(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)不但迅猛發(fā)展，交通在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著極為關(guān)鍵的作用，其中陸路交通和鐵路交通承擔(dān)了大部分運(yùn)輸任務(wù)。為了迎合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，發(fā)展交通事業(yè)是當(dāng)今及以后較長時(shí)間內(nèi)的重要任務(wù)。隧道作為公路工程和鐵道工程的重要組成部分，隧道建設(shè)與施工安全關(guān)系重大。

大型交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的陸續(xù)上馬，公路、高鐵中存在大量是隧道工程。隧道塌方是山嶺隧道施工中的常見災(zāi)害,是阻礙隧道建設(shè)的重大障礙。預(yù)測和防治隧道塌方成為加速隧道建設(shè)的重要任務(wù)，自上個(gè)世紀(jì)開始國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于隧道塌方機(jī)制進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的成果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中的隧道塌方治理。

一、隧道塌方特征和發(fā)生機(jī)制

(一)塌方的分類

依據(jù)塌方的不同特征，國內(nèi)外學(xué)者提出了塌方的多種分類方法。其中王毅才，依據(jù)塌方發(fā)生的機(jī)制不同分為蠕變型塌方、崩塌型塌方兩類，依據(jù)塌方形態(tài)不同分為局部塌方、拱形塌方、異型塌方、膨脹巖隧道塌方、巖爆五類，依據(jù)發(fā)生的位置分為不同分為拱頂塌方、側(cè)壁塌方和掌子面塌方三類[1]。

劉洪洲，從塌方發(fā)生的機(jī)制出發(fā)接合工程實(shí)例將塌方分為危巖滑動(dòng)型塌方、松散介質(zhì)垮落型塌方、軟巖蠕變型塌方、硬巖巖爆型塌方四類[2]。

(二)塌方發(fā)生機(jī)制

1.洞口塌方

洞口塌方較洞內(nèi)塌方少，多是表現(xiàn)為洞口邊仰坡垮塌及山體滑坡。

洞口段邊仰坡存在強(qiáng)風(fēng)化巖體和堆積層，自身穩(wěn)定性不足。洞口開挖后破壞其原有的穩(wěn)定性，加劇了洞口邊坡的不穩(wěn)定性。當(dāng)洞口段處于滑坡地帶時(shí)，開挖洞口段破壞了滑體原有穩(wěn)定性。

2.洞內(nèi)塌方

洞內(nèi)塌方又可以分為洞內(nèi)巖質(zhì)塌方和洞內(nèi)土質(zhì)塌方。山嶺隧道多采用爆破法開挖，巖石隧道在爆破開挖后形成臨空面，圍巖壓力釋放凌空面發(fā)生位移直至收斂，開挖后初始圍巖應(yīng)力的釋放導(dǎo)致圍巖中存在的節(jié)理和層理發(fā)展，洞室周圍巖石節(jié)理發(fā)展聯(lián)通后巖石將被擠出形成掉塊，此時(shí)如果支護(hù)不及時(shí)大量“掉塊”后將形成塌方。此外采用爆破發(fā)必將對(duì)洞室圍巖造成擾動(dòng)，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)就會(huì)導(dǎo)致掉塊現(xiàn)象，當(dāng)速率較快時(shí)將給施工帶來極大不便。

二、隧道塌方發(fā)生的原因分析

隧道塌方受到多種因素的影響，有人為因素、非人為因素等，國內(nèi)學(xué)者通過對(duì)大量塌方案例進(jìn)行分析整理后將塌方的影響因素劃分歸納為四大類，分別是地質(zhì)因素、勘察設(shè)計(jì)因素、施工因素和自然因素。

(一)地質(zhì)因素

隧道施工前，隧道內(nèi)的地質(zhì)情況是難以準(zhǔn)確預(yù)測的，而在隧道建設(shè)的全周期過程中地質(zhì)情況都舉足輕重，像支護(hù)參數(shù)、開挖方法、施工工藝等都需要依據(jù)圍巖地質(zhì)來確定。地質(zhì)情況是隧道全周期過程中都無法忽視的重要影響因素。山嶺隧道地質(zhì)情況十分復(fù)雜，在隧道開挖過程中容易出現(xiàn)圍巖發(fā)生突變的情況，尤其是較好圍巖向較差圍巖發(fā)生突變時(shí)容易發(fā)生塌方，而在淺埋段有偏壓作用時(shí)容易導(dǎo)致局部塌方。隧道挖掘過程中遇見斷層、破碎帶、軟弱堆積層、特殊巖土或不良地質(zhì)區(qū)，都是塌方發(fā)生的高危區(qū)。

