地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的分析

張國茂

【摘 要】地鐵是我國21世紀地下空間利用的重點，其隧道大多屬于淺埋的地下結構。因此，在一些特殊地層中，隧道的支護尤其重要，并且具有一定的難度，一直以來制約著地鐵隧道建設的進一步發(fā)展。結合以往國內外的研究成果，分析得出了施工過程中引起地表變形的基本原因及隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素，有利于對隧道施工過程中的支護方法和支護參數的進一步研究。

【關鍵詞】地鐵隧道；研究現(xiàn)狀；地表變形；穩(wěn)定性；影響因素

0 前言

隨著城市規(guī)模的擴大、人口數量的增長，城市交通擁堵問題愈來愈嚴重，這就強烈要求人類加大對地下空間的利用，地下空間成為緩解交通壓力、加快城市化進度的有效手段。目前，我國在地下空間利用方面（特別是地鐵建設方面）不斷加大力度，地鐵將是我國21世紀地下空間利用的重點。

地鐵隧道大多屬于淺埋的地下結構，上覆土層一般不能形成穩(wěn)定的壓力拱，形成開挖面后的隧道頂板圍巖大多數會產生比較大的沉降，嚴重的圍巖甚至會出現(xiàn)垮塌、巖爆等現(xiàn)象。特別是淺埋強風化地鐵隧道周圍的圍巖通常處于節(jié)理密集和非常破碎的狀態(tài)之中，與松散地層十分相似，此時隧道的支護就尤其重要，并且具有一定的難度，一直以來制約著地鐵隧道建設的進一步發(fā)展。

1 國內外研究現(xiàn)狀

80多年前，普氏通過對均質松散體的研究，得出了地層壓力的計算方法，其中假設條件是巖石是松散體，并用一個似摩擦系數對巖體之間復雜的聯(lián)系進行描述。雖然這種方法過于粗糙，但是這種方法簡單易行，直到現(xiàn)在還經常使用著。

隨著研究的深入，隧道支護理論逐漸產生了兩大派系，一個是把地層視為松散構造的松動壓力理論學派，另一個是將地層視為連續(xù)體的粘、彈、塑性理論學派。

近幾十年來，隨著計算機技術的進步而逐漸發(fā)展起來的數值分析方法，在隧道工程中起著越來越大的作用。在應用計算機進行數值模擬分析時，人們常采用連續(xù)介質力學方法（如有限元法、有限差分法等）和非連續(xù)介質力學方法（如塊體單元法、離散元法等）來解決隧道圍巖的穩(wěn)定性問題。數值分析具有易于改變參數、快捷、便利、成本低、模擬性強、可以反復計算等優(yōu)點。

2 地鐵隧道施工引起地表變形的基本原因

（1）臨空面土體的位移。當盾構機掘進時，臨空面土體受到的支護應力可能大于或者小于原始側壓力，臨空面上前方的土體會隆起或者下沉；

（2）土體被擠入盾尾空隙。當盾構法隧道的首次襯砌離開盾尾后，在隧道開挖面和襯砌外形成一個環(huán)形的空隙，土體將向著一個空隙產生移動，因此引起地面的沉降；

（3）土體與襯砌之間的相互作用，地表沉降是土體與襯砌之間相互作用的綜合表現(xiàn)；

（4）受擾動土體的再固結，尤其是在飽和軟土地層中；

（5）改變了推進的方向。

3 隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素

圍巖穩(wěn)定性是指地下洞室（包括隧道）開挖之后，在無支護的情況下圍巖的自穩(wěn)能力，其中包括圍巖的變形和破壞兩個方面。

以性質來分類，基本上可以分為兩大類：第一類屬于自然因素，如巖塊的變形性質等；第二類屬于人為因素，如施工方法、形狀、支護措施、尺寸等。

3.1 巖塊的變形性質

外載荷作用下，巖塊將產生變形，變形隨著載荷的增加而增加，當載荷大于等于某一限值時，將導致巖塊破壞。與普通材料類似，巖塊變形也有彈性變形、塑形變形和流變變形之分，但是由于巖塊的復雜性，從而巖塊變形性質也比普通材料要復雜得多。

3.1.1 單軸壓縮條件下巖塊變形性質

1）連續(xù)加載下的變形性質

（1）在單軸連續(xù)加載條件下，對巖塊試件進行試驗時，可獲得各級載荷下的軸應變εL和橫向應變 εd，且其體積應變 εv為：

εv=εL+εd

可將巖塊變形過程劃分成以下階段：

①孔隙裂隙壓密階段（圖1，OA段）在該階段，試件中結構面或微裂隙隨著載荷的增加而逐漸閉合，巖石被壓密，逐漸形成早期的非線性變形。這個階段對裂隙性巖石來說比較明顯，而對少裂隙的堅硬巖石則不明顯或者不顯現(xiàn)。

②彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（圖1，AC）這一階段的曲線近似呈直線關系，而曲線開始（AB段）基本為直線，隨著應力的增加而逐漸變?yōu)榍€（BC段）。彈性變形階段（AB段）不僅應變與應力成正比例關系，而且基本表現(xiàn)為可恢復的彈性變形 ，微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（BC段）的變形主要是塑性變形，試件內開始逐漸出現(xiàn)新的微破裂，并隨應力的增加，微破裂逐漸發(fā)展。隨著微破裂的出現(xiàn)，試件體積壓縮速率逐漸減緩，曲線偏離原來直線而向縱軸方向彎曲。

③非穩(wěn)定破碎發(fā)展階段（圖1，CD段）進入這一階段后，應力集中效應逐漸顯著，即使應力保持不變，破碎現(xiàn)象仍會不斷地發(fā)展，并在其中一些薄弱部位首先發(fā)生破壞，應力重分布，其他部位也逐漸破壞，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉變?yōu)閿U容。

④破壞后階段（圖1，D點以后階段）巖塊出現(xiàn)宏觀斷裂面，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿著這個斷裂面進行滑移，試件的承載能力隨著變形的增大而迅速下降，但是并沒有降到零，即破裂的巖石仍然有少部分的承載能力。

（2）峰值前巖塊的變形特性

根據米勒曾經對28種巖石的試驗成果，將巖塊峰值前的應力-軸向應變曲線分為以下6類：

類型Ⅰ：變形特性近似為直線，直到突然發(fā)生破壞，特別是堅硬、極堅硬的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型Ⅱ：初始為直線段，至末端則出現(xiàn)屈服段（即曲線段），特別是較堅硬且少裂隙的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型Ⅲ：初始為上凹曲線，然后逐漸變?yōu)橹本€，直到突然發(fā)生破壞，特別是堅硬而有裂隙發(fā)育的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型IV：中間部分很陡的“S”形曲線，特別是某些堅硬變質巖容易出現(xiàn)這類變形特性。類型V：中間部分較緩的“S”形曲線，特別是某些壓縮性較高的巖石容易出現(xiàn)這類變形特性。類型VI：初始為一直線段，然后就出現(xiàn)不斷增長的塑形變形和蠕變變形，特別是某些蒸發(fā)巖和極軟巖容易出現(xiàn)這類變形特性。

2）循環(huán)載荷條件下的變形性質

當在同一荷載下對巖塊進行加載和卸載時，如果卸載點P的應力小于巖石的彈性極限A，則卸載曲線將沿加載曲線回到出發(fā)點，即彈性恢復（圖3）；如果卸載點P的應力大于巖石的彈性極限A，則卸載曲線將偏離原來的加載曲線，也不再回到出發(fā)點，變形除了彈性變形外，還出現(xiàn)了塑性變形（圖4）。

在反復加載和卸載的條件下，進行變形試驗，得到如圖5所示的應力-應變曲線。由圖可以得到以下結論：①逐級一次循環(huán)加載條件下，其應力-應變曲線的外包線與連續(xù)加載條件下的曲線基本一致[圖5（a）]，說明加載和卸載過程沒有改變巖塊變形的基本特性，這種現(xiàn)象也稱為巖石記憶；②每次加載和卸載曲線都不重合，并且圍成一個環(huán)形，稱為回滯環(huán)；③當應力在彈性極限以上某一個較大值下進行反復加載和卸載時，由圖5（b）可見，曲線隨著反復的加載和卸載次數的逐漸增加而逐漸變陡，回滯環(huán)的面積逐漸變小，殘余變形逐漸增加，巖塊的總變形等于各次循環(huán)產生的殘余變形之和。

3.1.2 三軸壓縮條件下巖塊變形性質

以往的試驗研究表明：在有圍壓作用的條件下，巖石的變形性質與單軸壓縮時有較大的差別。圖6和圖7為大理巖和花崗巖在不同圍壓大小條件下的曲線。由圖可知：首先，破壞前隨著圍壓的增大，巖塊的應變也逐漸增大；其次，隨著圍壓的增大，巖塊的塑性也逐漸增大，并且由脆性逐漸轉化成延性。如圖6所示的大理巖，在圍壓為零或較低的情況下，巖石呈現(xiàn)脆性狀態(tài)；當圍壓增大至50MPa時，巖石表現(xiàn)出由脆性向延性轉化的過渡狀態(tài)；圍壓增大至68.5MPa時，表現(xiàn)出延性流動狀態(tài)；當圍壓增大到165MPa時，試件承受力隨著圍壓的增大，出現(xiàn)應變硬化現(xiàn)象。這說明圍壓對巖石力學性質起著關鍵的作用，通常把巖石由脆性轉化為延性的臨界圍壓稱為轉化壓力。圖7所示的花崗巖也有近似的特性。

