大学毕业论文隧道稳定性评价

9.2.1 围岩松动圈厚度的确定

围岩变形松动圈厚度是围岩变形及稳定状态的具体反映，是锚喷支护中锚杆长度设计的关键因素。可通过围岩深部位移监测计算内表比或围岩声波测试来研究。在二郎山隧道工程实践中，中国铁道科学院西南分院进行了隧道典型断面的围岩深部位移监测及声波测试研究工作。这里结合围岩深部位移监测成果，对围岩松动圈厚度进行研究。

内表比是指巷道围岩内部变形量与表面变形量之比，用λ表示，即

λr=ur/u0 (9-4)

式中：λr——距巷道表面r处围岩变形内表比；

ur——距巷道表面r处岩体径向位移；

u0——巷道围岩表面位移。

内表比是一个大于零、小于1的无量纲值。巷道围岩受岩性、地应力、采动应力等因素的影响，其内表比大小各不相同。内表比大，表示围岩内某一点变形与表面变形差别小，该点变形与表面变形较协调；内表比小，则与之相反，表示某一点变形与表面变形不协调。据杨新安、黄宏伟(1998)实测围岩变形随径向深度的变化，有如下规律：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

式中：u(r)——实测围岩变形，系随径向深度变化的函数；

r——距巷道表面深度；A、B为系数。

图9-7 主洞K261+880处不同径向深度变形内表比随时间变化曲线

Fig.9-7 Radio of internal to external deformation changing curve with time in different radial depth at K261+880 of the tunnel

围岩表面变形是其内在性态变化的反映，围岩内部变形与其表面变形之间存在必然联系。利用围岩变形内表比函数可以分析围岩内部变形规律和围岩内部变形状态。图9-7为一TMS测点不同深度内表比随时间变化的实测曲线。可见，围岩内不同深度处围岩变形规律是不同的。

以1m径向深度的变形内表比为例，其变化过程可划分为四个阶段：①初期支护前阶段——围岩变形内表比较大，变形较协调；②初期支护阶段——受初期支护的影响，围岩变形内表比降低，初期支护限制了围岩表面和内部的变形速率，且其影响程度不一致；③初期支护后变形调整阶段——初期支护后围岩内表变形向一致方面调整，持续时间比第一阶段长(4d左右)，速率变缓；④趋于稳定阶段——在变形内表比达到最大值后，又逐渐减小，最后趋于恒定，围岩变形趋于稳定。

综合分析二郎山隧道多点位移的量测成果，各断面不同深度的内表比如表9-2所示。围岩变形内表比随径向深度的变化如图9-8、9-9所示，且具有如下变化规律：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

表9-2 主洞不同断面的实测内表比Tab.9-2 Measured radio of internal to external deformation in different sections of the main tunnel

图9-8 岩爆段围岩变形内表比曲线

Fig.9-8 Curve of ratio of internal to external deformation of the surrounding rocks in rockburst segment

图9-9 断层及影响带围岩变形内表比曲线

Fig.9-9 Curve of ratio of internal to external deformation of the surrounding rocks in the fracture zone

由此看出，除K261+295中F5断层带北边墙外，深度2.1～2.5m处的内表比均小于0.1；围岩变形内表比随径向深度呈陡降趋势至2m左右，到3m左右已趋于零。这表明离壁面2～3m处的围岩已处于稳定状态。所以围岩松动圈的厚度为2.5m左右。同时也可看出，岩爆段围岩变形内表比比较大，内、外变形较协调；断层及其影响带围岩变形内表比比较小，内外变形差异较大。这反映了硬、软岩的不同变形特征。

9.2.2 隧道大变形问题

交通部第一公路勘测设计院在二郎山公路隧道设计报告中提出了高地应力区软岩大变形分级方案(表9-3)及围岩大变形区段(表9-4)。预测的隧道主洞大变形地带长度为505m，约占隧道全长的12%。

表9-3 高地应力区软岩大变形分级方案Tab.9-3 Classification of large deformation in soft rock masses under high geostress

(据交通部第一公路勘测设计院)

表9-4 勘察设计阶段隧道围岩大变形区段Tab.9-4 Determined sections of large deformation of the surrounding rocks at the survey and design stage

(据交通部第一公路勘测设计院)

实际的施工地质信息(表9-5)表明，原预测大变形段的岩石单轴抗压强度为37.62～86.9MPa，并非软岩类岩石，结合地应力现场量测结果及室内Kaiser效应成果分析，这些地段缺少发生大变形所需的高地应力条件。

表9-5 二郎山公路隧道主洞原设计大变形硐段与开挖实际情况对比Tab.9-5 Comparison of actual situation with the designed large deformation sections in the main tunnel of Erlangshan highway tunnel

实际上，原设计中预测的K260+514～+554二级大变形段、K261+751～+993一级大变形段围岩不仅没有发生大变形现象，部分地段反而出现了岩爆现象。常规量测、TMS监测也表明，这些地段的围岩变形较小。如周边收敛实测累积位移为0.5～12.0mm，回归最大值也只有49.02mm；拱顶下沉实测累计位移介于5.5～13.25mm之间，回归最大值为20.23mm。由周边收敛和拱顶下沉得到的最大相对变形较小，基本上在0.06‰～5‰范围内，没有超过有关规范允许的相对变形，更没有达到原预测的大变形范围。

