地下工程破坏机理认知对工程建设风险的影响

2012-06-13郑颖人

重庆建筑 2012年9期

郑颖人

(1后勤工程学院军事建筑工程系，重庆400041；2重庆市地质灾害防治工程技术研究中心，重庆400041)

0 引言

随着科学和大工业的发展，地下工程围岩破坏机理以及围岩压力理论逐渐发展，至今已有百余年的历史。地下工程围岩压力理论的发展大致可分为如下三个阶段：古典压力理论阶段、散体压力理论阶段、弹塑性围岩压力理论阶段。而弹塑性围岩压力理论阶段又经历了解析分析、数值分析与数值极限分析计算三个阶段。针对隧洞的设计计算而言，依据不同时期地下工程实践特点、人们对地下工程破坏机理认知水平和计算技术发展状况，围岩稳定性分析方法经历了“经验判断－散体理论分析－数值分析－数值极限分析”的发展过程。早期对围岩稳定性分析主要是采用工程地质等定性方法，目前我国相关规范采用的围岩稳定分析主要基于散体力学理论，对深埋隧洞采用普氏压力拱理论，对浅埋隧洞采用上覆岩层剪切破坏理论，将围岩视为外荷载，采用荷载－结构分析模式。随着岩土力学和地下结构施工手段的发展，在将围岩视为外荷载的同时，还将围岩视为承载结构体、形成了基于弹塑性理论的现代围岩稳定分析方法。计算机技术及数值计算方法的推广与应用，克服了数学求解上的困难，为揭示复杂介质、复杂边界条件下围岩破坏机理和进行围岩稳定性分析提供了一个有效的途径。近年发展起来的有限元极限分析法，把数值分析与极限分析结合起来，用于隧洞力学计算可以形象地揭示隧洞破坏机理，并求得隧洞设计需要的稳定安全系数，从而将围岩稳定性分析带入到现代隧洞设计的实用阶段。

正是由于人们对隧洞破坏机理和稳定性方法认知水平不同，导致人们对隧洞破坏的理解以及设计与施工方法不同，错误的概念与方法必然导致隧洞工程建设风险增大，还会造成不必要的浪费。目前交通隧道与地铁轨道等地下工程事故率很高，据钱七虎院士科研团队最近的调研统计，其事故率占土木工程事故率的60%。究其原因，除地质环境复杂与管理不善原因外，其中一个重要原因是由于对地下工程破坏机理认知不清，导致设计、施工、管理失当。为此有必要深入研究地下工程破坏机理，改进稳定分析方法，提高设计、施工水平，以降低工程建设风险。

1 隧洞破坏机理[1]

1.1 深埋隧洞破坏机理研究

图1 勒布希维兹提出的楔形剪切破裂体

图2 圆形隧洞塑性区和破裂区示意图

普氏压力拱理论是建立在埋深不大的土体中挖洞，最后必然会塌成拱形的概念基础上。而上世纪70年代，新奥法的创始人之一勒布希维兹提出了楔形剪切破裂体理论。通过对实际隧洞破坏现象的观察，他提出隧洞侧壁剪切破坏的破裂楔体理论，如图1所示。我国某个受到破坏的深埋黄土隧洞，显示出破坏主要发生在隧洞两侧，在墙顶以下与墙脚以上的侧壁衬砌上出现明显的两条纵向的剪裂带，拱顶则受挤压而压疏剥落，验证了这一破坏机理的科学性。1978年，顾金才通过模型试验得出：≤1时，破裂区位置在隧洞两侧。霍尹尔.R.E与亨德尔.A.J（1980），采用相似材料的模型试验，也获得了同样的结论（图2）。作者在《地下工程围岩稳定分析》（1983）一书中，将其试验得到的破裂区与有限元算得的塑性区放在一起，如图2所示，证实了塑性区并非破裂区，破裂区在塑性区之内。2004年郑颖人、胡文清采用有限元极限分析法求出隧洞破裂面位置与形态，以及隧洞围岩安全系数。[9]

1.1.1 模型试验

采用室内模型试验与数值分析方法，模型试验采用自制的模型试验设备，试验模型内的土体尺寸为40 cm×52 cm×15 cm(长×高×厚)，如图3所示。试验材料的物理力学参数如下：弹性模量为70 MPa，泊松比为0.32，重度为17.80kN/m3，黏聚力为0.116 MPa，内摩擦角为21.8。

试验材料选用骨料为砂子，胶结材料为石膏、水泥和滑石粉，加一定量的水拌和而成。配比如下：。

试验采用压力机在模型顶部进行分级加载直至隧洞发生破坏，如图4所示。[10]

