复杂隧道围岩安全性及其评价方法

张坤

摘要：隧道及地下工程施工使得天然岩体的固有状态被破坏，通过应力调整和变形传递，围岩试图达到新的平衡状态。然而由于地层条件的差异性，在有些条件下隧道围岩通过应力重新分布后能自行稳定，而当地质条件较差时隧道围岩无法自稳，常表现为隧道失稳和破坏，严重威胁工程安全，此时需采取适当的外部干预，以协助围岩形成新的平衡。

关键词：复杂隧道围岩安全性;评价方法

前言：

根据隧道开挖扰动范围内围岩稳定性的差异，将隧道周边一定范围内丧失整体稳定性而无法实现长期自稳的松动区围岩划分为浅层围岩，在此范围以外整体稳定性较好且能够承担地层荷载的围岩则为深层围岩。

一、复杂隧道围岩稳定性特点

因隧道所处地层条件的不同，隧道围岩结构表现形式及稳定性也各有特点。对于砂性地层，围岩结构表现为复合衬砌结构，复合衬砌通常表现为以下三种破坏模式。（1）上部垮落：当拱脚尚处于稳定状态时，复合衬砌结构承载主体阶段性向上移动，承载结构逐渐趋于稳定，垮落程度会阶段性趋缓，并最终稳定。（2）拱脚失稳：由于稳定衬砌结构满足合理衬砌轴线，其矢跨比是一定的，因此拱脚失稳造成复合衬砌跨度增大，拱脚位置外移，随着上部围岩继续垮落，复合衬砌高度进一步增大，最终形成的稳定衬砌结构的范围将大于上部垮落模式下的范围。（3）下部滑移：该模式对复合衬砌结构的影响体现在两个方面，其一为拱脚支撑条件发生变化而失稳，其二为维持稳定的强力链无法构成完整闭合环而发生重组。在这两种因素的共同作用下，衬砌结构在高度和跨度上同时向外扩展。上述破坏模式对应于三种不同的复合衬砌失稳模式，其中后两种模式都伴随着拱脚的失稳破坏，从而使得复合衬砌结构跨度增大，导致最终稳定时破坏范围大于模式。可见，对隧道围岩稳定除结构面的组合状态和初始应力、岩石硬度、地下水、人为因素等因素外，控制的关键在于拱脚的保护，这同时也是控制最终破坏范围的最有效手段。

二、复杂隧道围岩安全性

1.隧道围岩失稳破坏的结构性特点。由于工程地质条件的复杂性以及隧道施工的周期性，伴随着围岩应力状态的改变，围岩强度也在不断变化。内层围岩应力状态较差而率先失稳破坏，而后应力再次重分布，形成新的传力衬砌结构，如此循环。当围岩中所形成的传力衬砌结构在一定时间内能维持自稳时，则为支护的施作留有余地。实际工程中，这部分松动岩体荷载通常已由及时施作的支护结构所支撑，因此并不会失稳垮落。根据隧道开挖扰动范围内围岩稳定性的差异，将隧道周边一定范围内丧失整体稳定性而无法实现长期自稳的松动区围岩划分为浅层围岩，在此范围以外整体稳定性较好且能够承担地层荷载的围岩则为深层围岩，实际工程中浅层围岩需要及时有效的支护以防止围岩失稳坍塌，而对于深层围岩则可能需要一定的干预措施以维持其自稳能力。

2.深层围岩的结构层效应。在施工扰动作用下，每组深层围岩结构的协调运动表明该组岩层力学行为相似。然而，由于天然地层物理力学性质的差异性、结构的空间尺度效应及外部荷载分布性特点，同一深层围岩中各岩层的受力特性和承载结构也有所不同。一般来说，内侧岩层承载能力和稳定性较好，可将其称为“结构层”，而在此之外稳定性较差的岩层，通常作为“结构层”的载荷而存在，可将其称为“荷载层”。可见每组深层围岩均由“结构层”和“荷载层”所组成，其稳定性由“结构层”的力学性能所决定，因此“结构层”的稳定性也是该组深层围岩稳定性控制的核心。而由于地层条件的差异性和与工程影响的复杂性，在某些条件下深层围岩中并不存在荷载层，即整个围岩组均表现出“结构层”的性能，这顯然有利于围岩组的稳定性。一般来说，第一组深层围岩结构层对隧道围岩稳定性起着至关重要的作用。在浅层围岩发展过程中，若采取有效的预加固和预支护措施，则浅层围岩发展即行停止，部分原本属于浅层围岩范畴的岩层稳定性提高而成为深层围岩的一部分;反之若在施工过程中缺乏有效的围岩稳定性控制措施，使得深层围岩结构层破坏而转化为浅层围岩，造成浅层围岩范围进一步扩大，直至相对稳定的结构层出现后再次实现短期平衡。可见，深层与浅层围岩是相对的，在一定条件下可相互转化。此外，当外侧深层围岩某一结构层失稳后则该组深层围岩将作为上一组深层围岩的荷载层所存在，这表明深、浅层围岩以及不同围岩组之间是动态发展的，因此深、浅层围岩边界亦将呈现阶段性发展的特点。