(二)勘察設(shè)計(jì)因素

由于隧道在開挖前地質(zhì)的不可預(yù)見性，這就要求勘察設(shè)計(jì)單位進(jìn)行前期地質(zhì)鉆探，依據(jù)鉆探結(jié)果進(jìn)行地質(zhì)分析并據(jù)此調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，制定設(shè)計(jì)方案。如果地質(zhì)勘察做的不夠仔細(xì)，甚至錯(cuò)誤估計(jì)隧道地質(zhì)，設(shè)計(jì)人員依據(jù)地勘所做設(shè)計(jì)參數(shù)將無法適應(yīng)隧道施工，導(dǎo)致隧道塌方的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增大。

(三)施工因素

施工因素是造成隧道塌方的最直接原因，施工單位的施工方法、工藝的采用決定了隧道施工的安全性。國內(nèi)學(xué)者通過對(duì)大量隧道塌方案例總結(jié)分析后認(rèn)為隧道施工中以下不當(dāng)行為將增大造成隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)。

圍巖較差地段超前支護(hù)措施偏于保守沒有達(dá)到預(yù)期效果或施工單位進(jìn)行超前支護(hù)施工時(shí)存在質(zhì)量問題；開挖方法不當(dāng)，施工單位為了趕工期沒有嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)要求的開挖方法進(jìn)行施工如在Ⅳ級(jí)等交差圍巖采用全斷面開挖；初期支護(hù)不牢固或施做不及時(shí)；圍巖較差時(shí)仰拱修筑不及時(shí)超過安全距離，未能及時(shí)封閉成環(huán)；圍巖變形收斂后未及時(shí)施做二襯；爆破開挖時(shí)藥量過大，對(duì)圍巖造成較大的擾動(dòng)，降低圍巖的穩(wěn)定性；施工過程中監(jiān)控不及時(shí)，對(duì)監(jiān)控所獲得信息不重視或者數(shù)據(jù)處理不當(dāng)，沒有正確監(jiān)控開挖后圍巖變形情況；塌方發(fā)生后處置不及時(shí)或處置措施不當(dāng)，造成二次塌方。

(四)自然因素

自然因素主要是極端天氣的發(fā)生如連續(xù)暴雨加劇圍巖不穩(wěn)定；以及一些不可預(yù)見的自然災(zāi)害如地震破壞了圍巖的穩(wěn)定。

三、隧道塌方預(yù)測研究與模擬

(一)隧道塌方預(yù)測研究

對(duì)于隧道塌方的預(yù)測國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，目前主要為以下兩個(gè)方面：

1.隧道塌方的現(xiàn)場預(yù)測

在隧道發(fā)生塌方前一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有一些征兆,監(jiān)控量測能夠幫助我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道開挖后的不良變化。定期和不定期觀察洞內(nèi)圍巖的變形情況，測量支護(hù)結(jié)構(gòu)位移，與以往數(shù)據(jù)對(duì)比觀察支護(hù)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生較大變形，監(jiān)測巖層、節(jié)理裂隙的變化,坑頂或坑壁的松動(dòng)情況、噴射混凝土是否發(fā)生掉塊及掉塊混凝土是否發(fā)生脫落，監(jiān)控地表沉降等,可以很好的預(yù)測塌方[3]。實(shí)踐證明隧道施工現(xiàn)場及時(shí)的監(jiān)控量測觀測隧道開挖后洞室的各種變化能夠有效的預(yù)防塌方的發(fā)生。

2.運(yùn)用各種理論方法對(duì)塌方的時(shí)間進(jìn)行研究和預(yù)測。

目前在塌方預(yù)測中使用的主要理論有：①關(guān)鍵塊理論，是針對(duì)節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性分析；②突變理論，基于隧道塌方的突變型特征，建立各種判定依據(jù)，目前預(yù)測塌方應(yīng)用最多的是尖點(diǎn)突變模型；③灰色系統(tǒng)理論，利用現(xiàn)場監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)，接合回歸分析法，建立塌方預(yù)測模型，判定圍巖的穩(wěn)定性；④其他一些非線性理論和算法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生長模型、支持向量機(jī)等。

