地铁隧道围岩稳定性影响因素的分析

张国茂

【摘 要】地铁是我国21世纪地下空间利用的重点，其隧道大多属于浅埋的地下结构。因此，在一些特殊地层中，隧道的支护尤其重要，并且具有一定的难度，一直以来制约着地铁隧道建设的进一步发展。结合以往国内外的研究成果，分析得出了施工过程中引起地表变形的基本原因及隧道围岩稳定性的影响因素，有利于对隧道施工过程中的支护方法和支护参数的进一步研究。

【关键词】地铁隧道；研究现状；地表变形；稳定性；影响因素

0 前言

随着城市规模的扩大、人口数量的增长，城市交通拥堵问题愈来愈严重，这就强烈要求人类加大对地下空间的利用，地下空间成为缓解交通压力、加快城市化进度的有效手段。目前，我国在地下空间利用方面（特别是地铁建设方面）不断加大力度，地铁将是我国21世纪地下空间利用的重点。

地铁隧道大多属于浅埋的地下结构，上覆土层一般不能形成稳定的压力拱，形成开挖面后的隧道顶板围岩大多数会产生比较大的沉降，严重的围岩甚至会出现垮塌、岩爆等现象。特别是浅埋强风化地铁隧道周围的围岩通常处于节理密集和非常破碎的状态之中，与松散地层十分相似，此时隧道的支护就尤其重要，并且具有一定的难度，一直以来制约着地铁隧道建设的进一步发展。

1 国内外研究现状

80多年前，普氏通过对均质松散体的研究，得出了地层压力的计算方法，其中假设条件是岩石是松散体，并用一个似摩擦系数对岩体之间复杂的联系进行描述。虽然这种方法过于粗糙，但是这种方法简单易行，直到现在还经常使用着。

随着研究的深入，隧道支护理论逐渐产生了两大派系，一个是把地层视为松散构造的松动压力理论学派，另一个是将地层视为连续体的粘、弹、塑性理论学派。

近几十年来，随着计算机技术的进步而逐渐发展起来的数值分析方法，在隧道工程中起着越来越大的作用。在应用计算机进行数值模拟分析时，人们常采用连续介质力学方法（如有限元法、有限差分法等）和非连续介质力学方法（如块体单元法、离散元法等）来解决隧道围岩的稳定性问题。数值分析具有易于改变参数、快捷、便利、成本低、模拟性强、可以反复计算等优点。

2 地铁隧道施工引起地表变形的基本原因

（1）临空面土体的位移。当盾构机掘进时，临空面土体受到的支护应力可能大于或者小于原始侧压力，临空面上前方的土体会隆起或者下沉；

（2）土体被挤入盾尾空隙。当盾构法隧道的首次衬砌离开盾尾后，在隧道开挖面和衬砌外形成一个环形的空隙，土体将向着一个空隙产生移动，因此引起地面的沉降；

（3）土体与衬砌之间的相互作用，地表沉降是土体与衬砌之间相互作用的综合表现；

（4）受扰动土体的再固结，尤其是在饱和软土地层中；

（5）改变了推进的方向。

3 隧道围岩稳定性的影响因素

围岩稳定性是指地下洞室（包括隧道）开挖之后，在无支护的情况下围岩的自稳能力，其中包括围岩的变形和破坏两个方面。

以性质来分类，基本上可以分为两大类：第一类属于自然因素，如岩块的变形性质等；第二类属于人为因素，如施工方法、形状、支护措施、尺寸等。

3.1 岩块的变形性质

外载荷作用下，岩块将产生变形，变形随着载荷的增加而增加，当载荷大于等于某一限值时，将导致岩块破坏。与普通材料类似，岩块变形也有弹性变形、塑形变形和流变变形之分，但是由于岩块的复杂性，从而岩块变形性质也比普通材料要复杂得多。

