隧洞围岩稳定性分析

任婧婧 郑恒祥

摘 要：隧洞作为水利工程中重要的水工建筑物，其围岩稳定性在整个工程中至关重要。因此，总结地下洞室围岩稳定性研究分析方法，分析不同支护类型对围岩稳定性的影响，并对不同支护时机选择方法做出评判，从而为以后隧洞的开挖施工和支护提供参考。

关键词：围岩稳定性;分析方法;强度折减法

中图分类号：U451.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0082-03

Abstract： As an important hydraulic structure in hydraulic engineering， the stability of surrounding rock of tunnel is a crucial issue in the whole project. This paper summarizes the research and analysis methods of the stability of surrounding rock of underground tunnel， and evaluates different supporting timing selection methods. It provides a reference for the excavation and support of tunnel in the future.

Keywords： surrounding rock stability;analysis method;strength reduction

在地下洞室的穩定性研究中，围岩是否稳定和支护结构是否安全通常是研究的重中之重。围岩的稳定性不仅与施工工序、混凝土强度等级、支护形式以及围岩结构有关，还受洞室埋深和截面尺寸的影响。目前，对地下洞室围岩稳定性的分析仍没有形成统一的理论，大多停留在定性分析阶段，所以对地下洞室围岩稳定分析方法进行总结十分必要，以掌握其优点与不足，从而在实际工程中做出准确判断，为其他地下工程提供参考，最终推动围岩稳定性的发展。

1 隧洞围岩稳定性分析方法研究现状

20世纪初，越来越多的国家开始探究围岩稳定性。从隧洞围岩稳定性的局部变形理论到连续介质力学模型，人们把围岩和支护系统当作一个整体进行研究。随着计算机技术的不断进步，在隧洞的支护和施工中，数值模拟法作为一种高效、准确的方法被广泛应用，在隧洞围岩的稳定性研究中起到了较好的作用。目前，国内外进行围岩稳定性分析的研究方法主要有经验类比法、解析法以及数值模拟法3类。

1.1 经验类比法

经验类比法主要包括工程地质类比法、历史分析法、专家系统等，其中工程地质类比法应用最为广泛。这种方法需要确定的参数较多，而一些参数难以通过经验获得，所以多应用于隧洞截面尺寸较小、埋深较浅的地下洞室稳定性分析，在解决地下工程问题中发挥了重要作用。

1.2 解析法

解析法通常被用来分析节理发育不好、围岩岩石坚硬、完整性良好的围岩，在一定程度上可以对洞型方案、成洞条件做出稳定性评价，但是对于浅埋洞室以及受地面扰动影响的软弱围岩不能得出准确结果，无法准确描述围岩的失稳破坏详细过程。另外，解析法具有精度高、分析速度快和易于规律性研究等优点，在实际工程中是一种分析围岩稳定性最基础的方法。它的不足在于当围岩应力应变大于峰值应力和极限应变时，围岩将进入全应力、应变曲线峰后段的刚体滑移和张裂状态，此方法将不再适用[1]。

1.3 数值模拟法

数值模拟法是将实际工程进行合理的简单化处理，先建立模型，再确定需计算的材料参数，最后提取结果。数值模拟法不仅可以考虑各种非均质、非线性等复杂工程因素，还可以模拟不同支护方案和施工工序对地下洞室围岩稳定性的影响，能够直观地反映实际工况。

2 基于强度折减法的围岩稳定性

1975年，英国科学家Zienkiewicz最先提出强度折减法，该方法多应用于边坡、地基等工程。郑颖人等首次将这种方法引入隧道围岩稳定性分析，通常折减的是岩土体的黏聚力和内摩擦角，计算时用折减后的参数。如果在分析判断后结构依然保持稳定，材料参数将继续进行折减，直到结构恰好失稳，此时得到的折减系数就是结构的安全因数。

当洞室的围岩安全系数小于1时，洞室将会发生失稳。此时，若材料参数的折减再从1开始增加，将不适用于此条件，而是应该将黏聚力和摩擦角扩大[N]倍，直到监测点位移变化不能满足稳定性要求。此时得到的折减系数除以[N]，将会得到洞室小于1的安全储备系数。强度折减示意图如图1所示。

