浅析高速公路围岩稳定性

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摘要：围岩稳定性对高速公路隧道的安全施工、合理运营有着至关重要的作用，因此分析围岩的变形破坏机制和影响围岩稳定性的因素，采取有效措施提高围岩稳定性，对于高速公路隧道的施工和运营有着重要的指导意义。

关键词：高速公路隧道围岩分级破坏机理 稳定性

中图分类号： U412 文献标识码： A

引言

岩体在地质运动的变形与破坏作用下，发展为一种结构复杂的地质体。在高速公路隧道施工的过程中，由于天然岩体应力平衡状态的破坏，隧道周围岩体将出现荷载回弹和应力重分布的现象，当这种回弹应力和应力重分布超过围岩所能承受的强度范围时，将引起工程岩体的失稳、破坏，给工程施工和运营带来极大危害。

在高速公路隧道各个阶段的设计和建设中，正确、及时地对隧道围岩质量和稳定性做出评价，是经济合理安全地进行围岩支护、加固、设计、施工和运营必不可少的条件。综合全面地评价出高速公路隧道围岩的稳定性，可以为隧道的顺利施工以及围岩的合理支护提供参考依据[1,2]。

1、概述

符合实际情况的高速公路隧道围岩稳定性评价，是确定隧道设计和施工方案的重要参考依据，也是准确预报工程地质条件的指南，对确保高速公路隧道的安全施工和合理运营有着重大的理论指导意义和现实参考意义。

2、高速公路隧道围岩稳定性研究机理

高速公路隧道的埋深浅、跨度大，围岩一般处于松动的卸荷带，构造应力的释放较充分，属于低应力区。隧道的断面形状常设计为圆拱直墙式，开挖后围岩应力不均匀分布明显，岩体结构面对围岩稳定性的影响较大，侧壁和洞顶结构面的应力集中常引起围岩的变形破坏。此外，设计车速快、流量大、动荷载影响强烈，使得高速公路隧道对围岩的受力情况有着很高的要求，变形控制严格。

围岩稳定性，是指隧道在开挖后无支护条件下的围岩自稳能力。主要体现在围岩的破坏和变形两个方面。从大量工程实践中可以看出，高速公路隧道的围岩稳定性不仅与地质构造、地下水、岩体结构、岩石特性等地质因素有关，还与隧道开挖方案和支护的时间与形式息息相关。在这些影响因素中起决定性作用的是地质因素。

3、高速公路隧道围岩变形破坏机制

高速公路隧道开挖后，低强度围岩因难以适应荷载回弹和应力重新分布发生塑性破坏，多从隧道洞室岩体中的应力集中度高、结构面强度低，尤其是最大主地应力和洞室周边垂直部位即最薄弱部位开始破坏，而逐步向岩体内部的应力―强度次薄弱部位进行发展。如此循环作用，最终在隧道洞室周围形成松动区域。围岩因松动圈的应力释放作用引起应力重新调整，在围岩表面形成低应力区，集中的高应力向围岩内部转移，在围岩内形成一定的应力分带。新形成的表部应力降低区，使水分从围岩内部高应力区向围岩表部低应力区转移，使表部围岩的稳定性遭到恶化，表部易吸水膨胀岩层将发生膨胀变形，积累出很大的岩体压力。

依据岩体力学和工程地质的相关理论，通过分析隧道围岩变形、破坏的主导因素和作用力，可将隧道围岩的变形破坏机制归纳为四种类型[3]:

（1）结构面控制型。岩石强度超过围岩所能承受的应力时，围岩的变形破坏主要受软弱结构面的控制，在重力作用下岩块通常沿着软弱结构面塌滑破坏，但一般不会发生塑性流动变形或者脆性破裂。结构面控制型围岩的变形破坏，在层状和块状的硬质岩体中，主要表现为不稳定块体的直接塌落和滑移；在碎裂和散体结构岩体中，变形破坏的主要方式是松弛、松脱。

