小净距隧道围岩稳定性评价方法和指标研究

围岩稳定性评价一直是隧道工程理论研究和应用方面的基础性工作，是隧道工程研究中最受关注的问题之一，不少学者对此进行了较深入研究。对于公路隧道，最基础的评价就是《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中规定的，按隧道围岩基本质量指标（BQ）先进行分级，然后按表1.1对围岩自稳能力作出判断。对于铁路隧道，则《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005、J449-2005）中规定了隧道稳定性可根据隧道施工实测位移U和隧道极限位移Uo进行判别。当U≤Uo时，隧道稳定；当U＞Uo时，隧道不稳定。

表1.1 隧道各级围岩自稳能力判断

实际上隧道围岩稳定性评价方法和指标有很多，按涉及因素多少，可分为单因素评价和多因素评价两类；按评价方法，可分为定量评价和定性评价；按评价模型和所依托的理论，有以支护结构应力和强度关系评定围岩稳定性的应力体系理论、围岩松动圈理论、洞周位移判别准则以及地表位移准则等；从实现手段上，有数值计算、现场监控量测和理论计算等方法。目前，对于公路隧道围岩稳定性评价主要是依据规范分两阶段进行。第一阶段采用工程类比法，根据隧道所处的工程地质、水文地质、岩石物理力学参数及其他设计条件等，依据规范和工程经验对围岩作出质量评价，并据此进行隧道断面尺寸、开挖方法和支护方法等方面设计。第二阶段主要是在施工过程中，根据数值计算和现场监控量测结果的基础上，进行围岩稳定性评价，并对隧道支护参数和施工方法作修改和调整。

小净距隧道的后挖洞施工对先行洞围岩稳定性影响较大，其力学机理较独立隧道复杂，其稳定性评价方法和指标要综合考虑围岩级别、净距、埋深、开挖方案及支护方案等因素确定。然而，目前针对公路小净距隧道围岩稳定性评价方法和指标的研究较匮乏，通过查阅文献发现只有少量的利用单洞隧道围岩稳定性的评价方法和指标对小净距隧道围岩稳定性进行评价，因此本部分内容主要综述独立隧道的围岩稳定性评价指标和方法的研究和应用进展情况。

隧道围岩稳定性评价从其评价机理的角度可以分为两大类［54-56］，一是基于材料力学、弹塑性力学知识体系的强度理论，以围岩应力状态和强度关系评定围岩稳定性，即强度判据，二是通过围岩周边容许位移（变形）或地表沉降量来判断，即位移判据。强度判据的一般思路为通过数值计算和监控量测等手段，获取隧道开挖后围岩应力分布状况后，与围岩自身具有的围岩强度进行比较并评价围岩稳定性。比较经典的强度判据有Mohr-Cou-lomb强度准则、Griffith 强度理论、Drucker-Prager准则以及Hoek-Brown强度准则［57-60］。Mohr-Coulomb屈服准则假定作用在某一点的剪应力等于该点的抗剪强度时，该点发生破坏，剪切强度与作用在该面的正应力呈线性关系。一般认为该理论比较全面地反映了岩石的强度特性，既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切特性，但它不能反映中间主应力的影响。Griffith强度理论认为材料断裂的起因是分布于材料中的微小裂纹尖端有拉应力集中所致，材料的破坏机理是拉伸所致，该强度准则是针对玻璃等脆性材料提出来的，因而只适用于研究脆性岩石的破坏。Drucker-Prager准则（D-P准则）是在C-M准则和塑性力学中著名的Mises准则基础上的扩展和推广而得，计入了中间主应力的影响，又考虑了静水压力的作用，在国内外岩土力学与工程的数值计算分析中获得广泛的应用。Hoek-Brown强度准则将岩体破坏分为拉伸破坏和剪切破坏两种机制，综合考虑了岩块强度、结构面强度、岩体结构等多种因素的影响，能更好地反映岩体的非线性破坏特征。塑性区判据也是强度理论中研究和应用较多的一种围岩失稳准则，其一般思路为围岩产生塑性区并不代表围岩失稳，只有在围岩塑性区中塑性应变发展到一定程度时，才在围岩中形成潜在的破坏面并达到破坏状态，塑性区判据主要解决屈服范围达到什么程度时围岩开始失稳。徐文焕［61］认为计算得到的围岩塑性区大于0.2倍的开挖直径，则围岩不稳定。关宝树［6］认为，可将塑性区不超过隧道直径的20%作为评价围岩稳定性的一个大致标准。朱维申等［62］分析二滩地下厂房群稳定性时，提出用主厂房洞周围岩塑性区面积f1与主厂房截面积f0之比β作为围岩稳定性的一种判据。另外Hoek［63］给出了支护后围岩稳定性的判断标准，洞周的破坏带是否位于锚杆支护的边界之内，即围岩的塑性区如果被限制在锚杆支护范围内认为围岩是稳定的。安全系数和强度折减法也是近年来强度判据研究的热点之一，该方法将材料的主要强度特征值如c、φ除以K值，逐步升高K值并反复计算直到围岩失稳（即计算不能收敛）为止，K为安全系数。张黎明等［64］认为仅凭传统有限元分析得到的应力、位移、拉应力区和塑性区大小，很难确定隧道的安全度与破坏面，而利用有限元强度折减法来确定隧道的破坏面，可以得到隧道的整体强度储备安全系数。安全系数是基于隧道受剪破坏提出的，而隧道还可能出现受拉破坏，因此安全系数对于拉张破坏的稳定性判断有待深入研究。除上述围岩稳定性强度判据外，还有应力集中系数理论、块体理论以及岩体强度理论等，例如Hoek［63］认为在软弱岩体中，一旦岩体强度与原位应力相比降低20%，变形将大幅增长，除非这些变形得到控制，否则隧洞有可能塌方；徐干成等［65］认为应力集中系数能间接地反映围岩的稳定情况；Jing［66］认为在隧道围岩中存在不稳定块体，它的失稳会引起一系列块体失稳。

