关于山岭隧道塌方机制研究现状

(重庆交通大学 重庆 400074)

引言

近年来随着我国经济不但迅猛发展，交通在经济发展中有着极为关键的作用，其中陆路交通和铁路交通承担了大部分运输任务。为了迎合经济发展的需要，发展交通事业是当今及以后较长时间内的重要任务。隧道作为公路工程和铁道工程的重要组成部分，隧道建设与施工安全关系重大。

大型交通基础设施项目的陆续上马，公路、高铁中存在大量是隧道工程。隧道塌方是山岭隧道施工中的常见灾害,是阻碍隧道建设的重大障碍。预测和防治隧道塌方成为加速隧道建设的重要任务，自上个世纪开始国内外学者对于隧道塌方机制进行了大量研究，取得了丰硕的成果，已经广泛应用于实际工程中的隧道塌方治理。

一、隧道塌方特征和发生机制

(一)塌方的分类

依据塌方的不同特征，国内外学者提出了塌方的多种分类方法。其中王毅才，依据塌方发生的机制不同分为蠕变型塌方、崩塌型塌方两类，依据塌方形态不同分为局部塌方、拱形塌方、异型塌方、膨胀岩隧道塌方、岩爆五类，依据发生的位置分为不同分为拱顶塌方、侧壁塌方和掌子面塌方三类[1]。

刘洪洲，从塌方发生的机制出发接合工程实例将塌方分为危岩滑动型塌方、松散介质垮落型塌方、软岩蠕变型塌方、硬岩岩爆型塌方四类[2]。

(二)塌方发生机制

1.洞口塌方

洞口塌方较洞内塌方少，多是表现为洞口边仰坡垮塌及山体滑坡。

洞口段边仰坡存在强风化岩体和堆积层，自身稳定性不足。洞口开挖后破坏其原有的稳定性，加剧了洞口边坡的不稳定性。当洞口段处于滑坡地带时，开挖洞口段破坏了滑体原有稳定性。

2.洞内塌方

洞内塌方又可以分为洞内岩质塌方和洞内土质塌方。山岭隧道多采用爆破法开挖，岩石隧道在爆破开挖后形成临空面，围岩压力释放凌空面发生位移直至收敛，开挖后初始围岩应力的释放导致围岩中存在的节理和层理发展，洞室周围岩石节理发展联通后岩石将被挤出形成掉块，此时如果支护不及时大量“掉块”后将形成塌方。此外采用爆破发必将对洞室围岩造成扰动，当围岩稳定性较差时就会导致掉块现象，当速率较快时将给施工带来极大不便。

二、隧道塌方发生的原因分析

隧道塌方受到多种因素的影响，有人为因素、非人为因素等，国内学者通过对大量塌方案例进行分析整理后将塌方的影响因素划分归纳为四大类，分别是地质因素、勘察设计因素、施工因素和自然因素。

(一)地质因素

隧道施工前，隧道内的地质情况是难以准确预测的，而在隧道建设的全周期过程中地质情况都举足轻重，像支护参数、开挖方法、施工工艺等都需要依据围岩地质来确定。地质情况是隧道全周期过程中都无法忽视的重要影响因素。山岭隧道地质情况十分复杂，在隧道开挖过程中容易出现围岩发生突变的情况，尤其是较好围岩向较差围岩发生突变时容易发生塌方，而在浅埋段有偏压作用时容易导致局部塌方。隧道挖掘过程中遇见断层、破碎带、软弱堆积层、特殊岩土或不良地质区，都是塌方发生的高危区。

(二)勘察设计因素

由于隧道在开挖前地质的不可预见性，这就要求勘察设计单位进行前期地质钻探，依据钻探结果进行地质分析并据此调整设计参数，制定设计方案。如果地质勘察做的不够仔细，甚至错误估计隧道地质，设计人员依据地勘所做设计参数将无法适应隧道施工，导致隧道塌方的发生风险增大。

(三)施工因素

施工因素是造成隧道塌方的最直接原因，施工单位的施工方法、工艺的采用决定了隧道施工的安全性。国内学者通过对大量隧道塌方案例总结分析后认为隧道施工中以下不当行为将增大造成隧道塌方的风险。

围岩较差地段超前支护措施偏于保守没有达到预期效果或施工单位进行超前支护施工时存在质量问题；开挖方法不当，施工单位为了赶工期没有严格依据设计要求的开挖方法进行施工如在Ⅳ级等交差围岩采用全断面开挖；初期支护不牢固或施做不及时；围岩较差时仰拱修筑不及时超过安全距离，未能及时封闭成环；围岩变形收敛后未及时施做二衬；爆破开挖时药量过大，对围岩造成较大的扰动，降低围岩的稳定性；施工过程中监控不及时，对监控所获得信息不重视或者数据处理不当，没有正确监控开挖后围岩变形情况；塌方发生后处置不及时或处置措施不当，造成二次塌方。

