海底隧道圍巖穩(wěn)定性分析現(xiàn)狀及方法

申請免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

1隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素分析現(xiàn)狀

　　1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)地質(zhì)結(jié)構(gòu)是多因素的綜合影響，其中軟弱結(jié)構(gòu)面是影響隧道圍巖穩(wěn)定的一個重要因素，所謂軟弱結(jié)構(gòu)面是指相對發(fā)育軟弱的結(jié)構(gòu)面，即張開度較大，充填物較差，成組性好，規(guī)模較大，有利于滑移的優(yōu)勢方位的結(jié)構(gòu)面。由于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀不同，與洞軸線的組合關(guān)系不同，對隧道工程圍巖穩(wěn)定的影響程度亦不相同。這些結(jié)構(gòu)面是巖體中的薄弱部位，它們的力學(xué)強(qiáng)度較低因此，巖體軟弱結(jié)構(gòu)面分布狀況經(jīng)常是圍巖穩(wěn)定與否的控制性因素。

　　1.2地應(yīng)力水平圍巖地應(yīng)力因素對隧道工程圍巖穩(wěn)定性的影響是眾所周知的，特別是高初始應(yīng)力的存在。巖石強(qiáng)度與初始應(yīng)力之比（Rc/σmax）大于一定值時，可以認(rèn)為對洞室圍巖穩(wěn)定不起控制作用，當(dāng)這個比值小于一定值時，再加上洞室周邊應(yīng)力集中結(jié)果，對圍巖穩(wěn)定性或變形破壞的影響表現(xiàn)就顯著了。海底隧道由于其處于海底，圍巖前期固結(jié)壓力較大，巖體在海水壓力和自重應(yīng)力下已經(jīng)固結(jié)，海水壓力即使是淺海地區(qū)也有幾百千帕，對于海底軟巖或是含軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，巖石強(qiáng)度較低，Rc/σmax值較小，隧道拱底兩側(cè)會發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此外弱層內(nèi)部會出現(xiàn)較大面積的塑性區(qū)。

　　1.3地下水地下水的存在及活動使它在隧道周圍產(chǎn)生水利學(xué)的、力學(xué)的、物理和化學(xué)的作用幾乎總是不利于洞室的穩(wěn)定。這種不利的作用大致體現(xiàn)在三個方面：①由于洞室開挖，地下水有了新的排泄通道，因此在洞周會產(chǎn)生滲壓梯度。而且經(jīng)常是不對稱指向洞內(nèi)的附加體積力，增加了周圍巖石向洞內(nèi)的擠壓力；②潤滑作用。③軟化作用。

　　1.4 隧道圍巖穩(wěn)定性理論研究現(xiàn)狀①力學(xué)分析方法。從19世紀(jì)人類對松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論進(jìn)行研究開始到現(xiàn)在，圍巖壓力理論主要經(jīng)歷了古典壓力理論、散體壓力理論及現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的彈性力學(xué)理論、塑性力學(xué)理論。實際工程中，隧道開挖后由于卸荷作用使圍巖應(yīng)力進(jìn)行重分布，并出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果圍巖應(yīng)力處處小于其彈性極限強(qiáng)度，這時圍巖處于彈性狀態(tài)。反之圍巖將部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，但局部區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)并不意味著圍巖將發(fā)生坍落或失穩(wěn)。因而研究圍巖穩(wěn)定就不能不考慮塑性問題，芬納（Fenner）一塔勃（TalobreJ）和卡斯特奈（KasterH）等給出了圍巖的彈塑性應(yīng)力圖形。對于深埋隧道，因其埋深大，圍巖大都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的流變特性，而軟弱圍巖，其本身就具有明顯的流變特性。因此，流變理論逐漸被引用到圍巖穩(wěn)定性分析的研究中。朱素平[1]等提出了以對數(shù)函數(shù)描述巖石蠕變的粘彈性模型進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)分析。日本學(xué)者西原在巖石流變試驗資料的基礎(chǔ)上，建立了能反映巖石彈－粘彈－粘塑性特性的西原模型。②數(shù)值計算方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種數(shù)值計算方法越來越多地被應(yīng)用到圍巖穩(wěn)定性的分析中，如有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法等。有限元法是一種較早、較成熟的巖體數(shù)值分析方法，其有限元模型一般有彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、粘彈塑性等。

　　2圍巖穩(wěn)定性分析方法

　　2.1 解析分析法解析分析法是指通過對地質(zhì)原型的高度抽象，得出簡單的計算模型，借助數(shù)學(xué)力學(xué)工具來計算圍巖中的應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評價。但解析法分析圍巖應(yīng)力和變形目前多限于深埋地下工程，對于受地表邊界和地面荷載影響的淺埋隧道圍巖分析在數(shù)學(xué)處理上存在一定的困難。特別在巖體的應(yīng)力一應(yīng)變超過峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變，圍巖進(jìn)入全應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰后段的剛體滑移和張裂狀態(tài)時，解析法便不再適宜了。另外，對工程實際中經(jīng)常遇到的多孔、非均質(zhì)及各向異性等問題，現(xiàn)今解析方法幾乎是無法解決的，只能借助數(shù)值法來求解。

　　2.2 圖解分析法通過作圖來分析結(jié)構(gòu)面之間、結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面之間的空間組合關(guān)系，確定出在不同工程部位可能形成塊體的邊界，進(jìn)而分析其穩(wěn)定性。常用的作圖法有赤平極射投影分析法、實體比例投影分析法和關(guān)鍵塊體分析法。在應(yīng)用赤平極射投影和實體比例投影分析法進(jìn)行地下工程圍巖穩(wěn)定分析方面，中科院地質(zhì)所的王思敬院士、孫玉科教授、劉竹華教授和楊志法教授等進(jìn)行了系統(tǒng)的、開拓性的研究，取得了大量的成果，開發(fā)出相應(yīng)的計算分析軟件，出版了多部專著。

　　2.3 物理模擬法基于相似性原理和量綱分析原理，通過模型或模擬試驗的手段來研究圍巖中的應(yīng)力分布狀態(tài)以及穩(wěn)定性。常用的方法主要有相似材料法（也稱模型試驗）、離心試驗和。光測彈性法。尤其是相似材料法，能較好地模擬巖體的物理力學(xué)性能以及節(jié)理裂隙等構(gòu)造情況，考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的共同作用，應(yīng)用較為廣泛。

　　3結(jié)束語

　　對海底隧道的研究是一個發(fā)展的過程，其理論隨著現(xiàn)代試驗設(shè)備和試驗技術(shù)逐步發(fā)展日趨完善，此外，對海底隧道圍巖穩(wěn)定的分析要與具體工程相結(jié)合，通過工程實際來驗證，并根據(jù)實測結(jié)果對模擬和室內(nèi)試驗結(jié)果的修正是隧道研究的一個很重要的途徑。