公路隧道围岩稳定性分析及支护对策研究

公路隧道围岩稳定性分析及支护对策研究

在隧道建设中最为关心的是隧道围岩稳定性问题。本文对影响隧道围岩稳定性的各类因素进行了分析，并对衬砌技术、衬砌防排水技术进行简要的说明，指出其中存在的问题并提出相应的解决思路，以期对公路隧道围岩稳定性的研究及实际工程施工有所帮助。

标签： 公路隧道；围岩；支护；对策

一、隧道围岩稳定性影响因素

1、地质及地质结构。地质及地质结构主要考虑岩性的影响、岩体结构及裂隙的分布和特殊地质条件（如岩溶区、强风化区、断层破碎带等不良地质）。

2、地应力。地下工程的失稳主要是由于开挖工作引起的应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形而造成的。而应力重分布是否会达到危险的程度主要看初始应力场的方向、量值和性质而定。

3、岩体力学性质影响。如上所述，工程岩体的稳定性主要视岩体的强度与变形特性与开挖后重分布的围岩应力这二者相互作用的结果而定。强者强于后者则稳定，弱于后者则不稳定。工程岩体的破坏主要有拉破裂和剪破裂两种基本类型，所以其抗拉强度和抗剪强度很重要。

4、工程因素。工程因素主要指洞室的方位、规模（高、跨）、形态、使用性质、施工方法、开挖工艺、支护形式及实施过程、受其它工程活动的影响等。

5、地下水因素。

6、时间因素。围岩状态随时间的恶化及地层压力的增加主要有两方面的原因：一是岩体的流变性质。二是时间的增长加剧了围岩弱化过程。

二、公路隧道围岩稳定性分析方法

（一）力学解析方法

自从人们对围岩稳定性的研究开始，对其的力学研究一直处于不断进步的过程，主要经历了从古典压力理论、散体压力理论以及发展到现在更为先进的弹性、塑性力学理论。

隧道开挖之后，因改变了岩体之间原有的受力状态，使得围岩内部受力重新分布，并有可能出现应力集中的不利状态，因此需对其受力状态进行受力分析，如果围岩所受的应力均小于岩体的弹性极限强度，则围岩稳定，处于弹性状态，而当围岩部分受力超出其受力状态时，使得处于弹塑性状态，会因围岩受力不均匀而使得围岩发生部分坍塌，因此需对围岩进行弹塑性进行分析。

（二）数值计算方法

近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法越来越多地被应用到围岩稳定性的分析中，如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等。有限元法是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法，该方法以弹塑性力学作为理论基础，通过求解弹塑性力学方程（物理方程、几何方程、平衡方程），计算岩土体在一定环境条件（自重、荷载等）下的应力场和变形场，然后根据岩土体的破坏准则，判断岩体在各个相应部位应力作用下所处

的状态，并据此对整个结构的稳定性做出定量的评价。由于这种方法是基于小变形和连续介质的假设，因此不能计算岩体沿某些结构面所发生的滑动变形（大变形）。

（三）人工智能方法

隧道围岩体工程力学行为及其变形和破坏机理在主、客观两方面相当程度上都是随机、模糊的，也就是不确定的；且由于获取信息与数据方面的限制和不完全、不充分，它又是不确知的。因此，尽管力学仍然是求解工程问题必要和不可或缺的手段，但它已不是唯一的手段。神经网络、遗传算法等人工智能学科的兴起，为我们解决这类不确定和不确知的工程问题提供了强有力的理论基础，国内外不少学者正是利用这一理论基础，提出了围岩稳定性分析的新方法。如北方交通大学的Y.Yang和Q.Zhang利用BP神经网络找出了影响围岩稳定性的关键因素，建立了一种等级分析方法。胡建华等利用改进的MBP神经网络进行围岩稳定性的识别，建立了围岩稳定性的神经网络识别模型。安红刚、冯夏庭将遗传进化算法与有限元相结合，对大型洞室围岩稳定性进行最优建模和获得全局最优解。冯夏庭、马平波运用知识发现技术中的数据挖掘环节，对大量的工程实例数据进行知识发现，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进而利用这些关系可对类似条件下的围岩稳定性作出合理的判断。

