復(fù)合地層隧道穩(wěn)定機(jī)理及量化評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

吳 波, 黃 惟, 吳兵兵

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 南昌 330013)

近些年，中國(guó)地下工程向深部發(fā)展，隨著隧道工程領(lǐng)域?qū)嵺`的不斷深入，遇到的復(fù)雜工程問(wèn)題也隨之增多。從單一地層隧道到復(fù)合地層隧道，從淺埋隧道到深埋隧道，從城市地下隧道、山嶺隧道到海底隧道。實(shí)際的工程問(wèn)題，可能是以上多種情況的綜合。單一地層和復(fù)合地層中隧道的破壞機(jī)理具有顯著的差異，因此單一地層隧道的支護(hù)方法和施工方法完全不適用于復(fù)合地層隧道。歸納復(fù)合地層隧道這一概念，并對(duì)隧道相關(guān)方面的研究進(jìn)行了系統(tǒng)概括和總結(jié)。隧道是圍巖和支護(hù)的統(tǒng)一體，圍巖是地層情況在隧道施工中的實(shí)際反映，需要根據(jù)圍巖自穩(wěn)能力確定圍巖加固和隧道支護(hù)方案。從復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理、復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)、復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和復(fù)合地層參數(shù)空間變異性四個(gè)方面著手，全面梳理和分析目前所取得的研究成果和研究進(jìn)展，進(jìn)而提出復(fù)合地層隧道穩(wěn)定機(jī)理及量化評(píng)價(jià)，對(duì)于隧道工程領(lǐng)域有著十分重要的意義。

1 復(fù)合地層隧道研究現(xiàn)狀

1.1 復(fù)合地層隧道概念

復(fù)合地層隧道區(qū)別于單一地層隧道，通常指外力作用下力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)出顯著差異的兩種或多種巖土層組合形成的地層中的隧道。隧道是圍巖和支護(hù)的統(tǒng)一體，圍巖的自穩(wěn)能力決定著支護(hù)的形式和隧道施工方法的選用。

1.2 復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理

學(xué)者們對(duì)于復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理的研究始于20世紀(jì)末，使用數(shù)值模擬方法對(duì)軟硬不均巖層隧道進(jìn)行了研究。Lei等[1]對(duì)軟硬不均巖層中隧道開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究表明隧道開(kāi)挖過(guò)程中軟硬交界面附近支護(hù)的剪力和位移顯著增大。賈劍青等[2]、Yassaghi等[3]則針對(duì)穿越軟硬交替巖層的深埋隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)支護(hù)體系存在關(guān)鍵荷載區(qū)域，垂直應(yīng)力作用下不會(huì)使層狀軟硬交替頂板巖體發(fā)生破壞。Yassaghi等[3]使用通用離散元(universal distinct element, UDEC)軟件對(duì)穿越軟硬不均巖層隧道掌子面進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要研究了掌子面塑性區(qū)域和支護(hù)內(nèi)力。汪宏等[4]對(duì)隧道洞口軟硬不均偏壓段坍塌過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)軟硬交界面處力學(xué)特性的差異是導(dǎo)致坍塌發(fā)生的一個(gè)重要原因。早期的研究探討了軟硬不均巖層中進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)支護(hù)的受力和變形情況，提出了隧道支護(hù)體系存在關(guān)鍵荷載區(qū)域的概念，并將軟硬交界面的力學(xué)特性差異作為復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞的重要影響因素。但針對(duì)圍巖的研究較少，可見(jiàn)學(xué)者們將支護(hù)作為隧道漸進(jìn)破壞的研究重心。

