文云波

摘 要：随着科学技术的高速发展，人们对隧道围岩稳定性研究的方法呈现出各种各样。文章通过资料的查阅，总结了隧道围岩稳定性研究的发展历史及现状，在前人研究的基础上分析了其以后的发展趋势。

关键词：公路隧道；围岩稳定性；理论研究；数值模拟；模型试验

1 概述

近几年随着我国加大了对基础设施建设的力度，我国的隧道也随之不断发展，其规模越来越大，样式越来越多，据统计，截至2015年底，我国大陆运营公路隧道14006座，总长12684km，每年其数量都在以16%的速度增长，这其中包含了各种地质、环境等差的隧道。为了解决隧道施工及运行的安全，因此，大量的从事隧道相关的科研人员对其稳定进行了大量的研究。本文对他们的研究总结及其阐述，并在前人研究的基础上分析了未来隧道围岩稳定性研究的发展趋势。

2 围岩稳定性研究现状

2.1 理论研究现状

围岩压力理论从19世纪的古典压力理论，后來的散体压力理论，到现在的弹性力学理论及塑性力学理论，人们无不时时刻刻在对围岩压力理论进行研究。在国外，芬纳（Fenner）-塔罗勃根据压力理论总结出了围岩的弹塑性应力图形，日本研究人员Kawamoto采用美国学者Krajcinova提出的损伤力学知识对节理岩体的力学性质进行研究。在国内孙钧通过对围岩-支护系统受力机理的理论研究，其提出了西原模型在隧道围岩-支护系统中的有限元解朱合华[1]提出了广义虚拟支撑力法，其采用位移释放系数来反映掘进面对围岩的空间约束程。大量理论研究表明隧道开挖后会使围岩原始应力发生改变，并在开挖面附近出现应力集中现象。

2.2 数值模拟现状

进入21世纪以来，由于计算机技术得到迅猛发展，其计算能力得到不断提高，能够方便快速的解决问题，因此越来越多科研人员采用数值模拟来解决围岩稳定性问题。现有的数值模拟大致分为4种，其包括有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法。

有限元法是发展的非常早的数值分析方法，发展到现在其十分成熟，并包含了几十种岩体的本构模型。边界元法是在有限差分法、有限元法发展了很多年后提出了的，其不占用计算机大量内存、能够快速得到围岩稳定性计算结果，在对无限域和半无限域的围岩稳定性研究中被广泛采用，同济大学的朱合华对边界元法在隧道等岩土工程中的应用进行了大量研究。离散元法具有不受节理岩体相对微小位移的限制这一特点，其被用来计算具有不连续变形性质的节理岩层，得到围岩坍落力学效应。

2.3 模型试验现状

理论分析和数值研究采用的参数和假定的条件与实际工程状况存在一定偏差，因此导致计算出来的结果与实际情况不一样。国内外很多学者针对这些不足提出了模型试验研究这一方法。他们得到了很多跟实际工程相似的结论，S.C.Bandi对圆形洞室开挖进行了模拟试验，其发现在高地应力条件下围岩的各向异性性质十分明显，岩体构造控制着其应力和变形。中科院武汉岩土力学研究所的陈卫忠对节理围岩变形特性和锚固效应进行了模型试验研究，他得到了在不同初始地应力场条件下，开挖过程中围岩力应力的变化规律。大连理工大学朱玮[2]通过对裂碎围岩进行模型试验，其得到了该围岩存力学模型，为其的稳定性研究提供了基础。西南交通大学王明年利用平面应力模型对三车道的公路隧道进行了研究。但此试验是在卧式试验坑内进行的，只限于平面问题，无法反映岩体的自重效应。蒋树屏[3]通过公路隧道结构与围岩综合实验系统对公路隧道进行相似模型实验，其发现可以用S型函数拟合大跨度扁坦隧道围岩位移的时变响应，开挖方法和施工过程等因素决定位移释放系数，不采用支护的隧道围岩应力场与开挖断面形状有关。李英杰通过模型试验对软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏进行研究，其表明在逐渐加载过程中隧道拱腰处形成v楔形体，其范围逐渐扩大到拱顶，深埋隧道围岩受力可分为三个区域，其从开挖轮廓线向外依次是松动区、压力拱拱体、原岩应力区。

3 围岩稳定性研究展望

虽然近年来在岩体的本构关系、边界条件、应力条件等方面取得了重大进步，但在隧道围岩的非线性的本构关系，多样的边界条件以及不同应力条件多变性等方面，我们需要更深入的研究，用更好的研究方式与方法来研究围岩的稳定性，使得其结果跟接近实际工程情况。

总所周知隧道围岩具有非连续性和多变性等特点，及数值模拟方法的局限性，我们很难用一种数值模拟方法得到其很好的结果，因此，为了围岩稳定的数值模拟结果的准确性，现在许多学者借助其他领域在数值模拟的先进性，在对隧道围岩稳定性研究的过程中，他们开始采用几个数值模拟软件来对围岩稳定性进行耦合分析。耦合的数值分析如有限元与边界元的耦合、离散元与边界元的耦合等。通过几个软件的耦合分析，其不仅能够充分发挥数值模拟各自的优点，并能很好的去掉各种的不足，而且数值模拟的结果更趋近于真实值。

由于围岩是一个十分复杂的整体，其包含的很多分支，所以近年来，有些学者认为隧道围岩稳定性研究实际是对应力、应变、位移、岩体的特点、环境等的研究，其是一个十分复杂的系统，因此他们提出把所有影响围岩稳定性的因素考虑进去，对围岩稳定性研究建立一个系统的分析方法，这样才能够全方位且真实的对隧道稳定性研究。

由于隧道围岩被结构面分为许多不同大小的块体，因此根据岩体的块体理论可把其分成不稳定和稳定两类块体，运用数学方面的理论知识构造出围岩的所有存在的块体，并将这些块体进行系统的分类，其可分为稳定、可能发生危险、危险等，在围岩稳定性分析过程中，确定这些类型的块体，从而的到处与真实值相识的结果，有助于设计和施工的安全。

4 结束语

随着科学技术的高速发展，人们对隧道围岩稳定性研究的方法呈现出各种各样。本文通过资料的查阅，从理论研究、数值模拟、模型试验三方面总结了隧道围岩稳定性研究的发展历史及现状，在前人研究的基础上分析了以后对围岩稳定性研究方面技术的发展趋势，表明围岩稳定性研究方式会越来越系统化、多种手段相结合。

参考文献

[1]孙钧，朱合华.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析[J].岩土力学，1994，15（4）：20-32.

[2]朱玮，许劲松.碎裂结构岩体隧道工程稳定性的模型试验研究[J].东北公路，1989，（2）：70- 73.

[3]蒋树屏，刘洪洲，鲜学福.大跨度扁坦隧道动态施工的相似模拟与数值分析研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19（5）：567- 572.

[4]李英杰，张顶立，宋义敏，等.软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（6）：1138-1147.