3.辅助施工措施的影响分析。对于极不稳定的复杂围岩状态，采取辅助施工措施一直都是一项必要的工作，通常采取以提高围岩稳定性为核心的地层预加固和以防坍塌为核心的地层预支护措施。按照围岩失稳模式，地层加固可采取超前帷幕注浆、小导管注浆、全断面注浆，垂直旋喷以及必要时的冻结加固等，而预支护则包括各种形式的长短管棚以及水平旋喷支护等。注浆加固地层的本质作用是提高围岩的强度和稳定性，也是隧道及地下工程中极为有效的关键技术，其加固效果受到多种因素的影响和制约，包括浆材料、工艺方式以及所采用的注浆装备等。不同地层条件具有不同的注浆作用机制和方式，包括充填注浆、挤压注浆、劈裂注浆和渗透注浆等，但地层加固参数仍然是影响加固效果的重要技术指标。

综合以上分析可知，为了保证复杂围岩条件隧道施工的安全，对地层进行预加固和预支护通常是必要的，这在隧道工程中也称为辅助施工措施，其作用效果取决于地层条件、工程性质以及施工效应和特点，同时这也将决定了工程的安全性。

三、复杂隧道围岩安全性评价方法

1.安全性评价指标的确定。为了客观地评价隧道围岩的安全性，应建立包括围岩超前变形、施工破坏和预支护有效性三个方面

的控制指标，具体是指：（1）围岩变形指标包括掌子面处的最大变形量、超前变形范围和急剧变形范围;（2）围岩破坏指标包括超前破坏模式、破坏区的纵向范围和径向范围;（3）围岩加固有效性指标包括围岩加固后变形量的。指标权重的确定与评价体系如前所述，基于对隧道围岩安全性的影响，这三类指标的权重是不同的，围岩的超前变形和破坏应是核心指标，决定了隧道围岩的加固方式、加固范围以及隧道开挖方法，而加固有效性则重点是针对特殊结构的围岩条件，更多涉及到技术难度和经济指标的内容。根据以上确定的因子及其相互关系，建立递阶状层次结构，可分为3 个层次：目标层、类指标层和基础指标层。其中目标层是指隧道工程安全性，是整个层次分析的最终目标;类指标层表示隧道围岩超前变形、超前破坏和加固有效性特征，它是一级评价因子;针对分析影响一级评价因子的因素，本文采用层次分析法（简称AHP）确定各个评价指标的权重。参照大量工程实践的监测结果，对各因素进行评价，构成判断矩阵，进而确定指标权重。拟确定围岩超前变形量、超前破坏度和加固有效性的权重按照具体的围岩和工程特点进一步确定各类指标中单项指标的权重分配，据此可对综合效果做出预测和评价。

2.安全度的分析与计算。为对隧道围岩安全的差异性做出描述，可借助围岩安全度进行表征，针对具体的工程条件，可分别计算出围岩变形量、围岩超前破坏系数和围岩加固有效度参数，然后再按照各自的权重计算出隧道围岩安全度，由此得到的安全度即表征了隧道围岩的安全性。复杂围岩控制的核心问题是避免潜在安全事故的发生，使围岩变形、破坏和稳定性处于受控状态，安全度则是对这种状况的客观描述，可以作为安全性量化评价的重要依据。

结束语：

复杂隧道围岩安全性的建立使可靠性评价和精细化控制设计成为可能，实现了围岩稳定性评价和控制设计理论的新突破，可望解决极不稳定围岩控制的瓶颈问题。

参考文献：

[1]关宝树，赵 勇. 软弱围岩隧道施工技术[M]. 北京：人民交通出版社，2019：7–12.