在上述研究基礎(chǔ)上，學(xué)者們開(kāi)始更多地使用模型試驗(yàn)方法對(duì)隧道漸進(jìn)破壞進(jìn)行全面和深入的研究。申玉生等[5]使用數(shù)值模擬方法研究了穿越軟硬交界面的隧道洞口段軟硬交界面在不同傾角情況下隧道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力特性，研究表明當(dāng)軟硬交界面傾角在45°內(nèi)時(shí)，地震動(dòng)力效應(yīng)對(duì)隧道上部結(jié)構(gòu)安全性能影響最大。陳紅軍等[6]對(duì)傾斜軟硬互層隧道進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)破壞過(guò)程可劃分為五個(gè)階段，每個(gè)階段都有典型的破壞特征；圍巖的最大主應(yīng)力極值始終位于左側(cè)拱腰處，但最先破壞的是邊墻周圍圍巖的軟巖層。崔光耀等[7]對(duì)穿越軟硬圍巖交接段隧道洞口地震響應(yīng)進(jìn)行了大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究表明隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移和受到的地震作用力不斷增加，接觸應(yīng)力增加較快，進(jìn)而不斷降低結(jié)構(gòu)安全性。由以上研究可知，模型試驗(yàn)方法能模擬實(shí)際隧道工程結(jié)構(gòu)全破壞過(guò)程，對(duì)于破壞機(jī)理有更為直觀的認(rèn)識(shí)，從中觀察到破壞過(guò)程的典型特征，有助于深入了解破壞機(jī)理。這一階段，隧道工程領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容更加豐富，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到圍巖對(duì)于隧道漸進(jìn)破壞的影響和考慮動(dòng)力荷載作用的影響，如地震作用對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞作用。此外，還研究了地震作用下軟硬交界面傾角的不同對(duì)隧道安全性的影響。

隧道漸進(jìn)破壞的影響因素很多，專家學(xué)者們針對(duì)實(shí)際工程情況就特殊地層、特定斷面形式和不同圍壓條件下的隧道展開(kāi)了相關(guān)研究。Lee等[8]對(duì)黏土中隧道開(kāi)挖進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)，主要研究了圍巖的變形和位移情況，以及圍巖的塌陷機(jī)理。No等[9]對(duì)地下洞室進(jìn)行相似模型試驗(yàn)，著重研究了開(kāi)挖過(guò)程中的變形影響因素和巖體節(jié)理對(duì)地下洞室所產(chǎn)生的影響。Hu等[10]使用RFPA軟件對(duì)不同圍壓作用下的隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析基于破壞過(guò)程和坍塌路徑展開(kāi)，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓逐漸增大，剪切裂縫首先會(huì)出現(xiàn)在隧道兩側(cè)及隧道頂部，最終導(dǎo)致隧道失穩(wěn)，并指出控制拉伸裂紋的形成可有效提高圍巖的穩(wěn)定性。商擁輝等[11]利用RFPA2D和ABAQUS對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分別對(duì)比分析了隨機(jī)介質(zhì)理論和連續(xù)介質(zhì)理論結(jié)合強(qiáng)度折減法對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，研究表明巖體材料介質(zhì)的非均質(zhì)性造成了隧道圍巖的破壞，隧道的破壞形式以剪切破壞和拉伸破壞為主。徐前衛(wèi)等[12]對(duì)大斷面隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，主要研究了圍巖的破壞過(guò)程、巖體變形和應(yīng)力變化規(guī)律。研究表明大斷面隧道軟弱圍巖兩側(cè)拱腰以下的巖體最先發(fā)生破壞，大斷面隧道開(kāi)挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，應(yīng)充分考慮后開(kāi)挖段對(duì)已開(kāi)挖段圍巖穩(wěn)定性的影響。Moussaei等[13]對(duì)穿越層狀節(jié)理巖體的隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，基于巖石塊體尺寸和洞口尺寸研究了巖體的不連續(xù)傾角和厚度對(duì)隧道破壞機(jī)理的影響，并根據(jù)尺寸比和層理傾角將破壞機(jī)制劃分了9個(gè)獨(dú)立類別。由以上研究可知，針對(duì)圍巖變形和破壞的研究越來(lái)越多，借助模型試驗(yàn)方法更深入地了解了圍巖的變形和破壞過(guò)程，研究的隧道漸進(jìn)破壞影響因素非常全面，涉及變圍壓作用、黏土層、巖體節(jié)理和巖體介質(zhì)的非均質(zhì)性，以及大斷面隧道開(kāi)挖的空間效應(yīng)。