因此，可以认为，二郎山隧道原设计的大变形段，并不会有大变形现象发生。课题组及时向有关部门提供了信息，优化了施工、支护设计，并节省了资金。

9.2.3 位移监测信息在围岩稳定性判别中的应用

9.2.3.1 围岩稳定性位移判据研究现状

9.2.3.1.1 容许或极限位移量的确定

容许位移量是指保证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，自隧道开挖起到变形稳定为止，在起拱线位置的隧道壁面间水平位移总量的最大容许值，或拱顶的最大容许下沉量。在隧道开挖过程中，若发现量测到的位移总量超过极限值，或者根据已测位移预计最终位移将超过极限值，则意味着围岩不稳定，支护系统必须加强。以围岩位移为判据的隧道围岩稳定性分析的关键和难点是围岩容许或极限位移量的确定。目前，极限位移量的确定国内外尚无统一的标准。法国M.Louis提出最大容许位移随埋深而异，约为埋深的1‰。奥地利的阿尔贝格隧道，净空变化的允许值定为隧道半径的10%或锚杆长度的10%，最好控制在30mm以内。日本《新奥法设计施工技术指南草案》提出按围岩类别的允许净空收敛值确定。前苏联学者通过对大量观测数据的整理，得出了用于计算硐室周边容许最大变形值的近似公式：

拱顶：δ1=12· (mm)边墙：δ2=4.5· (mm)

式中：f——普氏系数；

b0——硐室跨度；

H——边墙自拱脚至底板的高度(m)；

δ2值一般从拱脚起算(1/3～1/2)H段内测定。

我国在参照国外有关资料，并对国内一些工程的实测数据进行统计分析的基础上，制定了《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86—85)，提出了净空允许收敛值(表9-6)，该标准考虑了埋深和围岩类别两项因素。

表9-6 洞周容许相对收敛量(%)(GBJ86—85)Tab.9-6 The permissible relative convergence of tunnel walls(GBJ86-85)

注：1.洞周相对收敛量系指实测收敛量与两测点间距离之比；2.脆性岩体中的隧洞允许相对收敛量取表中较小值，塑性岩体中的隧道则取表中较大值；3.表中围岩类别Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别与公路隧道围岩类别Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ相当。

事实上，容许位移量的确定并不是一件容易的事，它是隧道所处地质条件、隧道埋深、断面形状尺寸及初期支护性状和施工条件等不能满足某项功能的临界状态的具体体现，需根据工程具体情况结合前人的经验，再根据工程施工进展情况探索改进。特别是对高地应力区完整的硬岩，失稳时围岩变形往往较小，应特别注意。目前围岩极限位移量一般通过理论分析、数值计算、现场实测预测和室内试验来确定。

9.2.3.1.2 容许位移速率和加速度

容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松动的条件下，隧道壁面间水平位移速度的最大容许值。它同样与岩体条件、隧道埋深及断面尺寸等因素有关，容许位移速率目前也无统一的规定，一般都根据经验选定。例如，美国某些工程对容许位移速率的规定为：第一天的位移量不超过容许位移量的1/5～1/4(约2.54～3.18mm)，第一周内平均每天的位移量应小于容许位移量的1/2(约0.63mm)。我国的南岭隧道、大瑶山隧道、下坑隧道、金川矿区运输平巷等的稳定变形速率为0.1mm/d；引滦入津输水隧洞在开挖后一个月内的稳定变形速率大于10mm/30d。此外，一般还规定，在开挖面通过测试断面前后的一两天内容许出现位移加速，其他时间都应减速。

图9-10 岩体流变曲线

Ⅰ—基本稳定区(steady area)；Ⅱ—过渡区(transitional area)；Ⅲ—破坏区(failure area)

Fig.9-10 Curve of rock mass rheology

根据岩体的流变特性，分析现场量测到的位移-时间曲线形态，可将岩体破坏前的变形曲线划分成三个区段(图9-10)。

基本稳定区：主要标志是变形速度不断下降，即变形加速度小于0；

过渡区：变形速度长时间保持不变，即变形加速度等于0；

破坏区：变形速率渐增，即变形加速度大于0。

9.2.3.1.3 收敛比判据

收敛比为硐室内收敛位移和硐室开挖宽度之比。“收敛比”这一参数，可较全面地反映围岩应变性态和锚喷支护效果。

9.2.3.2 二郎山隧道围岩稳定性评价的收敛位移和收敛比判据

综合分析隧道周边收敛位移和收敛比资料，可以看出，二郎山隧道不同围岩类别的最大收敛位移(u)、收敛比(du)的稳定性判据为：①Ⅴ类围岩，u=0.62～16.2mm，du=0.06‰～1.62‰；②Ⅳ类围岩，u=0.95～22.12mm，du=0.10‰～2.21‰；③Ⅲ类围岩，u=6.10～25mm，du=0.61‰～2.5‰；④Ⅱ类围岩，u=8.01～155mm，du=0.8‰～15.5‰。

显然，二郎山隧道收敛位移、收敛比稳定性判据同规范规定的一般性判据(表9-6)相比要小得多。

评价隧道结构的安全性及稳定性需要考虑多个因素，包括地质条件、隧道设计、建造质量等。以下是一些可能的评价指标：1. 地质条件：隧道所处地质环境的稳定性和可靠性，包括地层结构、地质构造、岩性、水文地质等因素。2. 隧道设计：隧道的设计是否符合规范和标准，是否考虑了地质条件、交通流量、紧急疏散等因素。3. 建造质量：隧道的建造质量是否符合规范和标准，是否采用了合适的施工方法和技术，是否进行了充分的质量控制和监测。4. 维护管理：隧道的维护管理是否得当，是否进行了定期检查和维修，是否采取了适当的安全措施和应急预案。评价隧道结构的安全性和稳定性需要综合考虑以上因素，并进行定量分析和评估。通常可以采用数值模拟、现场监测、实验室测试等方法进行评价。