图3 隧洞模型

图4 分级加载

为了研究隧洞尺寸、形状变化对隧洞破坏的影响，设计5种试验方案，如表1所示。

表1 试验方案

1.1.2 围岩破裂面的确定根据破坏的原理，隧洞发生破坏时，必然导致破裂面上的位移或塑性应变发生突变。根据这一特征，可以采用有限元强度折减法通过数值模拟来确定破裂面的位置。先找出各断面上等效塑性应变的突变点，然后将点连成线，此线即为破裂面的位置。如图5为围岩等效塑性应变图，分别截取1～5五个断面，应用ANSYS自带的路径映射工具将各个断面的等效塑性应变映射到路径上，给出1～5号断面等效塑性应变与x坐标的曲线关系图。在等效塑性应变图中找出突变点的位置连成线，可以得到破裂面的位置，如图5中的黑线所示。[10]

图5 围岩等效塑性应变与潜在破裂面位置

1.1.3 模型试验结果及相应数值分析结果的比较

图6 方案1模型试验与数值模拟结果

表2 模型试验与数值模拟结果

表2为由模型试验与数值模拟得到的破坏荷载值，以及模型试验两侧破裂面间最大距离和数值模拟两侧破裂面间最大距离。可以看出，模型试验得到的破坏荷载与数值模拟得到的破坏荷载接近，模型试验破裂面与洞壁的最大距离和数值模拟破裂面与洞壁的最大距离也接近。

1.2 浅埋隧洞破坏机理研究

进行浅埋隧洞破坏模型试验，与数值模拟结果比较。图7为模型试验与数值模拟结果图。如图7(a)所示，当加压到25kN时，隧洞拱顶出现了明显裂缝。当加压到28kN时，隧洞拱顶两条裂缝贯通,即将垮落。同时墙角外侧，出现向上的断续裂缝。图7(b)为计算机模拟出的破裂面，当压力为26kN时，计算不收敛，拱顶土体破裂。图7(a)﹑(b)中破裂面十分接近，破裂面发生在拱顶。

图7 浅埋隧洞破坏情况

当浅埋时，隧洞的破坏在拱顶上方；当深埋时，隧洞的破坏在隧洞两侧。根据弹塑性理论，围岩与衬砌都可用形变压力来计算。为安全计，浅埋隧洞衬砌还应采用松散压力来验算。

2 不同埋深下隧洞的破坏过程

为了研究隧洞破坏机制与埋深的关系，采用有限元强度折减法，对一个洞跨12 m，高5 m的矩形隧洞与一个洞跨12 m，墙高5 m，拱高3 m的直墙拱形隧洞进行分析研究，不同埋深下矩形隧洞的等效塑性应变图如图8所示。

图8 不同埋深下矩形洞室等效塑性应变图

由图8(a)可见，当埋深3m时，破裂面自墙顶转角处起呈拱形直至地表，但拱未合拢，安全系数为0.52。由图8(b)可见，当埋深9m时，形成了明显的浅埋压力拱，安全系数为0.66，安全系数随埋深而增加。浅埋压力拱能否形成与埋深有关，当浅埋压力拱形成后，隧洞上方塌落不会直达地表。由图8(c)可见，当埋深10m时，拱顶上方浅埋压力拱逐渐消失，同时形成了深埋压力拱，即普氏压力拱，安全系数为0.69。可见，埋深10m时，出现了突变，由浅埋转为深埋。它是浅埋与深埋的分界线。由图8(d)，(e)可见，当埋深15m、18m时，逐渐形成2条破裂面：一条是拱顶上已形成的深埋压力拱，另一条是在侧面逐渐形成的破裂面，破裂面自墙顶至墙脚，安全系数均为0.70。可见，在埋深10～18m时，安全系数基本不变，表明深埋压力拱与埋深无关。由图8(f)可见，当埋深30m时，虽然深埋压力拱仍然存在，但侧壁破裂面明显先破坏，安全系数随深度增加降为0.67，表明埋深18m后，隧洞两侧破坏，安全系数随深度逐渐降低。上述反映了随深度增加隧洞破坏机制与安全系数的变化情况。同时也表明对于这一黄土隧洞无论是浅埋、深埋围岩都是不稳定的。因此，矩形隧洞破坏可随埋深分3个阶段：(1)埋深0～9m，逐渐形成浅埋压力拱；(2)埋深10～18m，浅埋压力拱消失，形成深埋压力拱，10m可以作为深浅埋的分界线；(3)埋深18m后，破坏从拱顶转至两侧，安全系数随埋深逐渐减少。