隧道埋深不同對(duì)隧道開(kāi)挖后圍巖和支護(hù)的受力狀態(tài)和破壞形式有著顯著的影響，為此專家學(xué)者們對(duì)不同埋深下的隧道展開(kāi)了相關(guān)研究。顧金才等[14]對(duì)深部開(kāi)挖隧道洞室進(jìn)行了模型試驗(yàn)，主要研究了圍巖分層斷裂破壞機(jī)制。朱合華等[15]對(duì)不同埋深下穿越軟弱破碎地層隧道開(kāi)挖的全過(guò)程進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究表明圍巖破壞區(qū)主要集中在隧道拱頂以上，隧道埋深對(duì)于隧道漸進(jìn)性破壞有著很大的影響，隧道開(kāi)挖后最大的圍巖周向應(yīng)力在壓力拱處。李英杰等[16]對(duì)軟弱破碎深埋隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)，主要研究了圍巖漸進(jìn)性破壞特征，提出圍巖洞室首先在拱腰處發(fā)生破壞，拱頂有較大的沉降。Li等[17]對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，基于FLAC3D開(kāi)發(fā)了退化本構(gòu)模型，并使用該模型研究了軟弱圍巖的破壞機(jī)理和變形規(guī)律，提出隧道中部外側(cè)的剪切楔體是最不穩(wěn)定的區(qū)域。Zhang等[18]基于霍克-布朗準(zhǔn)則，采用泛函突變理論提出了深埋隧道頂板塌落的判別準(zhǔn)則，并推導(dǎo)了深埋隧道塌方塊體形狀曲線的解析解。Qin等[19]對(duì)深埋隧道頂板破壞進(jìn)行了研究。黃鋒等[20]對(duì)不同應(yīng)力場(chǎng)下無(wú)支護(hù)軟巖隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了圍巖的變形情況。Huang等[21]基于上界定理和變分法研究了穿越溶洞巖體深埋隧道坍塌的預(yù)測(cè)問(wèn)題，并用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了理論分析所得到的結(jié)論。Yang等[22]對(duì)復(fù)合巖層中深埋隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究表明隧道開(kāi)挖后圍巖變形包括瞬時(shí)變形和連續(xù)蠕變變形兩個(gè)階段，應(yīng)力和巖性是隧道圍巖損傷規(guī)律的兩大控制因素。針對(duì)深埋隧道展開(kāi)的研究，更多地采用了數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩種方法相結(jié)合，對(duì)圍巖破壞規(guī)律的研究更加深入。基于數(shù)學(xué)方法并結(jié)合數(shù)值模擬，提出了隧道破壞的判別準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了從定性研究向半定量研究的跨越，為隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理的定量研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.3 復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)

圍巖分級(jí)經(jīng)典方法的提出：1974年，Barton等[23]提出Q(quality)分級(jí)法；1989年，Bieniawski[24]提出RMR法；1991年，Deer[25]提出巖石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(quality designation, RQD)分級(jí)法。以上圍巖經(jīng)典方法起到了開(kāi)創(chuàng)性作用，為之后專家學(xué)者們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究鋪平了道路。

Choi等[26]基于庫(kù)倫定律和高斯定律研究了巖體電阻特性與Q的相互關(guān)系。Hoseiniea等[27]提出了基于巖體可鉆性的圍巖分級(jí)方法。黎炳焱[28]對(duì)軟硬互層圍巖分級(jí)進(jìn)行了研究，提出軟巖的性質(zhì)是決定軟硬互層圍巖工程性質(zhì)的主要因素，并指出層厚和組合比例也是重要影響因素。Huang等[29]提出了巖體自動(dòng)分帶與分類方法，并開(kāi)發(fā)了大竹山隧道計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)分類結(jié)果與采用RMR法的分類結(jié)果吻合較好。Zhao[30]研究了圍巖分類指標(biāo)與巖體彈性波速的關(guān)系，將損傷理論分析與圍巖分類聯(lián)系起來(lái)?；诓ㄋ俸蛽p傷力學(xué)理論確定了巖體的初始損傷變量，進(jìn)而建立了地下洞室圍巖分類與初始損傷變量之間的關(guān)系，對(duì)完善基于巖體分級(jí)的巖體穩(wěn)定性損傷力學(xué)分析具有重要的理論意義和工程價(jià)值，但該方法僅限于宏觀各向同性巖體。吳東鵬等[31]對(duì)銑挖法隧道圍巖分級(jí)進(jìn)行了研究，提出了在圍巖穩(wěn)定性分級(jí)基礎(chǔ)之上對(duì)圍巖工作條件進(jìn)行二次分級(jí)的方法。近期的研究進(jìn)展圍繞經(jīng)典的理論方法，以理論分析為主，從最初的單一地層到復(fù)合地層，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為圍巖分級(jí)的研究工作打開(kāi)了新局面，自動(dòng)分類系統(tǒng)極大地提高了圍巖分級(jí)效率，與此同時(shí)其準(zhǔn)確性和對(duì)實(shí)際復(fù)雜地質(zhì)情況適應(yīng)性的提高也成為潛在的研究熱點(diǎn)。

