[11]，为应用复变函数求解复杂形状洞室围岩应力开辟了新的途径;工程兵工程学院的朱大勇等也对映射函数的求解提出了一种新方法[12];另外，张倬元教授等对含单一软弱结构面稳定以及顶拱围岩中简单块体稳定性的分析计算方法作了详细介绍[13]。

2.3 物理模型试验法

荷兰S.Cbandis等在模拟高地应力条件下的圆形洞室开挖模型试验后，认为即使在超高应力条件下，围岩的各向异性性质还是很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控制[14]。20世纪80年代，国内学者也在这方面做了很多工作[15]:朱维申、冯光北等研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度;陈霞龄通过平面应变和三维两种破坏模型对地下洞室的稳定性进行了研究。孙世国等则作了开挖岩体扰动与滑移机理的模拟试验。

2.4 数值分析法

20世纪70年代以来，随着数学、力学理论及计算机技术的发展，数值分析方法迅速涌现。由于数值模拟分析经济、直观、周期短、可重复，且可以分析形状十分复杂、非均质的各种实际的工程结构，所以在工程地质和沿途领域得到了广泛应用。就目前的数值计算而言，有如下几种:

1)有限元法是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法，该方法以弹塑性力学作为理论基础，通过求解弹塑性力学方程，计算岩土体在一定条件下的应力场和变形场，然后根据岩土体的破坏准则，判断岩体所处的应力状态，并据此对整个结构的稳定性做出定量的评价[16，17]。为了克服有限元法在无限域中的应用问题，印度的P.Kumar[18]结合无限单元与有限单元，运用有限元计算程序，对围岩稳定性问题进行了一系列的计算分析。

2)边界元法是继有限差分法、有限元法之后发展起来的又一数值计算方法，H.G.Poulos等人[19]对边界元法作了详细的研究。同济大学的朱合华等对边界元法在隧道等岩土工程中的应用进行了大量研究。边界元有直接边界元和间接边界元之分，中国台湾的K.J.Shou[20]采用模拟地下洞室的虚拟力法和求解不连续面问题的位移不连续法两者相结合的混合模型，提出了三维混合边界元法。与有限元相比，具有降一维、计算时间短、计算范围大、占计算机内存少的特点，但是边界元法对奇异边界的计算较难处理。

3)离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节理岩层的一种新的数值计算方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，一般适用于模拟岩体破坏晚期阶段。在该方法的研究中，Cundall P.A和Hart.R在早期做了突出贡献，成功开发了二维和三维计算程序[21];Charles Fairhurst等[22]分别运用离散元法和有限元法对节理岩层中洞室围岩稳定性作了分析并进行了比较;在国内，王泳嘉教授等一些学者也做了大量的研究工作，对地下洞室围岩的变形与破坏进行了全过程的模拟研究，并开发了应用软件[23]。

4)FLAC是连续介质快速拉格朗日差分分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的英文缩写[24]，可以更好地考虑岩体的不连续性和大变形特征，求解速度较快，特别适用于分析渐进破坏和失稳。

此外，任青文教授在石根华和Goodman等人创建的块体理论基础上提出了块体单元法[25]。近年来，美籍华人石根华博士又提出了非连续变形分析(DDA)和数值流形方法(NMM)，被誉为是21世纪的新一代方法，得到理论界和工程界的公认和欢迎[26，27]。

3 溶洞对隧道围岩稳定性影响研究现状

任美锷、刘振中[28]认为，岩溶对隧道工程的危害主要表现为隧道突然涌水;隧道遇地下洞穴时的悬空;隧道顶部溶洞充填物的塌陷以及隧道基底洞穴顶板塌陷等问题。

李彪、梁富清[29]结合京珠高速公路石门坳隧道的施工，认为隧道周边溶洞将使隧道围岩变形增加，造成隧道因变形过大而失稳;隧道开挖中易出现局部坍塌、掉块和落石。

陈成宗、何发亮[30]调查认为:溶洞引起的隧道围岩大变形和支护结构破坏是岩溶隧道的主要灾害之一;且以揭穿性溶洞地质灾害最多，隐伏溶洞引发的岩溶灾害具有不可预见性，危害性将更大。