拱形隧洞破坏规律与矩形类似，只是浅埋压力拱形成后，立即转入两侧破坏，不存在普氏压力拱，因为洞顶本身就是拱形的。

从上述可见，普氏压力拱只是矩形隧洞在某种埋深下才成立，其它情况实际中并不存在普氏压力拱，因而依据这种概念形成的设计方法也是不符合实际的。普氏压力拱理论存在的问题如下：

(1)在拱形隧洞上并不存在普氏压力拱，人居黄土窑洞和岩体隧洞不做衬砌也可稳定，而按普氏理论都需要承受松散压力，施作衬砌；

(2)普氏理论认为围岩压力与埋深无关，而实际中大家都已认识到围岩压力与埋深密切相关，埋深越大压力越大；

(3)普氏理论认为围岩压力理论只来自拱顶，不会来自两侧，而深埋隧洞围岩破坏与围岩压力主要来自隧洞两侧，这种错误概念往往导致工程事故的发生。

3 隧洞工程建设中的风险

随着我国隧道与地下工程建设的快速发展，隧洞数量跨越式增多，跨度也大幅增大，遇到的复杂、不良的地质情况越来越多，同时工程建设中的事故也日益增多。

隧洞设计计算结果及其相应施工方法必需确保隧洞在施工期与运行期的稳定与安全。目前，一般岩质隧洞竣工后运行期中出现的安全问题不多，表明多数岩质隧洞安全余量较大。而在施工过程中，所遇到的地质情况复杂多变，人们对其认知不多，或有错误的认识，按常规工程经验施工和设置初期支护不当往往酿成工程事故。目前初衬设计中一般都按经验确定支护形式与尺寸，即使对Ⅳ、Ⅴ级围岩，要求通过计算确定设计参数，但由于缺少科学、合理的计算方法和安全系数指标，难以保证施工安全。目前，松散软弱岩体、塑性流变大变形岩体、浅埋地层、偏压地层与滑坡地层中的隧洞常对初期支护形成很大围压，造成严重工程事故。对特殊地质条件与特殊环境，更是缺乏抵御地质灾害的能力。这正是表明当前隧洞工程科技尚欠成熟，认知不足，措施不当。为确保初衬形成前施工安全，一则施工进尺要短，二则支护速度要快；初衬形成后，要有一定安全度，保证初衬施工中不坍塌；而目前隧洞设计施工中还缺少这方面的规定，也缺少相应的设计计算方法。

地下工程建设中的风险究其原因主要来自三个方面：一是客观工程地质与水文地质环境复杂，造成不可预计的失误；二是人们认知不足，技术水平低下，缺少对环境的掌控能力；三是管理不善。与其它房屋建筑、桥梁、道路等土木工程相比，地下工程中的建设风险主要来自上述前两个原因，这正是地下工程风险高于其它土木工程风险的根本原因。据调查，在矿山法施工中，隧洞围岩坍塌占其它事故中的绝大多数，尤其是松散软弱岩体，以及节理裂隙岩体的局部坍塌。从目前人们对围岩破坏机理的认识，围岩破坏坍塌大致有如下几个方面：

（1）单块落石与局部块体失稳坍塌

即使在坚硬的围岩中，也不能排除围岩中出现单块落石与局部块体失稳坍塌，这种破坏主要是由地质、岩体构造和施工原因造成的。例如地质破碎带、岩体结构面结合很差或存在软弱结构面的裂隙岩体，岩体结构面和临空面的不利组合，结构面的风化潮解，施工中的爆破松动作用以及开挖面的不规则形状等。就其受力原因来说，落石破坏主要是由于围岩自重所造成，围岩应力属次要因素。对单块落石与局部块体失稳坍塌的防治一般通过块体稳定分析，采用锚喷支护措施。然而这种认识目前各个建设部门有所不同，如水利水电部门对大跨度洞室都进行块体稳定分析，并采取相应措施，而交通隧道、地铁轨道建设中，即使是大型隧洞和车站，一般也不做块体稳定分析，采用锚杆很短，不足以维持块体稳定，施工人员缺乏围岩局部块体失稳的概念，致使施工方案不当，锚喷支护强度不足，这是造成块体失稳的原因。