新興的人工智能技術(shù)也被應(yīng)用到隧道工程領(lǐng)域來(lái)解決圍巖分級(jí)和隧道穩(wěn)定性的相關(guān)問(wèn)題研究。周盛全等[32]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了初步探究，并且準(zhǔn)確地應(yīng)用于富溪隧道圍巖的穩(wěn)定性判別中。王佳信等[33]應(yīng)用Alpha穩(wěn)定分布概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圍巖分類進(jìn)行了研究，此模型考慮多個(gè)圍巖影響因素，預(yù)測(cè)效果很好。柳厚祥等[34]利用深度學(xué)習(xí)模型和圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)公路隧道圍巖進(jìn)行分級(jí)，所得到的處理結(jié)果和BQ(basic quality)圍巖分級(jí)結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證新方法的可行性。鄭帥等[35]把機(jī)器學(xué)習(xí)和可靠度算法結(jié)合起來(lái)，提出了一種新的圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法，豐富了圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)的應(yīng)用。通過(guò)上述的分析發(fā)現(xiàn)，人工智能技術(shù)在隧道圍巖分級(jí)判別中應(yīng)用可以解決圍巖分級(jí)不確定性和傳統(tǒng)方法偏于半定性的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)方法，基于人工智能技術(shù)的圍巖分級(jí)分析和判別方法更可靠，因而該技術(shù)在隧道圍巖分級(jí)和穩(wěn)定性判別中具有廣泛的研究和應(yīng)用前景。

1.4 復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究是建立在系統(tǒng)和深入認(rèn)識(shí)隧道穩(wěn)定性這一基礎(chǔ)之上的。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)軟硬相接地層隧道穩(wěn)定性開(kāi)展大量研究。黃松[36]通過(guò)分析基于傳統(tǒng)巖土理論建立的各種計(jì)算方法及相應(yīng)適用條件，并結(jié)合不同工程情況下上軟下硬地層區(qū)間隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出相應(yīng)軟硬相接地層區(qū)間隧道的荷載計(jì)算公式。任松等[37]對(duì)軟硬互層隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了軟硬互層隧道的穩(wěn)定性，提出了初期支護(hù)優(yōu)化方案。劉揚(yáng)等[38]對(duì)軟硬交接帶中隧道開(kāi)挖進(jìn)行相似模型試驗(yàn)，研究了隧道開(kāi)挖后堅(jiān)硬地層的裂紋擴(kuò)展情況及圍巖的漸進(jìn)破壞過(guò)程，研究表明隧道在開(kāi)挖軟質(zhì)地層部分后，堅(jiān)硬地層仍具有一定的承載能力；隧道上方堅(jiān)硬地層破壞過(guò)程為微裂紋產(chǎn)生到裂紋逐漸擴(kuò)展和貫通再到裂紋錯(cuò)位。任松等[39]提出了水平互層圍巖隧道動(dòng)態(tài)模擬方法，考慮圍巖在層理效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)下的持續(xù)變形特性，更接近工程實(shí)際情況，為復(fù)雜水平軟硬互層圍巖隧道穩(wěn)定性分析提供了新的思路。范凱祥等[40]對(duì)穿越軟硬相接巖層的隧道進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了不同減震層厚度下圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明從洞身段來(lái)看，減震層厚度存在最優(yōu)值；襯砌結(jié)構(gòu)也沒(méi)有表現(xiàn)出自振特性，其響應(yīng)主要取決于所穿越圍巖的動(dòng)力特性；在地震荷載作用下，隧道拱頂、拱腳和仰拱易發(fā)生開(kāi)裂，設(shè)置減震層后，仰拱相對(duì)更容易發(fā)生破壞。朱連臣等[41]對(duì)富水流塑軟硬復(fù)合地層下地鐵盾構(gòu)隧道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究表明完成盾構(gòu)施工、襯砌管片安裝和壁后注漿工序后，洞室拱頂出現(xiàn)沉降，拱底發(fā)生隆起；盾構(gòu)隧道左、右兩線整體沉降模擬值和實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本一致，整體沉降曲線以隧道中線為中心呈對(duì)稱分布，但模擬值普遍偏小于實(shí)測(cè)值。陳曉堅(jiān)[42]對(duì)穿越軟硬不均地層段隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究建立了上覆水位荷載、下臥地層損失量與結(jié)構(gòu)曲率半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。王偉等[43]對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了軟硬相接巖體的分布對(duì)隧道圍巖的影響。研究表明在軟硬相接巖層中，圍巖變形和塑性區(qū)分布主要集中在巖性較弱一側(cè)，結(jié)構(gòu)面與圍巖相交處呈現(xiàn)出不協(xié)調(diào)且變形較大。由以上研究可知，對(duì)于復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性的研究，其目的都是向定量化評(píng)價(jià)邁進(jìn)。通過(guò)理論分析方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，基于此建立相應(yīng)的計(jì)算公式。在穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)之上提出相應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化方法，也是從認(rèn)識(shí)穩(wěn)定性機(jī)理到工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。此外，還研究了圍巖和支護(hù)的相互作用對(duì)復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性的影響。

隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法要形成科學(xué)完備的體系，必須先對(duì)各類復(fù)雜工況下隧道穩(wěn)定性有充分的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而針對(duì)性地提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。Hoek等[44]于1988年提出了著名的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則。陳進(jìn)等[45]研究了軟巖巷道的破壞機(jī)理和支護(hù)形式，進(jìn)一步推廣了所提出的漸進(jìn)破壞模型。Lee等[46]基于有限元法研究了隧道施工引起的周圍巖體變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。孫鈞等[47]研究了隧道圍巖穩(wěn)定性，認(rèn)為圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)就是對(duì)巖體應(yīng)力和變形的分析。Sakurai[48]提出了隧道穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，建議采用隧道圍巖的變形與隧道直徑之比來(lái)評(píng)價(jià)隧道的穩(wěn)定性，并將2%作為極限值。還有學(xué)者對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了進(jìn)一步研究。吳波等[49-51]研究了隧道施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定的時(shí)空效應(yīng)與流固耦合效應(yīng)。從最初Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則的提出，初步建立了隧道穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法。圍巖穩(wěn)定性分析的本質(zhì)是什么，也給出了相應(yīng)的回答，認(rèn)為就是對(duì)巖體的應(yīng)力和變形的分析，這一結(jié)論為隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的研究指明了方向。

動(dòng)力荷載作用對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的研究，主要圍繞地震作用展開(kāi)。支護(hù)體系和圍巖的相互作用對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響也取得了相應(yīng)的研究成果。Geni[52]對(duì)受地震作用的隧道入口進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明當(dāng)動(dòng)力波加速度值大于0.5倍重力加速度時(shí)，隧道入口邊坡以及距隧道入口20～50 m范圍內(nèi)可能受到嚴(yán)重破壞，因此地震區(qū)應(yīng)充分考慮動(dòng)力荷載的影響。Wang等[53]通過(guò)數(shù)值模擬研究了支護(hù)體系對(duì)隧道圍巖變形和穩(wěn)定性的影響，以及完整巖石和地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)非連續(xù)性的變異性對(duì)隧道變形和穩(wěn)定性的影響。Yang等[54]采用塑性變形單元的有限元上限法(UP-PDE)和剛性平移運(yùn)動(dòng)單元的有限元上限法(UP-RTME)研究了無(wú)襯砌橢圓隧道在黏性摩擦土中的穩(wěn)定性。Panji等[55]使用直接邊界元法研究了復(fù)雜受力情況下淺埋隧道的應(yīng)力特征，研究表明在非均勻表面牽引力和對(duì)稱重力荷載共同作用下，偏心荷載對(duì)圍巖應(yīng)力分布有顯著影響。Xiao等[56]研究了隧道巖爆的演化機(jī)制，提出了一種基于實(shí)時(shí)微震信息綜合判斷巖爆演化過(guò)程中巖體破壞類型的方法。研究表明巖體應(yīng)變發(fā)展直至失效，都是拉伸性質(zhì)的破壞；中度和強(qiáng)烈的巖爆破壞形式都是剪切破壞。通過(guò)以上分析可知，動(dòng)力荷載作用對(duì)隧道穩(wěn)定性有著顯著的影響；對(duì)于無(wú)襯砌和特殊地層這種綜合情況的研究有助于充分認(rèn)識(shí)支護(hù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響；基于巖爆的演化機(jī)制，提出了判斷巖體破壞類型的方法。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步為隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新的思路。Wu等[57]對(duì)形態(tài)可視化方法中的元素塊聚合算法和復(fù)雜塊構(gòu)建算法做了改進(jìn)，提高了計(jì)算效率，并利用改進(jìn)的算法對(duì)隧道周圍巖塊的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出了一種更為有效的隧道支護(hù)方法。Xu等[58]基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，提出了巷道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方法，開(kāi)發(fā)出巷道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，能有效地判斷圍巖的不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)揭示巷道變形規(guī)律、防治煤巖動(dòng)力災(zāi)害具有重要意義。由以上分析可知，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠解決現(xiàn)有復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性研究偏向于定性評(píng)價(jià)的不足，對(duì)定量化評(píng)價(jià)方法的發(fā)展起到重要作用。