位移判据是从隧道出现的各种极限状态入手，找出在某种极限状态下各控制点的位移即所谓极限位移，进而判定围岩稳定性，通常可采用位移量，也可采用位移速率［67，68］。该方法认为不论隧道的作用机理如何复杂，其经受各种作用后的反应可以用周边位移体现出来，而通过周边位移观测可以了解隧道的力学动态，比较直观且易于实施，隧道的稳定性也应该从周边位移变化和发展得到体现。而以锚喷初期支护为主要技术背景的“新奥法”通过对围岩及支护结构变形进行监测，为位移作为围岩稳定性判据提供了可能。Sakurai［69］认为隧道的稳定评价应该根据隧道周围岩体的应变进行。朱永全［67］认为，围岩稳定性评价除依据比较u＞u0外，还应结合位移发展变化规律，并提出围岩和初期支护基本稳定的条件主要为：位移速率有明显减缓趋势，已产生的位移量已占总位移量的80%以上。文献［70］中给出了容许位移量的定义，即在保证地下洞室或隧道不产生有害松动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，隧道变形稳定后隧道侧壁间水平位移总量和拱顶沉降量的最大值。文献［71］给出了围岩安全基准的制定原则以及根据位移变化量或预测的最终位移值判断围岩稳定性的标准。实际上，围岩容许位移量与围岩地质条件、隧道（洞室）埋深、断面尺寸、开挖施工方式、支护方式与参数、地表建筑物以及围岩材料强度等因素有关。因此，不同国家对地下洞室的位移容许值有不同的经验标准［70，71］，且侧重点各有不同，例如法国制订的拱顶下沉量控制标准仅考虑了洞室的埋深和软硬岩两类情况；日本把浅埋隧道沉降监测定为A级，并且给出了不同埋深隧道的相应标准；德国根据隧道变形规律，对变形特征较为明显的不同部位给出了各自限定标准。

对小净距隧道围岩稳定性评价指标和方法而言，现有的研究较少且缺乏系统性。我国铁路和公路隧道规范中亦无小净距隧道洞周位移方面的监测限值。目前的研究工作取得了一点成果，文献［52］以中间岩柱塑性区不连通及衬砌受力不超过混凝土极限抗压强度作为稳定性评定依据。将小净距隧道中岩柱厚度和埋深范围内的岩体作为荷载作用在中岩柱上，根据极限平衡理论建立了小净距隧道中岩柱加锚支护后的极限强度，据此建立起小净距隧道中岩柱的稳定性判据［72］；李云鹏［54］等利用统计学方法对围岩为石灰岩和千枚岩的小净距隧道建立了容许变形控制方程，依据该方程对围岩为石灰岩和千枚岩的小净距隧道工程的稳定安全性进行了分析；刘胜利［73］等对复杂地质条件下小净距双线城市交通隧道的围岩稳定特征进行了分析，并对现有小线间距条件下厦门莲黄隧道围岩及结构的稳定性进行了评估。

由上可知，对分离式独立隧道和小净距隧道而言，其围岩稳定性评价标准和方法的研究成果是有待完善的。围岩地应力与岩体力学参数在空间逐点变化还没有合适的理论计算方法，围岩破坏准则也没有公认统一的理论方法，围岩稳定性的力学机理目前还不甚清楚。虽然在工程中以允许相对位移值或允许收敛速率形式给出的围岩失稳判据，在绝大部分都取得了成功，但有悖于上述标准的现象时常出现。软弱围岩变形值超出规范允许值数倍时仍未发生失稳，在浅埋隧道中变形尚未达到允许值却发生了坍塌，说明仅用位移来表征稳定性是不全面和缺乏针对性的。因此可以说，隧道围岩稳定性判据的理论研究方面目前还处于众说纷纭阶段，失稳判据始终没有得到很好的解决。