(四)自然因素

自然因素主要是极端天气的发生如连续暴雨加剧围岩不稳定；以及一些不可预见的自然灾害如地震破坏了围岩的稳定。

三、隧道塌方预测研究与模拟

(一)隧道塌方预测研究

对于隧道塌方的预测国内外学者做了大量研究，目前主要为以下两个方面：

1.隧道塌方的现场预测

在隧道发生塌方前一段时间内会有一些征兆,监控量测能够帮助我们及时发现隧道开挖后的不良变化。定期和不定期观察洞内围岩的变形情况，测量支护结构位移，与以往数据对比观察支护结构是否发生较大变形，监测岩层、节理裂隙的变化,坑顶或坑壁的松动情况、喷射混凝土是否发生掉块及掉块混凝土是否发生脱落，监控地表沉降等,可以很好的预测塌方[3]。实践证明隧道施工现场及时的监控量测观测隧道开挖后洞室的各种变化能够有效的预防塌方的发生。

2.运用各种理论方法对塌方的时间进行研究和预测。

目前在塌方预测中使用的主要理论有：①关键块理论，是针对节理岩体隧道的稳定性分析；②突变理论，基于隧道塌方的突变型特征，建立各种判定依据，目前预测塌方应用最多的是尖点突变模型；③灰色系统理论，利用现场监控采集的数据，接合回归分析法，建立塌方预测模型，判定围岩的稳定性；④其他一些非线性理论和算法,如神经网络、生长模型、支持向量机等。

(二)塌方机制模拟

近百年来国内外学者对塌方机制模拟做了大量研究，主要从物理模型试验研究和数值分析模拟研究两个方面展开。

1.物理模型试验研究

目前隧道物理模型试验研究中主要采用地质力学模型试验，研究岩体变形破坏机制和结构的整体稳定问题的模型试验技术。国内外多位学者利用室内物理模型对隧道塌方机制进行了大量研究[4-7]，对于隧道塌方机制做出来了很多很多贡献。虽然室内物理试验研究能够较好的模拟隧道塌方的实际情况，但需要消耗大量的资源，同时很难满足实际的边界条件。

2.数值模拟在隧道塌方中的应用

随着计算机技术的迅猛发展，又由于岩体是一种复杂的地球介质,数值模拟方法可考虑其各向异性、复杂的边界条件、不连续性及随时间变化特性的优点,很好的契合了工程实际，因此数值模拟方法日益广泛地应用于岩体工程分析的各个方面。近年来计算机领域的飞速发展加速了隧道围岩稳定性的数值分析方法的发展,目前在隧道塌方研究分析领域广泛使用的数值模拟方法有限单元法、离散单元法和非连续变形分析方法。

有限单元法自上个世纪五十年代开始盛行，随着岩土领域理论的发展尤其是岩土本构理论的的发展，加上计算机技术的迅猛发展，国内外利用有限元法解决了大量岩土问题。国内外学者将有限元法应用到隧道围岩稳定性及隧道塌方破坏机理的模拟研究中，成功的模拟了隧道塌方的过程。

离散单元法与有限元法类似的将分析域划分成单元,即块体单元,与有限元法不同的是离散单元法的块单元受结构面等不连续面的控制下发生运动，块体单元之间可以发生分离,在满足单元之间的约束条件下通过牛顿第二定律建立各个单元的运动方程。由于采用显式解法,不需要求解大型方程组,假设块体在运动时动能转化为热能而耗散掉，利用中点有限差分方程近似地对运动方程进行积分计算[8]。离散元法以及大量应用于隧道塌方全过程的模拟。

非连续变形分析方法(DDA)在充分考虑岩体的复杂性后将结构面切割为块体作为分析单元,静力、动力学相结合,利用最小势能原理把，利用矩阵求解块体单元之间的接触问题和块体单元本身的变形问题,充分满足了运动学理论、平衡假定和能量消耗[9-16]。DDA很好的解释了隧道塌方的机制，目前广泛应用于岩土工程各领域。

四、结论与展望

二十世纪以来国内外大量学者对隧道塌方进行了深入研究，结合物理试验模型研究结果以及实际工程案例提出了许多关于隧道塌方机制的理论，解决了大量实际工程问题。但由于室内物理试验模型需要需要大量资源同时很大达到与实际工程相似的条件，利用该方法进行研究进展缓慢。随着计算机技术的发展以及对于岩土体本构模型理论的深入研究，数值模拟方法发展迅猛，因其能达到满足工程实际需要的边界条件或满足精度要求的近似边界条件而广泛应用于工程实际。

到目前为止，我们还内有完全理解隧道塌方机制。隧道塌方机制研究还需要从岩土基础理论入手，充分利用数值模拟的方法不断完善隧道塌方理论。