2009年第5期东北水利水电地下洞室围岩稳定判定分析任建川，陈旭，姜淑香［摘要］地下洞室稳定性问题是一个复杂的非线性力学问题，通常伴随着变形非均匀性、非连续性和大位移等特点，影响洞室稳定的因素众多，关系错综复杂，找出一个普遍适用的定量失稳判定是困难的,目前大多数判定是以周边允许收敛量和允许收敛速率的形式给出的,以此判定围岩是否稳定。
［关键词］地下洞室；围岩稳定；判定分析［中图分类号］TV554［文献标识码］A［文章编号］1002－0624（2009）05－0005－02（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东118220）1影响洞室围岩稳定性的主要因素1.1地质因素（1）岩体的结构特征。
从稳定性分类角度来看，岩体结构特征可简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。
实践证明，围岩的破碎程度对地下洞室稳定与否起主导作用，在相同岩性条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。
松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。
一定程度上岩体越破碎则洞室越不稳定，越容易坍塌。
（2）结构面性质与空间组合。
在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。
对地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面一般不会影响洞室的稳定性。
只有结构面与洞室轴线关系不利时，或出现两组或两组以上的结构面时，才构成易坠落的分离岩块。
分离岩块的塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互连锁作用有关。
因此在围岩分类中，可从结构面的成因及其发展史、结构面的平整及光滑程度、结构面的物质组成及其充填物质情况、结构面的规模与方向、结构面的密度与组数五方面来研究结构面对洞室围岩稳定性影响的大小。
（3）岩石的力学性质。
在整体结构的岩体中，影响围岩稳定性的主要因素是岩石力学性质，尤其是岩石强度，一般来说，岩石强度越高洞室越稳定。
此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性破坏，易引起岩爆现象。
而强度低的软岩，多以塑性变形为主，流变现象明显。
（4）初始应力状态。
初始应力会影响洞室开挖后稳定性。
地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成的，而应力重分布是否达到危险程度与初始应力场方向、量值有关。
（5）地下水的影响。
地下水对围岩稳定性的影响主要表现为使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低，增加动、静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。
调查资料表明，地下水对不同类别隧道稳定性影响程度存在明显差异，地下水对硬岩组成的围岩隧道稳定性影响甚微，可忽略不计，而对于弱岩，地下水影响较大。
（6）特殊地质条件。
当地下工程穿越断层破碎带、强风化带、发育的岩溶区等特殊地质条件时，维护围岩的稳定往往较困难，因为构造破碎带往往包含断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断裂构造岩。
这时岩层松软破碎，而临近地带的岩层节理裂隙也比较密集，地下水往往较活动，再加上地应力较大，则会出现强烈的地压现象。
1.2工程活动造成的人为因素洞室施工是造成围岩丧失稳定的一个最主要的因素。
开挖洞室所采用的施工方法、洞室断面尺寸和形状、施工质量、支护形式及实施过程都会对围岩的稳定产生影响。