（四）现场原位测试

现场原位测试有着其他方法无法可比拟的优点，能够为理论研究提供数据支持，并可以对实际工程进行实际指导。现场原位试验包括的内容主要有以下几个方面：对围岩周边位移拱頂下沉量进行测试，对围岩的深部位移进行量测，同时对围岩的支护状态机地质状态进行观察。

（五）物理模拟法分析

物理模拟法中的物理模型由于是真实的物理实体，当它在基本满足相似原理的条件下，能全面、直观地反映隧道建设过程中围岩支护体系各方面的变化和影响。一方面可以与数学模型相互验证，另一方面也发现一些新的力学现象和规律，为建立新的计算理论和数学模型提供重要的依据。不仅如此，物理模拟法具有更合理的模拟和再现围岩破坏过程，如围岩冒落过程。另外围岩进入塑性变形后，岩石介质的力学性质具有高度的非线性，这些性质数值分析法难以模拟，但是物理模拟法一定程度上可以模拟，这是物理模拟法的优点。但是其也有不足之处，物理模拟分析法的成本高、周期长。当需要对多种开挖方案进行对比研究时，物理模拟分析法因为工作量大因而难以实施。

三、围岩稳定性的控制

（一）现场监测

随着信息化的不断发展，在隧道建设中也逐渐被广泛使用，通过在现场对隧道岩体的受力状态及变形状态进行测量，以便充分分析之后，根据情况确定最终的开挖顺序以及施工方法及支护手段，以便有效对围岩的稳定性进行控制。通过对围岩稳定性进行监测，可提前进行预警，能够保证施工安全。

（二）锚杆支撑维持围岩稳定性

在隧道施工时，围岩的稳定及加固主要是靠各类锚杆来实现的。由于围岩的稳定性一直处于不断的变化中，而采用固定的加固支护措施不能及时跟上围岩的变化步伐，因此需结合现代先进监测手段，对围岩的稳定性做出提前预估，在其失稳之前对其进行加固，从

而做到防范于未然。

四、公路隧道衬砌技术

衬砌是保证隧道围岩稳定性的一项重要的工序，直接影响着隧道的施工质量及其进度和运行成本。下面对衬砌技术的发展做一个简要的介绍。

模筑衬砌的重要组成部分是衬砌拱架。其型式对衬砌的质量、进度、成本都有着重要的影响，其发展过程经历了一个从简单到复杂的过程，主要包括三个阶段：

组装式拱架。该种类型的拱架使用与20世纪八十年代，其主要由模板、立腿、垫盘、拱圈等部分组成。该种类型的拱架每衬砌一个循环，就需要进行拆卸和重组，费时又费力，而且工艺较为落后，施工时问题较多，跑浆严重，混凝土外观美观程度较差，而其优点是造价较低、质量轻易加工，适用于短浅隧道。

衬砌台车。由于现代隧道对进度要求越来越高，传统的拱架已无法满足施工需要，因此衬砌台车应运而生，由于其能够平移而无需拆卸，同时能够减少重装时的组装误差，因此可有效提高施工进度，但是衬砌表面的美观性仍然较差，但是其造价较高。

大模板衬砌台车。由于现代社会对衬砌表面的外观提出了更高的要求，因此人们根据需要发明了模板衬砌台车，它的优点是能够解决此前两种拱架无法解决的跑浆问题，同时能够显著提高衬砌表面的美观程度，同时其施工进度快速，工作效率大为提高，但是其造价很高，一般适用于大型超长隧道的使用。

由于现在掘进机技术的发展，衬砌拱架可能有被淘汰的可能，但是对于一些特殊类型

的隧道施工还是发挥着无可比拟的作用。

五、结语

随着国内外隧道建设的数量和规模越来越大，对隧道围岩稳定性的分析所面临的困难也越来越多，由于各种下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法。任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法，而把两种或多种方法融合起来，取长补短，是未来发展的一种趋势。

参考文献：

[1]郑颖人，朱合华，方正昌.刘怀恒地下工程围岩稳定分析与设计理论[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]伍华刚.隧道围岩及支护结构稳定性方法综述[J].山西科技，2010（4）.