(二)塌方機(jī)制模擬

近百年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)塌方機(jī)制模擬做了大量研究，主要從物理模型試驗(yàn)研究和數(shù)值分析模擬研究兩個(gè)方面展開。

1.物理模型試驗(yàn)研究

目前隧道物理模型試驗(yàn)研究中主要采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，研究巖體變形破壞機(jī)制和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定問題的模型試驗(yàn)技術(shù)。國內(nèi)外多位學(xué)者利用室內(nèi)物理模型對(duì)隧道塌方機(jī)制進(jìn)行了大量研究[4-7]，對(duì)于隧道塌方機(jī)制做出來了很多很多貢獻(xiàn)。雖然室內(nèi)物理試驗(yàn)研究能夠較好的模擬隧道塌方的實(shí)際情況，但需要消耗大量的資源，同時(shí)很難滿足實(shí)際的邊界條件。

2.數(shù)值模擬在隧道塌方中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，又由于巖體是一種復(fù)雜的地球介質(zhì),數(shù)值模擬方法可考慮其各向異性、復(fù)雜的邊界條件、不連續(xù)性及隨時(shí)間變化特性的優(yōu)點(diǎn),很好的契合了工程實(shí)際，因此數(shù)值模擬方法日益廣泛地應(yīng)用于巖體工程分析的各個(gè)方面。近年來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的飛速發(fā)展加速了隧道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析方法的發(fā)展,目前在隧道塌方研究分析領(lǐng)域廣泛使用的數(shù)值模擬方法有限單元法、離散單元法和非連續(xù)變形分析方法。

有限單元法自上個(gè)世紀(jì)五十年代開始盛行，隨著巖土領(lǐng)域理論的發(fā)展尤其是巖土本構(gòu)理論的的發(fā)展，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外利用有限元法解決了大量巖土問題。國內(nèi)外學(xué)者將有限元法應(yīng)用到隧道圍巖穩(wěn)定性及隧道塌方破壞機(jī)理的模擬研究中，成功的模擬了隧道塌方的過程。

離散單元法與有限元法類似的將分析域劃分成單元,即塊體單元,與有限元法不同的是離散單元法的塊單元受結(jié)構(gòu)面等不連續(xù)面的控制下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，塊體單元之間可以發(fā)生分離,在滿足單元之間的約束條件下通過牛頓第二定律建立各個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)方程。由于采用顯式解法,不需要求解大型方程組,假設(shè)塊體在運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，利用中點(diǎn)有限差分方程近似地對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分計(jì)算[8]。離散元法以及大量應(yīng)用于隧道塌方全過程的模擬。

非連續(xù)變形分析方法(DDA)在充分考慮巖體的復(fù)雜性后將結(jié)構(gòu)面切割為塊體作為分析單元,靜力、動(dòng)力學(xué)相結(jié)合,利用最小勢能原理把，利用矩陣求解塊體單元之間的接觸問題和塊體單元本身的變形問題,充分滿足了運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、平衡假定和能量消耗[9-16]。DDA很好的解釋了隧道塌方的機(jī)制，目前廣泛應(yīng)用于巖土工程各領(lǐng)域。

四、結(jié)論與展望

二十世紀(jì)以來國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)隧道塌方進(jìn)行了深入研究，結(jié)合物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯拷Y(jié)果以及實(shí)際工程案例提出了許多關(guān)于隧道塌方機(jī)制的理論，解決了大量實(shí)際工程問題。但由于室內(nèi)物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰枰罅抠Y源同時(shí)很大達(dá)到與實(shí)際工程相似的條件，利用該方法進(jìn)行研究進(jìn)展緩慢。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)于巖土體本構(gòu)模型理論的深入研究，數(shù)值模擬方法發(fā)展迅猛，因其能達(dá)到滿足工程實(shí)際需要的邊界條件或滿足精度要求的近似邊界條件而廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。

到目前為止，我們還內(nèi)有完全理解隧道塌方機(jī)制。隧道塌方機(jī)制研究還需要從巖土基礎(chǔ)理論入手，充分利用數(shù)值模擬的方法不斷完善隧道塌方理論。