3.1.1 单轴压缩条件下岩块变形性质

1）连续加载下的变形性质

（1）在单轴连续加载条件下，对岩块试件进行试验时，可获得各级载荷下的轴应变εL和横向应变 εd，且其体积应变 εv为：

εv=εL+εd

可将岩块变形过程划分成以下阶段：

①孔隙裂隙压密阶段（图1，OA段）在该阶段，试件中结构面或微裂隙随着载荷的增加而逐渐闭合，岩石被压密，逐渐形成早期的非线性变形。这个阶段对裂隙性岩石来说比较明显，而对少裂隙的坚硬岩石则不明显或者不显现。

②弹性变形至微破裂稳定发展阶段（图1，AC）这一阶段的曲线近似呈直线关系，而曲线开始（AB段）基本为直线，随着应力的增加而逐渐变为曲线（BC段）。弹性变形阶段（AB段）不仅应变与应力成正比例关系，而且基本表现为可恢复的弹性变形 ，微破裂稳定发展阶段（BC段）的变形主要是塑性变形，试件内开始逐渐出现新的微破裂，并随应力的增加，微破裂逐渐发展。随着微破裂的出现，试件体积压缩速率逐渐减缓，曲线偏离原来直线而向纵轴方向弯曲。

③非稳定破碎发展阶段（图1，CD段）进入这一阶段后，应力集中效应逐渐显著，即使应力保持不变，破碎现象仍会不断地发展，并在其中一些薄弱部位首先发生破坏，应力重分布，其他部位也逐渐破坏，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转变为扩容。

④破坏后阶段（图1，D点以后阶段）岩块出现宏观断裂面，岩块变形主要表现为沿着这个断裂面进行滑移，试件的承载能力随着变形的增大而迅速下降，但是并没有降到零，即破裂的岩石仍然有少部分的承载能力。

（2）峰值前岩块的变形特性

根据米勒曾经对28种岩石的试验成果，将岩块峰值前的应力-轴向应变曲线分为以下6类：

类型Ⅰ：变形特性近似为直线，直到突然发生破坏，特别是坚硬、极坚硬的岩石容易出现这类变形特性。类型Ⅱ：初始为直线段，至末端则出现屈服段（即曲线段），特别是较坚硬且少裂隙的岩石容易出现这类变形特性。类型Ⅲ：初始为上凹曲线，然后逐渐变为直线，直到突然发生破坏，特别是坚硬而有裂隙发育的岩石容易出现这类变形特性。类型IV：中间部分很陡的“S”形曲线，特别是某些坚硬变质岩容易出现这类变形特性。类型V：中间部分较缓的“S”形曲线，特别是某些压缩性较高的岩石容易出现这类变形特性。类型VI：初始为一直线段，然后就出现不断增长的塑形变形和蠕变变形，特别是某些蒸发岩和极软岩容易出现这类变形特性。

2）循环载荷条件下的变形性质

当在同一荷载下对岩块进行加载和卸载时，如果卸载点P的应力小于岩石的弹性极限A，则卸载曲线将沿加载曲线回到出发点，即弹性恢复（图3）；如果卸载点P的应力大于岩石的弹性极限A，则卸载曲线将偏离原来的加载曲线，也不再回到出发点，变形除了弹性变形外，还出现了塑性变形（图4）。

在反复加载和卸载的条件下，进行变形试验，得到如图5所示的应力-应变曲线。由图可以得到以下结论：①逐级一次循环加载条件下，其应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本一致[图5（a）]，说明加载和卸载过程没有改变岩块变形的基本特性，这种现象也称为岩石记忆；②每次加载和卸载曲线都不重合，并且围成一个环形，称为回滞环；③当应力在弹性极限以上某一个较大值下进行反复加载和卸载时，由图5（b）可见，曲线随着反复的加载和卸载次数的逐渐增加而逐渐变陡，回滞环的面积逐渐变小，残余变形逐渐增加，岩块的总变形等于各次循环产生的残余变形之和。

3.1.2 三轴压缩条件下岩块变形性质

以往的试验研究表明：在有围压作用的条件下，岩石的变形性质与单轴压缩时有较大的差别。图6和图7为大理岩和花岗岩在不同围压大小条件下的曲线。由图可知：首先，破坏前随着围压的增大，岩块的应变也逐渐增大；其次，随着围压的增大，岩块的塑性也逐渐增大，并且由脆性逐渐转化成延性。如图6所示的大理岩，在围压为零或较低的情况下，岩石呈现脆性状态；当围压增大至50MPa时，岩石表现出由脆性向延性转化的过渡状态；围压增大至68.5MPa时，表现出延性流动状态；当围压增大到165MPa时，试件承受力随着围压的增大，出现应变硬化现象。这说明围压对岩石力学性质起着关键的作用，通常把岩石由脆性转化为延性的临界围压称为转化压力。图7所示的花岗岩也有近似的特性。