1.5 復(fù)合地層參數(shù)空間變異性

由于礦物構(gòu)成、沉積條件、應(yīng)力歷史以及其他地質(zhì)作用的差異，圍巖力學(xué)性質(zhì)的空間變異性總是客觀存在的。而這種空間變異性會(huì)明顯影響到隧道開(kāi)挖后圍巖的力學(xué)響應(yīng)，也對(duì)隧道設(shè)計(jì)中支護(hù)荷載計(jì)算、地層變形預(yù)測(cè)以及安全控制對(duì)策產(chǎn)生明顯影響。隨機(jī)場(chǎng)理論在隨機(jī)變量理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入自相關(guān)函數(shù)和波動(dòng)范圍等空間概念，可有效模擬巖土體力學(xué)性質(zhì)的空間變異性。Lumb[59]于2011年首次提出土性參數(shù)“空間變異性”(spatial variability)的概念，指出由于在沉積過(guò)程中的物質(zhì)組成的差異以及后期各種不確定性外力的作用使土性參數(shù)呈現(xiàn)出變異性特征。中外學(xué)者使用隨機(jī)場(chǎng)模型分別于2003、2008、2009、2014年研究了土性參數(shù)空間變異性對(duì)邊坡穩(wěn)定性[60]、地基承載力[61]、地基液化[62]和隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性[63]等問(wèn)題的影響。研究結(jié)果顯示，如果忽略了土性參數(shù)空間變異性，會(huì)在一定程度上高估其工程安全性。

針對(duì)土體參數(shù)空間變異性影響隧道開(kāi)挖后地層力學(xué)響應(yīng)的問(wèn)題，鄧建林[64]基于強(qiáng)度折減法與數(shù)值計(jì)算，分析掌子面與軟硬不均地層分界面位置關(guān)系變化對(duì)隧道安全系數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形產(chǎn)生的影響，得出地層分界面位置不同，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，變形較為明顯。程紅戰(zhàn)等[65]、文明等[66]、Phoon等[67]等中外學(xué)者借助隨機(jī)場(chǎng)模型開(kāi)展了大量的研究工作，結(jié)果表明土體參數(shù)空間變異性會(huì)對(duì)隧道開(kāi)挖引起的地層力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生顯著的影響。