唐晓松等人将强度折减法引入隧道施工稳定性分析，主要采用洞室围岩位移发生突变的方法，以塑性区是否贯通和有限元求解是否收敛作为辅助分析方法，最后通过综合分析得到围岩的安全系数，为隧道工程施工过程提供了一条新的路径[2]。

3 不同支护类型对稳定性的影响

隧洞开挖过程中围岩分布不均匀，施工条件复杂，自稳能力较差，故要采取不同的支护方式来保证围岩的安全性。胡睿等人通过强度折减法研究了在不同围岩类型下采用同一支护类型的围岩变化规律，并对比分析同一围岩类别不同支护形式的围岩稳定性变化规律[3]。各类围岩力学参数见表1。

研究结果表明：施加锚杆支护措施相比于无支护措施的开挖方式，隧洞的安全系数提高了5%～15%;Ⅲ类围岩在无支护结构情况下的安全系数为3.81，施加锚杆后安全系数增长为4.0，施加喷护后安全系数大于10;Ⅳ类围岩在施加锚杆后安全系数由无支护的1.83变为2.11，施加喷护和锚杆支护后安全系数也大于10;Ⅴ类围岩在无支护的情况下安全系数小于1，隧洞自稳能力较差，需加钢拱架和锚杆支护措施满足其稳定性要求;Ⅴ类围岩在加喷护作用下的安全系数为2.63，再加上锚杆后安全系数为3.01。

3.1 不同支护时机下的围岩稳定性分析

2008年，苏凯等人为获得等效节点力而在地下洞室开挖过程释放的荷载基础上加以升華，同时为模拟分析对比不同支护时机而通过施加不同比例的等效节点力来实现，支护方式为喷锚支护[4]。结果表明：支护时机越早，开挖荷载由支护结构承担的越多，围岩承受的荷载和受波动的范围区越小，从而围岩越稳定;支护时机越晚，锚杆受到的应力会相对较小，此时围岩的塑性屈服区和增量位移逐渐增大，洞室更易发生破坏。

洞室开挖过程即围岩应力释放过程，此时围岩的单元应力状态为初始状态应力和开挖时的应力增量的叠加，即

式（1）中，[σ0]为单元的原岩应力。式（2）中，[D]为单元的应力应变关系矩阵;[B]为几何矩阵。

开挖释放荷载可按式（4）计算：

3.2 支护时机选择判据

隧洞在开挖后的单元应力状态可分为塑性状态和弹性状态，表达式分别为：

式（5）和式（6）中：[F]为屈服函数;[σ0]为单元的原始应力;[σc]为开挖后的围岩应力;[Δσ]为附加应力。

由于隧洞施工条件复杂，胡天明等人分析了裸洞开挖和在不同时期施加初期支护时围岩的变形、应力和塑性破坏区[5]。结果表明，初期支护可有效改善围岩的稳定性。围岩发生变形越小，塑性区范围也越小，支护措施发挥的作用越大。所以，选择合适的支护措施对围岩稳定性有重要意义。

4 结语

地下洞室围岩失稳是一个特别复杂的非线性过程，同时受到多种因素的影响。在进行地下洞室稳定性判断时，不仅要参考过去的实践经验，还要结合实际情况的真实数据，才能做出正确的判断。随着计算机技术的迅猛发展，围岩稳定性评价不能仅仅依赖于一种方法，而是需将多种方法进行综合分析，这是未来研究围岩稳定性的一种发展趋势。

参考文献：

[1]邓声君，陆晓敏，黄晓阳.地下洞室围岩稳定性分析方法简述[J].地质与勘探，2013（3）：541-547.

[2]唐晓松，郑颖人，王永甫.有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用[J].现代隧道技术，2020（3）：49-55.

[3]胡睿，严新军，欧阳君，等.夏特水电站隧洞围岩初期支护稳定性分析[J].水力发电，2021（1）：34-38.

[4]苏凯，伍鹤皋，蒋逵超，等.不同支护时机的地下洞室围岩稳定仿真[J].武汉大学学报（工学版），2008（4）：29-33.

[5]胡天明，张继勋，任旭华.引水隧洞初期支护及其施加时机对围岩稳定性的影响[J].水电能源科学，2020（10）：95-98.