3.2 巖塊的強度性質

3.2.1 單軸抗壓強度

1）單軸抗壓強度的確定

在單向壓縮的情況下，巖塊所能夠承受的最大壓應力即單軸抗壓強度，也可以稱為抗壓強度?？箟簭姸鹊臏y試方法比較簡單，并且與剪切強度和抗拉強度之間存在著一定的比例關系，因此可以借助抗壓強度大致估算出其他強度參數。

使用標準試件在單軸壓力機上施加軸向載荷，直到試件破壞所獲取的強度即為巖塊的抗壓強度。例如設試件已經被破壞，則巖塊的單軸抗壓強度為：

式中，σc為單軸抗壓強度，MPa；pc為荷載，N；A為橫截面面積，mm2。

2）單軸抗壓強度的影響因素

（1）加工精度和試件的幾何形狀；

（2）加載速率；

（3）端面條件；

（4）濕度和溫度；

（5）層理結構。

試驗研究顯示，巖塊的三軸壓縮強度的影響因素有圍壓、空隙壓力、巖塊本身的性質、溫度、濕度、試件的形狀大小等。特別是礦物的成分、結構、微結構面發(fā)育情況及其相對于最大主應力的方向和圍壓的影響尤為顯著。

3.3 巖體的結構特征

巖體的結構特征可以采用巖體的破碎或者巖體的完整性來表示，在一定程度上它反映出了巖體受到地質構造作用的程度。在近代圍巖分類標準中，已經把巖體的破碎程度或者巖體的完整性作為分類的基本指標之一。破碎程度在某種程度上面反映出了巖土體在地質構造運動過程中受到的破壞作用的程度，巖土體越破碎則隧道越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生垮塌等現(xiàn)象。

3.4 結構面性質和空間的組合

對于地下洞室來說，圍巖中僅僅存在單一的結構面，一般不會影響地下洞室的穩(wěn)定性。只有當地下洞室軸線與結構面之間的關系不利時，或者出現(xiàn)大于等于兩組的結構面時，才可能出現(xiàn)墜落的分離巖體。因此，在圍巖分類中，可以用如下的5個方面來研究結構面對地下洞室穩(wěn)定性影響的大?。?/p>

（1）結構面的成因及其發(fā)展史；

（2）結構面的平整、光滑程度；

（3）結構面的密度及組數；

（4）結構面的規(guī)模及方向；

（5）結構面的充填物質情況。

3.5 初始應力狀態(tài)

自重應力和構造應力構成了巖體的初始應力狀態(tài)。初始應力往往會影響洞室開挖之后的穩(wěn)定性。地下工程的巖體失穩(wěn)主要是開挖過程中引起應力重分布超過圍巖自身的強度或者引起圍巖的變形過大，而應力重分布是否達到限定值與初始應力場的方向和量值有關。地下洞室軸線的選擇通常與水平最大主應力方向平行用來改善地下洞室周邊的應力狀態(tài)，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

3.6 地下水

地下水對地下洞室圍巖穩(wěn)定性的不利作用主要體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）滲壓梯度；

（2）潤滑作用；

（3）軟化作用；

（4）泥化作用。

3.7 特殊地質條件

當地下工程穿越特殊地質條件時，圍巖穩(wěn)定性的維護就更加困難，此時的巖層松散破碎，鄰近地帶的巖層節(jié)理裂隙比較發(fā)育，地下水情況往往也比較復雜，再加上地應力比較大，就會出現(xiàn)強烈的地壓現(xiàn)象。強擠壓的斷層破碎帶、緊密褶皺帶和較寬的張性斷裂帶以及幾條斷層交會的地帶，是工程中常見的不良地質地段。

3.8 工程施工影響

施工因素主要是指隧道的規(guī)模、施工方法、方位、支護形式、施工方法及其他工程活動的影響等等。一般的支護方法有注漿法、超前支護、錨噴支護、錨噴網聯(lián)合支護等等，選擇正確的支護方法和支護參數對于隧道圍巖的穩(wěn)定有著關鍵性的作用。

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