图9 自重作用引起的剪切破坏

图10 塌方区纵断面与横断面图

图9、图10是围岩块体局部塌落的实例。

图9示出跨度10m的直墙圆拱隧洞，拱顶上面存在软弱结构面，造成局部塌落失稳。图10示出某地铁车站节理裂隙围岩局部失稳塌方，塌方区隧洞跨度23m，高19m，上导洞塌落，长23.6m，高6m，锚杆与块体一起塌落。

（2）围岩整体失稳

剪切破坏是软弱围岩中最常见的破坏形式。λ燮1时，深埋隧洞围岩中剪切破坏出现在隧洞两侧，这种破坏使隧洞侧墙上方与下方出现两道明显的剪切裂缝，这是剪切破坏的主要形式。侧壁剪坏后，若不采取有效的支护措施，破坏就会从侧壁发展到顶部，出现拉裂或新的剪切破坏，这种破坏全过程称为复合破坏。现场观察和模型试验表明，岩性不同复合破坏形式也不同。对于软弱破碎岩体，围岩最终破坏往往表现为严重片帮、冒顶，称为片帮冒落型破坏。而对于塑性流变岩体，隧洞围岩破坏则主要表现为围岩从四周向洞内蠕动，围岩无明显破坏塌落，而围岩变形无限增大，隧洞幅员大幅减少，称为挤压型大变形破坏。

松散软弱岩体片帮冒顶是最常见的工程事故，这种事故屡见不鲜，原因之一是人们受到普氏压力拱理论的错觉，以为只要拱顶结构结实，就不会发生破坏，忽视了侧壁开挖会造成严重后果，图11示出了软弱围岩中深浅埋交界处，由于侧壁先破坏而酿成的工程事故段平面及纵、横断面示意图。

图11 事故段平面及纵、横断面示意图

某地铁车站断面开挖跨度27m，最大32m，埋深7~15m，软岩和软弱结构面，拱顶二衬完成，拱顶截面厚75cm，拱脚厚150cm，开挖侧墙下半部时，发生长30m坍塌直至地表，见图12。

究其事故原因主要是不良地质条件，软岩与软弱结构面围岩，雨季地表水渗入，结构面软化，地形稍有偏压，开挖段前面为明挖段无支撑作用。按一般工程观点，技术人员认为拱部二衬已施作，不会有问题，不知道深埋隧洞压力会来自两侧，在施工方案上造成失误，还停止了监测工作，未能提供监测数据。

（3）浅埋隧洞坍塌

浅埋隧洞顶部塌落，尤其是有垂直节理裂隙的黄土与岩体，浸水后强度降低，造成顶部坍塌直至地表。其中一个重要原因是当前结构计算中没有充分考虑雨水的渗入，岩土强度降低。如黄土隧洞，黄土遇水，黏聚力可降低3~5倍，摩擦力也会大幅降低。在岩体隧洞中它与岩体结构面的方向及其结合能力有密切关系，当结构面近似垂直时，软弱结构面遇水软化，同样会造成严重坍塌事故。由于当前浅埋隧洞施工中没有考虑上述因素，往往造成初衬支护不足。

图12 事故后的坍塌现场

（4）偏压地层与滑坡地层中的隧洞

滑坡地段的隧洞由于未作工程处理或滑坡治理不当，加固措施不足，以及偏压地层中计算过程未能反映实际受力状况，缺少合理、科学的设计方法，及其相应安全指标，衬砌（尤其是初衬）强度不足，造成施工中或施工后工程事故。这类事故近年日益见多，显然这也与当前的设计施工理念与设计施工方法密切有关。

（5）特殊地质环境下的事故

除了上述常遇的工程事故外，还有许多特殊地质环境下的事故。具体表现为：

①岩溶地区、突水突泥。

②高地应力下塑性流变地层挤压大变形破坏。

③高地应力下和深埋地层的岩爆。

④瓦斯突出、瓦斯爆炸。

对上述不良地质条件和恶劣环境下的隧洞建设，目前人们认知水平还不够，防治措施远远不足，也是当前隧洞事故频发的重要原因。

4 结论

随着当前数值极限分析方法与测试技术的发展，隧洞的破坏机理越来越清楚，一些错误的概念逐渐被纠正。普氏压力拱理论只是对某些松散岩体、平缓洞顶才成立，对于一般地下工程压力拱理论并不存在，这种错误概念必须逐渐清除，否则会加大隧洞建设的工程风险。需要提供更加科学和符合实际的隧洞围岩压力理论与机理，改进设计理念与设计方法，但由于隧洞问题的复杂性，这还需要一个较长的过程，期待地下工程学术界与工程界做出不懈的努力，不断提升学科科技水平，降低隧洞建设工程风险。

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