（1）洞室的尺寸和形状。
跨度大小对围岩的稳定性也有显著影响，实践证明，跨度越大则洞室的稳定性越差，跨度大小对隧道工程稳定性的影响可从三方面考虑：应规划设计·5·东北水利水电2009年第5期力分布、围岩及支护构件强度、施工顺序。
洞室形状不同，在同一围岩中，拱形洞室围岩较稳定，洞室形状主要影响开挖后的围岩应力状态；圆形或椭圆形隧道围岩应力状态以压应力为主，对维持围岩稳定性较好；而矩形或梯形洞室，顶板围岩将出现较大拉应力，可导致岩体张裂破坏趋势。
（2）开挖方法。
从目前的技术水平看，开挖方法对围岩稳定性影响也较为明显，施工方法和开挖工序与洞室所处围岩或地质情况是否适应很大程度上决定了工程的成败，如同一岩体中采用普通爆破法开挖与用控制爆破法开挖相比，后者围岩扰动小。
2围岩失稳判定分析2.1围岩强度判定岩体在某截面上的承载能力主要取决于岩体本身的性质，如这个截面承受的应力或应变超过自身承载能力的极限，围岩体在这个截面上必然发生破坏。
支护的作用是改变应力场和位移场的分布，使围岩体各截面的荷载比较均匀，并提供承载能力较强的高强度抗力点，使各截面的承载能力可充分发挥。
围岩强度判定的理论基础是强度破坏理论，如D-P 准则或摩尔一库仑准则等。
即在低约束压力的条件下，岩体内某斜截面的剪应力值超过破坏理论规定的滑动限界范围时，岩体就发生剪切屈服破坏。
由于整个洞室断面的地质条件分布不均匀，围岩的强度指标难以确定，并且各点的应力状态也不一样，所以，破坏理论规定的滑动限界范围很难确定。
大量的试验证明，岩体失稳都发生在峰值强度之后应变弱化段的某一区间。
因此，即使超过峰值强度，岩体也不一定失稳;而有时岩体所受的应力未超过岩体强度，当满足一定的条件时也会失稳。
2.2容许极限位移量判定容许极限位移量是指保证洞室不产生有害松动的条件下，自洞室开挖起到变形稳定为止，在起拱线位置的洞室壁面间水平位移总量的最大容许值，也有用拱顶的最大容许下沉量表示的。
在洞室开挖的过程中，若发现量测到的位移总量超过容许极限值，或者根据已测位移加以预测的围岩稳定时的位移将超过极限值，则意味着围岩位移超限，支护系统必须加强，否则有失稳危险。
容许极限位移量的确定并不是一件容易事情，是洞室所处地质条件、洞室埋深、断面形状尺寸及初期支护形状等多种因素决定的，实际应用中，应根据工程实际经验和工程施工进展情况使用。
对高地应力和完整的硬岩，失稳时的围岩变形量往往较小，而对于软弱围岩和膨胀性围岩，数据往往较大，目前围岩极限位移量一般通过理论分析、数值计算、现场量测和室内试验来确定。
2.3容许位移速率和加速度判定容许位移速率是指在保证围岩不产生有害松动的条件下，洞室壁面间水平位移速度的最大容许值。
同样与洞室围岩、洞室埋深及断面尺寸和施工方法等因素有关，容许位移速率无统一的标准，一般根据经验选定。
如国外某些工程对容许速率的规定是第一天的位移量不能超过容许位移量的1/5～1/4，第一周内平均每天的位移量应小于容许位移量的1/2。
日本洞室标准规范着重强调了在开挖后的支护初期通过围岩变形量测判断围岩稳定性的必要性，规定采用短台阶时，不论复线还是单线洞室，当最大位移速率大于20mm/d，表明围岩处于失稳状态，必须采用特殊模式支护。
西坪洞室和金竹林洞室的塌方监控表明，位移速率大于10mm/d时，往往出现喷层局部严重开裂，有时裂缝宽度达1～2.5mm。
因此位移速率10mm/d 可作为失稳的初步预报值。
在围岩变形的全过程中，在围岩不失稳的情况下，只有在开挖工作面通过量测断面前与通过后的极短时间内变形是加速的；另外在已掘进的地段,量测断面附近再次受到施工扰动时,也会出现短时间的加速，但只要扰动停止,变形就变为减速，以上两种情况下的加速属于正常加速,其它情况属于异常加速,异常加速是围岩失稳的征兆,如果异常加速连续发展，表明围岩与支护体系处于失稳的征兆已经明显,需采用紧急处理措施。
量测资料表明，将变形速率0.27～0.3mm/h作为由稳定进入临危状态的值是可行的，在塌方时刻，变形速率一般为0.5～2mm/h，这时补救措施已经来不及了，因围岩已经开始塌方。
