复杂隧道围岩安全性及其评价方法

复杂隧道围岩安全性及其评价方法

1马龙云2张杰

1西安铁一院工程咨询监理有限责任公司西安710065；2河南长城铁路工程建设咨询有限公司河南450000

摘要：对国内外现行隧道围岩分级方法分析的基础上，指出了其在隧道工程设计和安全性控制，尤其是复杂围岩控制设计方面存在的突出问题，认为现行的隧道围岩分级概念模糊，难以适应复杂多变的地层条件和较为严苛的环境控制要求，尤其是对稳定性较差的复杂围岩条件缺乏有效的指导作用。从隧道围岩控制的宗旨出发，提出了隧道围岩及其支护系统安全性的概念，明确了其科学内涵和表征方法；重点对于不具备自稳能力的复杂围岩安全性进行了研究，建立了隧道围岩安全性的分析模型，提出了隧道围岩安全性分析中应考虑围岩预加固效果的必要性及其评价方法；基于隧道围岩尺度效应和地层结构效应(时间效应)的分析，建立了围岩尺度响应的表述方法，同时从细观结构层面分析了不同地层结构形式对安全性的影响关系；结合“支护–围岩”动态作用关系的分析，建立了极不稳定地层条件下复杂隧道围岩安全性的评价指标体系，将围岩超前变形、超前破坏和地层加固有效性作为核心评价指标，形成了包括9项基础指标的评价体系，并提出了安全性的分级方法。最后介绍了隧道围岩安全性的分级方案的工程应用。

关键词：复杂隧道围岩；安全性；评价方法

导言

围岩强度指标是隧道工程设计和施工方案确定中不可缺少的重要参数。然而，岩体是一个十分复杂的地质体，其力学性质非常复杂，其强度除了与岩石强度直接有关外，也取决于岩体内部结构面的数量、类型和产状及其组合方式等。在隧道开挖前要获得高精度的地质信息目前存在技术和经济上的困难。由于隧道工程的特殊性，一般不具备原位试验条件，通常都是根据围岩级别从规范中直接选取标准值。

1复杂隧道围岩的安全性特点

隧道工程的安全性通常包括施工过程的安全性和隧道结构的长期稳定性，这与隧道围岩的稳定性显著相关。而对于复杂围岩条件，采用安全性表达则更加直观，也是人们更为关心的风险性指标。事实上，复杂围岩安全性主要表现为围岩塌方以及由此诱发的安全事故，多是由于围岩的过度变形以及破坏区的扩大所致，而有些则是由支护不当所诱发。隧道围岩的安全性是指在正常施工情况下抵抗各种荷载、外加变形及约束变形等作用的能力，而在偶然事件发生时或发生后，应能保持整体稳定性，不致发生连续破坏而造成严重的安全事故。在施工过程中，如果控制措施不当则会发生如下安全事故。

1.1超前变形过大，造成开挖面严重鼓出

由于掌子面前方地层变形的持续增加，尚未开挖的地层受到较大的挤压作用而在自由面的位置出现鼓出，变形达到一定量值后即失稳和破坏，进而诱发更大范围内的地层失稳，使隧道顶部无支护空间增大。新意大利法的基本思想就是通过施作正面长锚杆减小这部分鼓出量，使其不致大范围的失稳和破坏；而我国普遍采用的浅埋暗挖法则是通过预留核心土来达到这一目的的。

1.2隧道塌方冒顶严重，围岩超前破坏范围大

在隧道开挖过程中，这类围岩的掌子面前上方破坏区始终存在，而且不断前移，遇有超挖或施工扰动极易造成开挖面前上方围岩的冒落，当围岩较为破碎时则其破坏范围可持续扩大，若未及时处理则会出现完全失控的局面。针对这种状况，采用小导管或大管棚等预支护手段则可有效地阻止破坏区的持续发展，或者破坏区的沟通，从而使围岩的破坏范围得到可靠的控制。

2复杂隧道围岩的安全性分析

2.1隧道围岩安全性的表征方法

复杂围岩在掌子面前方已发生严重变形和破坏，这也是发生诸多安全事故的根源。这类围岩的松动范围较大，荷载效应明显，因而造成支护结构受力也较大，达到稳定所需时间较长。因此围岩在掌子面前方的力学形态及其演化特点，应作为安全性的重要表征参数，这不仅直接影响到隧道开挖后的围岩破坏状态及工程风险，而且也与工程措施及其有效性密切相关。