隨機(jī)場(chǎng)理論在隨機(jī)變量理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入自相關(guān)函數(shù)和波動(dòng)范圍等空間概念，可有效模擬巖土體力學(xué)性質(zhì)的空間變異性。韓憲軍[68]將圍巖彈性模量模擬為二維隨機(jī)場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上分析了地下洞室的可靠性。Mollon等[69]通過(guò)將隧道周邊土體的內(nèi)摩擦角模擬為二維隨機(jī)場(chǎng)，研究了土層參數(shù)空間變異性對(duì)隧道掌子面臨界坍塌壓力和臨界滑移面的影響。Song 等[70]研究了風(fēng)化圍巖參數(shù)空間變異性對(duì)隧道變形特征等因素的影響。程勇剛等[71]通過(guò)模擬圍巖彈性模量和側(cè)壓力系數(shù)的隨機(jī)場(chǎng)，分析了隧道圍巖的概率變形特征。目前該理論已被成功應(yīng)用于邊坡工程，李典慶等[72]在該方面進(jìn)行了研究。在隧道及地下工程中，中外也有多位學(xué)者先后開(kāi)展了相關(guān)研究。龔勛[73]和程紅戰(zhàn)等[74]分別研究了施工過(guò)程下土體參數(shù)空間變異性對(duì)盾構(gòu)隧道周邊建筑物和地表變形的影響。方超等[75]從三維角度出發(fā)，研究了圍巖參數(shù)豎向與其他兩個(gè)方向相關(guān)距離的變化對(duì)公路隧道結(jié)構(gòu)可靠性的影響。岳慶霞等[76]在考慮土體彈性模量空間變異性的情況下，分析了地震作用下隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。孫智慧等[77]對(duì)背斜核部層狀軟硬巖隧道變形進(jìn)行了時(shí)空效應(yīng)分析，研究表明軟硬巖相間區(qū)圍巖應(yīng)充分考慮軟巖的時(shí)效變形。學(xué)者們基于隨機(jī)場(chǎng)理論對(duì)巖土體參數(shù)空間變異性對(duì)于隧道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，之前所考慮的隧道穩(wěn)定性影響因素從宏觀上可以認(rèn)為在一定時(shí)空條件下是相對(duì)穩(wěn)定的，而巖土體參數(shù)空間變異性作為又一隧道穩(wěn)定性影響因素具有顯著的時(shí)空效應(yīng)。由此帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，即準(zhǔn)確地模擬巖土體力學(xué)性質(zhì)的空間變異性。

2 存在的關(guān)鍵問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 漸進(jìn)破壞機(jī)理方面

2.1.1 關(guān)鍵問(wèn)題

主要體現(xiàn)在：①?gòu)?fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理尚未形成系統(tǒng)的理論，有待進(jìn)一步研究；②現(xiàn)有研究對(duì)于圍巖和支護(hù)的相互作用研究的較少；③漸進(jìn)破壞機(jī)理的研究與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合的不夠緊密；④隧道開(kāi)挖方法的不同對(duì)于隧道漸進(jìn)破壞的影響開(kāi)展的研究較少。

2.1.2 發(fā)展趨勢(shì)

由前述研究?jī)?nèi)容可知，學(xué)者們所采用的研究方法主要分為兩種即數(shù)值模擬和相似模型試驗(yàn)。數(shù)值模擬是指基于有限元基本原理，使用電子計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行模型建立，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的研究。相似模型試驗(yàn)指的是在比例縮小或等比的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，施加比例荷載，使模型受力后呈現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)實(shí)際工作的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。由相似模型的試驗(yàn)結(jié)果可以推算實(shí)際結(jié)構(gòu)的工作狀況，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)和改善設(shè)計(jì)缺陷。

在今后研究中，通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩種方法，全面和系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理。數(shù)值模擬方法可以根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行建模分析，綜合考慮圍巖和支護(hù)的相互作用，結(jié)合模型試驗(yàn)深入了解實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程，與數(shù)值模擬結(jié)果相互印證。根據(jù)模型試驗(yàn)改善支護(hù)的設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)從認(rèn)識(shí)漸進(jìn)破壞機(jī)理向工程應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化。以圓形和橢圓形隧道為主，就隧道斷面小、中、大3種形式，針對(duì)不同的隧道開(kāi)挖方法對(duì)圍巖的影響展開(kāi)系統(tǒng)研究，建立系統(tǒng)的隧道漸進(jìn)破壞理論。

2.2 圍巖分級(jí)方面

2.2.1 關(guān)鍵問(wèn)題

目前復(fù)合地層圍巖分級(jí)領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問(wèn)題有：①針對(duì)復(fù)合地層的圍巖分級(jí)指標(biāo)有待擴(kuò)展；②傳統(tǒng)圍巖分級(jí)方法的發(fā)展和創(chuàng)新；③現(xiàn)有新技術(shù)在圍巖分級(jí)領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟，效率和準(zhǔn)確性有待提升，復(fù)雜地質(zhì)情況適應(yīng)性不強(qiáng)；④現(xiàn)有圍巖分級(jí)的研究主要針對(duì)單一地層，復(fù)合地層圍巖分級(jí)有待進(jìn)一步研究。

2.2.2 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的分支，而深度學(xué)習(xí)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，把原始數(shù)據(jù)通過(guò)一些簡(jiǎn)單的但是非線性的模型轉(zhuǎn)變成為更高層次的、更加抽象的表達(dá)。深度學(xué)習(xí)的核心方面是各層的特征，都不是利用人工工程來(lái)設(shè)計(jì)的，而是使用一種通用的學(xué)習(xí)過(guò)程從數(shù)據(jù)中學(xué)到的。