3.2 岩块的强度性质

3.2.1 单轴抗压强度

1）单轴抗压强度的确定

在单向压缩的情况下，岩块所能够承受的最大压应力即单轴抗压强度，也可以称为抗压强度。抗压强度的测试方法比较简单，并且与剪切强度和抗拉强度之间存在着一定的比例关系，因此可以借助抗压强度大致估算出其他强度参数。

使用标准试件在单轴压力机上施加轴向载荷，直到试件破坏所获取的强度即为岩块的抗压强度。例如设试件已经被破坏，则岩块的单轴抗压强度为：

式中，σc为单轴抗压强度，MPa；pc为荷载，N；A为横截面面积，mm2。

2）单轴抗压强度的影响因素

（1）加工精度和试件的几何形状；

（2）加载速率；

（3）端面条件；

（4）湿度和温度；

（5）层理结构。

试验研究显示，岩块的三轴压缩强度的影响因素有围压、空隙压力、岩块本身的性质、温度、湿度、试件的形状大小等。特别是矿物的成分、结构、微结构面发育情况及其相对于最大主应力的方向和围压的影响尤为显著。

3.3 岩体的结构特征

岩体的结构特征可以采用岩体的破碎或者岩体的完整性来表示，在一定程度上它反映出了岩体受到地质构造作用的程度。在近代围岩分类标准中，已经把岩体的破碎程度或者岩体的完整性作为分类的基本指标之一。破碎程度在某种程度上面反映出了岩土体在地质构造运动过程中受到的破坏作用的程度，岩土体越破碎则隧道越不稳定，越容易发生垮塌等现象。

3.4 结构面性质和空间的组合

对于地下洞室来说，围岩中仅仅存在单一的结构面，一般不会影响地下洞室的稳定性。只有当地下洞室轴线与结构面之间的关系不利时，或者出现大于等于两组的结构面时，才可能出现坠落的分离岩体。因此，在围岩分类中，可以用如下的5个方面来研究结构面对地下洞室稳定性影响的大小：

（1）结构面的成因及其发展史；

（2）结构面的平整、光滑程度；

（3）结构面的密度及组数；

（4）结构面的规模及方向；

（5）结构面的充填物质情况。

3.5 初始应力状态

自重应力和构造应力构成了岩体的初始应力状态。初始应力往往会影响洞室开挖之后的稳定性。地下工程的岩体失稳主要是开挖过程中引起应力重分布超过围岩自身的强度或者引起围岩的变形过大，而应力重分布是否达到限定值与初始应力场的方向和量值有关。地下洞室轴线的选择通常与水平最大主应力方向平行用来改善地下洞室周边的应力状态，从而提高围岩的稳定性。

3.6 地下水

地下水对地下洞室围岩稳定性的不利作用主要体现在以下4个方面：

（1）渗压梯度；

（2）润滑作用；

（3）软化作用；

（4）泥化作用。

3.7 特殊地质条件

当地下工程穿越特殊地质条件时，围岩稳定性的维护就更加困难，此时的岩层松散破碎，邻近地带的岩层节理裂隙比较发育，地下水情况往往也比较复杂，再加上地应力比较大，就会出现强烈的地压现象。强挤压的断层破碎带、紧密褶皱带和较宽的张性断裂带以及几条断层交会的地带，是工程中常见的不良地质地段。

3.8 工程施工影响

施工因素主要是指隧道的规模、施工方法、方位、支护形式、施工方法及其他工程活动的影响等等。一般的支护方法有注浆法、超前支护、锚喷支护、锚喷网联合支护等等，选择正确的支护方法和支护参数对于隧道围岩的稳定有着关键性的作用。

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[责任编辑：汤静]