（2）强度―应力控制型。围岩整体性较好，但岩石强度低于围岩应力时，不仅会发生脆性围岩弯折内鼓，还发生塑性围岩的挤出。此种围岩的变形破坏主要取决于岩石的抗弯、抗剪强度。例如，对于隧道拱顶的厚层和块体状脆性围岩，若顶部的拉应力集中超过围岩的抗拉强度,在裂隙特别是垂直裂隙发育区，即使出现很小的拉应力也将使岩体产生张拉性裂隙。岩体被垂直裂隙切割后在自重作用下很不稳定，易形成塌落。此外，塑性岩体的流动变形和脆性岩体的剥落岩爆也是此种变形破坏的典型。

（3）混合类型。当围岩结构面发育，围岩应力高于岩石强度，围岩稳定性不仅受结构面控制，还受地应力和岩体强度制约。围岩的变形破坏除发生松弛、塌落，还又可能出现塑性流动、剪切、挤出或溃屈破坏。在薄层状、碎裂状的岩体中，隧道内常发生拱底的上鼓和侧墙的内挤。

（4）特殊类型:围岩的变形破坏既不受软弱面的控制，也不受应力强度的影响,而是由于隧道的开挖，形成的围岩表部应力降低区引起岩体水分由围岩内部的高应力地区向围岩表部的低应力地区转移。围岩表部易吸水膨胀的岩层在围岩内部的水分重分布作用下发生强烈的内鼓变形，积累高应力。

围岩的稳定性等级根据高速公路隧道围岩变形破坏机制的特征，综合时间因素影响，一般被划分为五个等级[4,5]:

（1）稳定。稳定围岩只发生弹性变形，无塑性变形和破坏，隧道开挖后不需要支护可长期保持自稳。

（2）基本稳定。除弹性变形外，围岩还有局部块体出现破坏，局部块体破坏后不影响其他部位的稳定性，其他部位无需支护可长期维持自稳。

（3）稳定性差。只可短期自稳，不能长期自稳，可发生脆性破坏，但一次性破坏的规模不大。

（4）不稳定。只能在几小时或几天内维持不塌方，但变形一直持续发展，破坏形式可以从局部发展到整体，从小规模到大规模。

（5）很不稳定。若不支护便无自稳能力，因此必须超前支护、及时支护、预加固，才能保证施工的安全，如果发生塌方，规模往往很大。

4、高速公路隧道围岩稳定性影响因素

隧道围岩稳定性受多种因素的综合影响，其中包括：岩石的物理特性、力学性质、岩体结构构造、地下水含量、受地质构造影响的程度、岩体的天然自应力状态、联拱隧道的几何尺寸、岩体所受的动静力荷载和施工方案的选择。

针对高速公路隧道围岩岩体稳定性的影响因素，可概括归纳为三种类型：

（1）地质因素。包括岩石物理力学性质、岩体结构与构造等。。

（2）工程因素。包括隧道断面的形状、大小、高跨比等。

（3）施工因素。包括隧道的施工方法、支护时间和方式等。

其中，地质因素是影响围岩稳定性的最主要因素。

5、结论与展望

围岩稳定性评价是与高速公路隧道建设密切相关的重要研究内容。在高速公路隧道设计和施工的各个阶段，准确、及时、合理地对隧道围岩岩体的质量和稳定性做出评价，预测和预报隧道在施工过程可能发生破坏的危险区域，是选择隧道具体开挖方案、围岩支护、喷锚加固类型、安全施工以及顺利运营所必不可少的决策性条件。因此，做好高速公路隧道围岩稳定性分析具有重要的理论指导和现实参考意义

参考文献

【1】范立础，《桥梁工程》(下册).人民交通出版社，2002年；

【2】蔡美峰，岩石力学与工程[M].北京:科学出版社，2002年；

【3】关宝树，隧道工程设计要点集[M].北京:人民交通出版社，2003年；

【4】杜时贵，周庆良，公路隧道围岩定量分类系统研究设想和建议[J].西安公路交通大学学报，1999年；

【5】胡夏高，低地应力区地下洞室围岩稳定性研究[D].长安大学博士研究生学位论文，2002年；