在未來(lái)的研究中，綜合考慮多種圍巖穩(wěn)定因素，拓展傳統(tǒng)的圍巖分級(jí)所用的評(píng)價(jià)指標(biāo)；越來(lái)越多地開(kāi)展新技術(shù)在圍巖分級(jí)領(lǐng)域的工程實(shí)踐，全面提升圍巖分級(jí)的效率、準(zhǔn)確性和復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性。從深度學(xué)習(xí)模型，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的建立再到圖像識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，人工智能技術(shù)必將會(huì)給圍巖分級(jí)打開(kāi)新局面，最終建立系統(tǒng)的復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)理論。

2.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.3.1 關(guān)鍵問(wèn)題

目前穩(wěn)定性評(píng)價(jià)存在的關(guān)鍵問(wèn)題有：①圍巖穩(wěn)定影響因素分類不系統(tǒng)；②穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法仍以定性評(píng)價(jià)方法為主；③尚未建立系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論；④圍巖和支護(hù)的相互作用對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響研究較少；⑤新技術(shù)在隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的應(yīng)用還不成熟，需要進(jìn)一步的實(shí)踐探索；⑥隧道穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)手段有待發(fā)展。

2.3.2 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)，變形監(jiān)測(cè)反映圍巖在應(yīng)力作用下變形破壞的發(fā)展趨勢(shì)，基于機(jī)器視覺(jué)的隧道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以分段布置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道變形的大規(guī)模監(jiān)測(cè)和區(qū)域監(jiān)測(cè)，作為圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的重要手段。對(duì)圍巖穩(wěn)定影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分類，定量評(píng)價(jià)方法建立在系統(tǒng)的定性評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)之上，豐富和完善復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論，新技術(shù)在隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的深度應(yīng)用，建立復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)方法。

2.4 地層參數(shù)空間變異性

2.4.1 關(guān)鍵問(wèn)題

①基于隨機(jī)場(chǎng)理論的隨機(jī)場(chǎng)模型在模擬巖土體力學(xué)性質(zhì)空間變異性方面有待進(jìn)一步研究，主要體現(xiàn)在模擬的準(zhǔn)確性方面；②地層參數(shù)空間變異性影響評(píng)價(jià)還處于定性和半定量的階段，評(píng)價(jià)方法無(wú)法用到工程實(shí)踐當(dāng)中。

2.4.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨機(jī)場(chǎng)理論在巖土體力學(xué)性質(zhì)的空間變異性方面的應(yīng)用，主要以隨機(jī)場(chǎng)模型對(duì)地層參數(shù)空間變異性展開(kāi)研究?；陔S機(jī)場(chǎng)理論和新方法，提出更加有效和精確模擬復(fù)雜工況巖土體參數(shù)空間變異性的相應(yīng)隨機(jī)場(chǎng)模型，利用新技術(shù)建立系統(tǒng)的地層參數(shù)空間變異性定量評(píng)價(jià)方法。

3 結(jié)論

針對(duì)隧道工程領(lǐng)域的實(shí)踐需要，復(fù)合地層隧道穩(wěn)定機(jī)理及量化評(píng)價(jià)這一課題，對(duì)復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理、復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)、復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和復(fù)合地層參數(shù)空間變異性四個(gè)方面的相關(guān)研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，可以得出目前圍繞復(fù)合地層隧道的研究不系統(tǒng)，有待進(jìn)一步深入。在復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞機(jī)理方面，應(yīng)建立系統(tǒng)的復(fù)合地層隧道漸進(jìn)破壞理論。在復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)方面，應(yīng)拓展傳統(tǒng)的圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在傳統(tǒng)圍巖分級(jí)方法基礎(chǔ)之上，更多地使用新技術(shù)和新方法進(jìn)行復(fù)合地層圍巖分級(jí)研究，建立系統(tǒng)的復(fù)合地層圍巖分級(jí)理論和方法。在復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，應(yīng)在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，豐富和完善復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論，建立系統(tǒng)的復(fù)合地層隧道穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)方法。在復(fù)合地層參數(shù)空間變異性方面，應(yīng)基于隨機(jī)場(chǎng)理論和人工智能技術(shù)建立復(fù)合地層參數(shù)空間變異性量化評(píng)價(jià)方法。