海底隧道围岩稳定性分析现状及方法.pdf

海底隧道围岩稳定性分析现状及方法

摘要：随着经济的快速发展，我国正处于隧道建设的高

潮时期，在隧道建设上我国每年都投入大量的人力、物力和

财力，这就迫切需要实现隧道建设高效与经济。隧道施工过

程中，洞室周围岩体发生应力重新分布，当这种重新分布应

力超过围岩的强度极限时，将会造成围岩的失稳破坏，因此

隧道施工过程中洞室围岩稳定性评价与受力状态研究就显

得日益重要。

关键词：隧道；围岩；稳定性

1隧道围岩稳定性影响因素分析现状

1.1地质结构地质结构是多因素的综合影响，其中软弱

结构面是影响隧道围岩稳定的一个重要因素，所谓软弱结构

面是指相对发育软弱的结构面，即张开度较大，充填物较差，

成组性好，规模较大，有利于滑移的优势方位的结构面。由

于结构面产状不同，与洞轴线的组合关系不同，对隧道工程

围岩稳定的影响程度亦不相同。这些结构面是岩体中的薄弱

部位，它们的力学强度较低因此，岩体软弱结构面分布状况

经常是围岩稳定与否的控制性因素。

1.2地应力水平围岩地应力因素对隧道工程围岩稳定性

的影响是众所周知的，特别是高初始应力的存在。岩石强度

与初始应力之比（rc/σmax）大于一定值时，可以认为对洞室

围岩稳定不起控制作用，当这个比值小于一定值时，再加上

洞室周边应力集中结果，对围岩稳定性或变形破坏的影响表

现就显著了。海底隧道由于其处于海底，围岩前期固结压力

较大，岩体在海水压力和自重应力下已经固结，海水压力即

使是浅海地区也有几百千帕，对于海底软岩或是含软弱结构

面的岩体，岩石强度较低，rc/σmax值较小，隧道拱底两侧

会发生严重的应力集中现象，此外弱层内部会出现较大面积

的塑性区。

1.3地下水地下水的存在及活动使它在隧道周围产生水

利学的、力学的、物理和化学的作用几乎总是不利于洞室的

稳定。这种不利的作用大致体现在三个方面：①由于洞室开

挖，地下水有了新的排泄通道，因此在洞周会产生渗压梯度。

而且经常是不对称指向洞内的附加体积力，增加了周围岩石

向洞内的挤压力；②润滑作用。③软化作用。

1.4隧道围岩稳定性理论研究现状①力学分析方法。从

19世纪人类对松散地层围岩稳定和围岩压力理论进行研究

开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体

压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。

实际工程中，隧道开挖后由于卸荷作用使围岩应力进行重分

布，并出现应力集中。如果围岩应力处处小于其弹性极限强

度，这时围岩处于弹性状态。反之围岩将部分进入塑性状态，

但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失

稳。因而研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳（fenner）

一塔勃（talobrej）和卡斯特奈（kasterh）等给出了围岩的弹

塑性应力图形。对于深埋隧道，因其埋深大，围岩大都表现

出强烈的流变特性，而软弱围岩，其本身就具有明显的流变

特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的研究

中。朱素平[1]等提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模

型进行围岩稳定性的力学分析。日本学者西原在岩石流变试

验资料的基础上，建立了能反映岩石弹－粘弹－粘塑性特性

的西原模型。②数值计算方法。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，其有限元

模型一般有弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性等。

2围岩稳定性分析方法

2.1解析分析法解析分析法是指通过对地质原型的高度

抽象，得出简单的计算模型，借助数学力学工具来计算围岩

中的应力分布状态，进行围岩稳定性评价。但解析法分析围

岩应力和变形目前多限于深埋地下工程，对于受地表边界和

地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定

的困难。特别在岩体的应力一应变超过峰值应力和极限应变，

围岩进入全应力应变曲线的峰后段的刚体滑移和张裂状态

时，解析法便不再适宜了。另外，对工程实际中经常遇到的

多孔、非均质及各向异性等问题，现今解析方法几乎是无法

解决的，只能借助数值法来求解。

2.2图解分析法通过作图来分析结构面之间、结构面和

开挖临空面之间的空间组合关系，确定出在不同工程部位可

能形成块体的边界，进而分析其稳定性。常用的作图法有赤

平极射投影分析法、实体比例投影分析法和关键块