隧道破碎围岩稳定性分析研究

高荣军 杨立斌

【摘要】随着我国对高速公路建设的大量投入，公路隧道的修建数量越来越多。在隧道开挖过程中围岩发生变形，产生一系列裂隙或者裂缝，并在一定条件下，导致隧道围岩失稳破坏。因此，对隧道围岩进行稳定性分析具有十分重要的意义。特别是破碎围岩的稳定性问题是一个无法避免的问题，也是目前需要解决的重要问题。

【关键词】失稳破坏;破碎围岩;稳定性

中图分类号：U45文献标识码： A

1、围岩稳定性分析的研究现状

围岩的稳定性是指在隧道的施工过程中，开挖施工完成后在没有支护的前提下围岩本身的自稳能力。但是在实际的隧道工程开挖之后，经常会出现围岩的变形、破坏等导致围岩自身失稳，变的不稳定。因此我们如何才能更好的解决围岩的稳定性问题是目前隧道工程中的难点和问题之一。

隧道的岩体构造十分的复杂，因此围岩的失稳也是一个非常复杂的过程。通常围岩的变形有着非线性、位移大、非连续性等特点，是一个很难分析的科学问题。因此对它来进行分析预测力求达到控制变形的效果，就必须要解决这些问题，才能解决隧道围岩失稳判别的根本问题。所以我们在分析的过程中要考虑众多的因素，也不能只用单一的方法去解决问题，我们要用到计算和仿真模拟的技术，对隧道的围岩稳定性进行一个综合的评价，得出一个判别稳定性的结果。因此以后考虑多种因素的影响，使经验与科学交叉融合在一起是未来的主要发展方向。

2、破碎围岩稳定性有关理论

2.1围岩稳定性的影响因素

影响隧道围岩稳定性的因素有很多，这些因素都直接关系到隧道工程的安全性，往往是隧道设计和施工中的重点考虑的对象。为了能更好的判断围岩的稳定性就需要扎实的掌握这些因素对围岩稳定性影响的特点和作用的机理。因此就要阅读大量的资料，归纳总结各种地质环境的因素，然后进行分类。本文从两个方面进行了分析，影响隧道围岩稳定性的因素大致划分为两大类：一类是内部因素（围岩的初始应力场状态、岩体的结构状态及地质构造、岩体的性质及地下水等）；一类是外部因素（施工方法、支护的措施、隧道的尺寸等）。

2.2内部因素

1、初始应力状态

初始应力状态直接影响着隧道围岩的稳定性。对于完整的岩体，初始应力可以改变它的破坏机制、强度和模量。随着应力的增加，其破坏的机制由脆性破坏向塑性破坏转化，岩体强度可以由低变的越来越高，变形模量也是由低变高，在破碎岩体结构中也有着类似的特点。

2、围岩的结构状态

围岩的结构状态是由岩体的岩块大小与岩块之间的组成形态两个方面组成的。通常是用其破碎程度来对其进行描述的，它在隧道围岩稳定性的影响因素中起着重要的作用，这是因为岩体越是破碎构造运动就越严重，节理发育裂隙就越多，就越会发生失稳。

岩石的强度不仅跟其自身的岩性有关，还跟构造面及构造面之间组成形式有关。岩体内部的构造面类型、性质非常复杂，主要是有长期的风化、变质等原因形成的。构造面将围岩分成大小不同和形状不同的岩块，从而就改变了岩体的力学性能与受力状态，因此构造面也是围岩稳定性需要考虑的一个影响因素。

3、地下水状态及其它

从工程实践中可以说明，隧道开挖时候如果遇到水，其围岩的级别就会差一个等级，因此就需要对有水段加强支护。因为地下水对其稳定性基本都起着不利的影响，所以一定要考虑地下水的影响因素，地下水对围岩的稳定性判别也是十分重要的。

2.3外部环境

外部环境的影响因素主要是有：施工方法、隧道的支护措施、隧道的形状(横断面形状)和尺寸等。

1、施工方法的影响主要是开挖的方式与顺序。现在新奥法认为，如果开挖时对隧道围岩的稳定性影响比较小的情况下，应尽量采用全断面开挖，以提高施工的进度。如果在开挖对隧道围岩的稳定性影响比较大的情况下，应该采用上下台阶方式进行开挖，特别是一些不良地质时，应该采用分部开挖法，还要注意施工的顺序。

2、在隧道的支护措施方面，在一般情况下，喷锚支护是相对合理与科学的，能够缓解隧道因卸载产生的松弛变形，因此对围岩的稳定性产生了影响。

3、隧道尺寸，以大量的工程实践来说明，在相同的地质与围岩的情况下，隧道的跨度越大，其横截面的不稳定的岩块就越多，切割的结构面也就会越多，相反跨度较小的隧道，岩体的破碎程度就增大了，也导致了围岩的稳定性变的越来越差，越容易造成隧道围岩的失稳，这些都可以说明隧道的形状和尺寸对围岩的稳定性是有影响的，所以在设计中选择合适隧道尺寸和形状也是很重要的。

3、围岩稳定性的基本判据

1、围岩强度判定

围岩之所以失稳破坏，是由于围岩在某一个界面所承受的应力和应变超过了围岩自身材料的极限承载值，围岩没有足够的能力抵抗外力致使岩体发生破坏。所以在围岩承载过程中就需要进行必要的支护，一方面增强围岩的承载能力，另一方面支护结构和围岩本身形成一个整体，在支护结构的作用下使得围岩的受力更加均匀，使围岩各个截面的承载能力都充分的发挥，避免因在某一截面上达到极限强度而是围岩破坏。

2、围岩变形量或变形速率判定

大量的实际工程表明，目前常用位移极限位移量、位移加速度和变形速率、位移变化率等作为围岩稳定性的判断依据。

（1）容许极限位移量的确定

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。在实际操作中就是对开挖后的围岩进行现场监控，如果出现拱顶累计下沉量或周边收敛位移量超过了隧道所允许的位移极限值，这就说明围岩不稳定，导致其变形量过大，此时就必须采取必要的防护措施，加强支护，控制位移的进一步发展，否则围岩变形就会进一步恶化发生失稳坍塌现象。

（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。围岩的容许位移速率和加速度同样与隧道的岩性、埋深、断面尺寸施工方法密切相关。因此，容许位移速率和加速度是评定围岩与支护体系稳定性的又一重要指标，和容许极限位移量作为判定依据一样，由于各国情况不同，一般也都是根据工程经验给出，因此也没有形成统一规范和标准。

4、结语

影响隧道围岩稳定性的因素主要包括了两个方面：一个是由于内部的围岩初始应力场状态、结构面、地下水等因素；一个是由于隧道的施工方法、隧道的支护措施、隧道的设计断面尺寸和形状等因素的影响。本文就隧道围岩稳定性的判别依据及如何去进行稳定性的评价进行了简单的介绍，就隧道围岩失稳破坏的各种类型进行了一下分析与总结，为以后的施工与设计提供了参考。

参考文献

[1] 朱维申、何满潮著，复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学，科学出版社，1996.

[2] 悼元，王士天等.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社，1997:382—429.

[3] 陶振宇.岩石力学理论与实践.北京:水利出版社,1997.

[4] 李攀峰.大型地下洞室群围岩稳定性工程地质研究.成都理工大学博士学位论文，2004.6.

第一作者简介：高荣军，男（1975-）,汉族,河北衡水人,南京工程兵工程学院（现解放军理工大学）,本科,96101部队311工程指挥部

第二作者简介：杨立斌，男（1972-）,汉族，河北行唐人，华东地质学院，本科，陕西核工业工程勘察院。