李治国[31]也认为，隧道周边溶洞将引起隧道围岩及支护结构的变形、开裂和失稳。

此外，铁二院鲍鹤龄[32]在统计分析我国西南、中南铁路隧道建设中由溶洞引起的隧道围岩失稳典型案例的基础上，提出:在工程中未揭露的溶洞，因未能采取预处理措施，易遭受到猝不及防的破坏，对隧道施工危害性大。

邹成杰[33]在总结了我国西南地区水工隧道岩溶灾害时，通过对工程中揭露溶洞和隐伏溶洞从施工、设计到稳定性评价做了深入的比较分析，同样认为:对于在施工中揭露出来的溶洞，其稳定性一般易于分析和评价，而对隐伏溶洞，其稳定性的分析要复杂的多;且由于其引起的隧道灾害具有一定的隐蔽性，危害性要大一些。当前，溶洞对隧道围岩稳定性影响的研究主要集中在，溶洞对开挖后围岩应力分布和位移变形的影响。在这些问题上学者们试图探索到一些可普遍适用的规律来解决实际问题。

国内对该问题研究较多且比较系统的学者有莫阳春、赵明阶、吴梦军等。其中，莫阳春[34-37]结合达成高速公路宝石岩隧道工程，用数值模拟试验的方法研究了侧部和底部溶洞对围岩及支护结构的稳定性影响，通过试验得出了一些有意义的结论并可以和现场监测数据吻合。赵明阶等[38，40-44]采用物理模型试验与数值模拟试验相结合的方法探讨了顶部和底部溶洞对隧道围岩稳定性的影响，该研究突破了莫阳春固定溶洞尺寸、位置的限制，对不同洞径比，不同洞径距的溶洞进行了模拟。探讨了其对围岩稳定性的影响，得出了一些规律性的结论，并且对得出的结论专门在文献[43]中进行了验证。吴梦军[44，45]也采取同样的方法，对隧道顶部含有溶洞的情况进行了围岩稳定性分析，也得出了相似结论。此外，铁四院的黎代仁[46]对含有侧部水压充填型溶洞的隧道进行了围岩变形分析;刘招伟等[47]对各种地质模式下充填型(充水、充泥)溶洞进行了围岩突水失稳的研究，这就将研究的对象从非充填型溶洞引向了充填型溶洞。这将会在今后的研究中受到更多的关注。

4 岩溶隧道围岩稳定性研究发展趋势和存在的问题

笔者认为，岩溶隧道稳定性问题的解决受限于两个方面:1)对地质条件勘探技术的提高;2)稳定性分析理论的发展。但近年来对二者研究所取得的进展甚微。随着研究者认识的提高和思维方式的转变，力学、数学、系统学等理论将会越来越多的运用于稳定性理论的发展。有了这些理论的丰富，新的研究方法不断涌现。在这一方面今后会有更多的研究投入，但会趋向于实际工程的运用。自奥地利地质学家L.缪勒提出新奥法以来，加上反分析理论的发展，近几年来位移反分析方法在隧道围岩稳定性分析中逐渐被推广，在实际运用中有着广阔的前景，对该方法的研究也将不断完善。此外，数值分析方法在今后的研究中仍是具有较强生命力的一种方法。

通过对岩溶区隧道围岩稳定性研究现状的分析来看，当前岩溶区隧道围岩稳定性的研究主要集中在对揭露溶洞的治理和施工方法的研究，再就是溶洞对开挖后围岩应力分布和位移变形的影响。

其中后者更具有普遍性，针对该方面的研究笔者总结了如下几方面的问题:

1)现有的研究很少与隧道的开挖方式相结合，几乎全都采用全断面开挖，这对低级别围岩隧道是不可行的;

2)现有的研究很少考虑地形的影响，隧道的埋深都很大，模型的地形边界都是平直的，很少研究隧道浅埋的情况;

3)研究的溶洞类型多是非充填性的，仅有少数学者对充填型溶洞做了研究;

4)在数值模拟中，研究者都把溶洞的形状概化为规则的圆形或椭圆形。这从应力分布的角度来讲，一定程度上减少了应力集中，这与实际会有偏差。

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