围岩发生位移速率在0.8～1.5mm/h 时，一般在3～15min后发生塌方，因此将前者作为岩体失稳位移判据,表明这对岩体已经进入失稳状态，需要采取必要的措施。
将0.5～2mm/h作为正式的围岩失稳判据，预防塌方的措施必须在这以前进行，实践证明，进入临危状态后采取措施能够阻止围岩的加速移动。
2.4收敛比判定根据施工过程现场量测，可以得到围岩向洞内的收敛位移，洞室内收敛位移和洞室开挖宽度之比为洞室“收敛比”。
利用“收敛比”这一参数，能够较全面地反映围岩应变形态和锚喷支护效果，且又易于测定，一般洞室收敛比大于2%后，洞室已趋于稳定。
对于流变性的洞室，洞室围岩变形是动态变化的，因此应变或位移变化速度便成了人们关心的问题。
人们需要知道洞室围岩稳定时的最终收敛位移，也需要知道给定时间内的收敛位移即收敛率δ(mm/d)，从而决定支护作业的时间。
一般认为:收敛率δ∝0，位移呈减速收敛趋势，最终趋于稳定；收敛率δ=常数，而位移收敛比不大于2%，需要做支护；收敛率δ>0，位移呈加速收敛趋势，这种情况（下转第21页）规划设计·6·2009年第5期东北水利水电（上接第6页）[收稿日期]2008-12-12[作者简介]任建川（1970-），男，工程师，现主要从事水电工程施工与管理工作。
只允许开挖面通过此处时短暂出现，否则开挖面通过时，围岩将急速失稳。
2.5力学判定一般说来，洞室开挖后，如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的作用，围岩将发生塑性变形或破坏。
这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那些最大压力或拉应力集中的部位开始，而后逐渐向围岩内部发展的，其结果可在洞室周围形成松动带或松动圈。
围岩内的应力状态也因松动圈内的应力被释结果就在围岩内形成一定的应力分布带，相应地在围岩内一定范围内形成不同的应变分布带，通过分析围岩塑性区、拉应力区的大小及塑性应变量值大小也可判断围岩的失稳。
综合以上分析，洞室的失稳问题属于自然科学中地学与力学交叉的一种应用技术问题。
洞室的失稳分析既是一个具体的工程技术问题，又是纷繁多变、难以定量描述、多层次的子系统组成的一个复杂的巨系统，这决定了它只能是多学科理论方法、专家经验、监控量测信息与计算机技术三者综合集成的科学。
要对它有比较全面、深入的认识，就必须依照实际情况，从专业的思维定势中解脱出来，用系统的方法加以研究。
因此参考既有洞室稳定性判据的实践经验，结合实际工程中各量测值随时间变化的规律，可将其应用地下洞室稳定性的判断。
3失稳判定的评价3.1根据观测情况，判断围岩是否稳定在围岩发生大的工程事故之前，支护结构一般都会出现明显的征兆，如喷射混凝土开裂，裂缝不断扩大，钢支撑发生扭曲或折叠变形，或者是锚杆缩进喷射混凝土内部等，都表明围岩的变形压力或松散压力很大，洞周出现了大变形，洞室处于不稳定状态。
3.2根据监测数据进行判断监测的数据一般都能很好地反映围岩的稳定状况。
如果量测所得到的值每天都在变化，不管其值是变大或变小，都说明测点位置的围岩还没有稳定下来，围岩内部应力处于重组状态。
在对监测数据的整理分析中可以看出，监测值随时间的变化大致有3种情况：（1）监测值不大，并很快趋于稳定，这种情况一般出现在地质条件好、支护参数设计较保守、施工质量能够得到保证的前提下；（2）监测值不大，一段时间之后，值趋于稳定，稳定一段时间后，值又开始加速变化，最终趋于稳定，这种情况出现在地质条件比较好、设计合理、施工质量有一定保障的情况下；（3）监测值变化的前半部分和情况二类似，只是出现第二次加速变化持续的时间更长，并且没有停止的趋势，监测值达到较高的水平，这种情况出现在地质条件较差，支护参数设计也还合理，可能由于施工质量太差或方法不当，或地质情况不均匀等因素造成量测值最终不收敛，有可能最终导致支护结构失稳破坏。