2.1.1隧道围岩超前变形特点

超前变形量和波及范围较大是复杂隧道围岩的重要特征，这不仅与围岩的破坏及失稳相关，而且也在很大程度上决定了围岩的荷载效应。隧道超前变形指标包括掌子面位置的最大变形量、超前变形范围及分布特点等，在对安全性进行分析时应将围岩结构特性、力学性质与隧道施工方法及支护方案相结合。

2.1.2隧道围岩破坏区及其分布

隧道围岩超前破坏的程度和范围决定了极不稳定复杂围岩的控制难度，隧道工作面发生坍塌及冒顶的根本原因是破坏区不适当的扩大以及不同破坏区之间实现了沟通，同时，它也直接影响到围岩的预处理方式以及支护结构的受力状况。事实上，围岩破坏的内涵非常广泛，主要包括破坏性质和状态、破坏区及其分布、围岩结构形式及演化特点等。此外，对围岩安全性的评价还应考虑到水以及地应力环境的影响。

2.1.3隧道围岩处置及其有效性

围岩预加固和必要时的预支护是保证这类围岩施工安全的基本措施，采用不同的处理方案将获得不同的控制效果，其措施的复杂性也即表明了围岩条件对工程安全性的影响。基于不同的加固处置方案，应重点分析围岩加固效果，主要包括加固体的稳定性、有效加固厚度和变形量，进而对加固措施的有效性和可靠性做出评价。

按照其形成机制与发生特点，可将隧道工程的安全事故分为围岩失稳、结构失效和环境失调等三种类型，分别出现在掌子面附近、初支完成后和隧道洞口及浅埋地段。对于围岩安全性的描述，应重点考虑隧道施工全过程中对安全性的控制要素，包括围岩性能特点、工程条件和辅助施工措施等，基于系统分析的综合控制对策才具有科学性和实用性，也是实现隧道工程安全的重要保证。

2.2正面挤出型垮落与破坏

随着隧道开挖及掌子面的不断前移，前方出现应力集中现象，当应力超过围岩强度后即出现塑性破坏，由于隧道开挖面无约束，通常首先发生破坏，进入残余状态后自行破坏和垮落，上述破坏类型的围岩通常具有一定的自稳能力，或者隧道顶底板部位围岩稳定性相对较好，而掌子面则因应力集中出现正面挤出。这类围岩破坏对安全性的影响一方面表现为塌方对施工安全的影响，另一方面则是随着围岩挤出范围的扩大常常会诱发大范围的冒顶事故，进而更大程度地危及安全。对其处置的基本原则则是采用台阶法开挖以减小无支护高度、预留核心土以提供持续的水平支撑力以及必要时进行正面加固。

呈现这种超前破坏模式的隧道围岩通常具有以下特点：①隧道开挖面中部位置的围岩首先挤出，继而向上部发展，下部通常较小，呈不对称性分布；②围岩超前变形的影响范围及临近开挖面处的变形量不大，围岩失稳范围较小；③隧道顶部围岩易于出现冒顶和垮落，且具有明显的时空特性，但总体可控；④采用诸如小导管预支护以及台阶法开挖，并配合预留核心土即可实现安全性的控制。

2.3前倾式冒落型破坏

在松散破碎地层条件下，随着隧道开挖掌子面前上方围岩发生变形和破坏，塑性区范围不断扩大，部分围岩已进入破坏状态，这类围岩多为破碎松散或堆积体地层条件，呈现砂性地层特性，其垮落区形状表现为向前方倾斜的椭球体状态，如图6所示。发生该类破坏的围岩在隧道开挖面前方就已破坏，并伴随着围岩大变形和围岩中拱式结构的失稳，围岩塌方表现为向前上方的抽冒式发展，通常呈现窄条形状，遇有施工扰动则塌方范围迅速扩大。这类围岩超前破坏对安全性的影响一方面是对施工安全的威胁，另一方面由于围岩的超前垮落无法实施正常的隧道开挖和及时有效的支护，使隧道施工陷入恶性循环状态。显然，对其进行超前预加固和预支护是必要的隧道施工环节。

结语

围岩强度和稳定性的评价是隧道工程中定量评价围岩强度的有效方法，为隧道设计、施工提供可靠依据，具有较好的推广应用前景。

参考文献：

[1]台启民,张顶立,房倩,齐俊,李奥,黄俊.软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法[J].岩石力学与工程学报.2016(01).

[2]李鹏飞,赵勇,刘建友.隧道软弱围岩变形特征与控制方法[J].中国铁道科学.2014(05).