关门式塌方的四种模型及机理探讨

卜崇阳李 明

（重庆交通大学 土木工程学院）

关门式塌方的四种模型及机理探讨

卜崇阳1李 明1

（重庆交通大学 土木工程学院）

近年来随着隧道修建在交通网中的日益凸显，隧道关门式塌方对人员生命和财产、工期等造成破坏性的后果。塌方原因错综复杂，关门式塌方以拱形塌方与塌穿型塌方为主。依据塌方原因及性质，塌方模型可分为四种；各向异性Maxwell黏弹性模型、蠕变时程特性与本构模型、突变失稳弹塑性模型、层状岩层引起关门式塌方模型等，不同的模型探讨、演化出不同的适用于自身模型的塌方机理。四种关门式塌方模型及机理在近些年工程实际中得到了较好的验证。

关门式塌方；各向异性Maxwell黏弹性模型；蠕变时程特性与本构模型；突变失稳弹塑性模型；层状岩层引起关门式塌方模型

科技进步以及经济发展带动我国交通事业的飞速前行。因此，隧道建设成为我国这个群山延绵不绝国家交通网必不可少的一部分。20世纪末至21世纪各种用途的隧道的修建改善了我国运输出行、线路。然而隧道修中常常发生不同程度的塌方事故。关门式塌方可分为局部塌方、拱形塌方、塌穿型塌方等基本三大类[1]。近年来，关门式塌方主要是拱形塌方与塌穿型塌方。

1 各向异性Maxwell黏弹性模型[2]

在各向异性岩体中，隧道连续开挖时隧道内边界条件随时间不断发生变化，着重信息化施工，要求隧道开挖工程不仅关注开挖后的状态，随着时间的推进，对开挖过程中的各个工况及人员安全及隧道安全稳定也提出了更高的要求。

1）匀速开挖粘弹性时变位移解

隧道以匀速进行开挖，假定开挖速度得到黏弹性时变Laplace变换位移解经一系列换得到的隧道匀速开挖过程中粘弹性时变位移解：

式中：

2）加速开挖黏弹性时变位移解

对于隧道加速开挖情况 ，假定加速度，并经变换得到隧道加速开挖过程中围岩黏弹性时变位移解：

式中：

利用 Maxwell 黏弹性模型，不仅考虑岩体各向异性特性在隧道开挖过程及开挖后对围岩时变位移的影响，还可以考虑在各向异性状态下，隧道匀速开挖进尺、速度及加速开挖进尺对围岩时变位移的影响，从而确定更加合适的隧道初支厚度、开挖进尺、开挖速度以及正常情况下隧道开挖工期。

2 蠕变时程特性与本构模型[3]

隧道在近水平软岩层中开挖时，往往会因为地质情况不良而遇到挤压性大变形问题。导致隧道围岩挤压大变形的因素往往不是单一的，造成隧道围岩挤压变形的原因一般为：围岩岩性极度软弱或者是围岩松散破碎；岩体埋深较深呈现出高地应力状态；隧道围岩属于强挤压型的地质构造带；隧道开挖对隧道围岩二次应力重分布的影响大。隧道围岩的这种挤压型大变形特征通常表现为围岩变形速率快，收敛稳定时间持续长，隧道经常在开挖后，在隧道围岩形变过程中发生失稳或者坍塌。这种现象从流变的角度归结为岩体大变形非线性蠕变行为。

近水平软岩层中隧道围岩的蠕变模型通常可采用Maxwel模型、Kelvin模型、广义Kelvin模型、Poyting-Thomson模型、Burgers模型等基本模型。

3 突变失稳弹塑性模型[4-5]

因此，铅直应力、水平应力、弹塑性梁自重、围岩体屈服应力等因素满足特殊关系时，隧道即发生失稳破坏。此失稳条件应引起足够的重视，尤其是隧道开挖后，受时间效应、空间效应、蠕变及扰动等的影响，应力会发生很大的变化，容易在初期支护后的某个时刻发生破坏，极易导致关门式塌方。

4 层状岩层引起关门式塌方模型[6]

在近水平岩层中隧道开挖对岩体扰动、围岩压力形成应力重分布不能再局限于只计算整体围岩压力，而要考虑岩体中部分控制性的微元体、节理、裂隙、岩体受力特征等对岩体的影响，避免因忽略局部问题而引发的隧道失稳破坏。

因此，对于隧道开挖影响范围内的岩层，岩体强度、围岩稳定等都与交界面层的强度有着极为密切的动态关系。面层或者节理的存在均弱化了围岩强度，应用莫尔强度理论和最大剪应力理论可以得到相似的结论。只有岩体材料属性完全相同时，近水平岩层岩体强度才与面层、节理无关。而实际工程中极少存在完美的地质条件。

[1]王成兵.软弱破碎隧道围岩渐进性破坏机理研究[D]. 上海：同济大学，2007.

[2]李镜培，饶平平等.各向异性黏弹性隧道开挖位移时变解析解[J]哈尔滨：哈尔滨工业大学学报，2011,4（43）：94-98.

[3]高焱.软弱围岩隧道流变特性研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2013.

[4]凌复华.突变理论及其应用[M]. 上海：上海交通大学出版社，1987：101-105.

[5]陈先国. 隧道结构失稳及判据研究[D]. 成都：西南交通大学，2002.

[6]鲜学福，谭学术.层状岩体破坏机理[M].重庆:重庆大学出版社，1989:41-96.

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1007-6344（2016）07-0332-01

卜崇阳（1988），女，汉族，陕西省靖边县，硕士研究生，重庆交通大学，从事道桥及隧道方面理论研究。