1.1监测反馈分析法

 

　　自奥地利地质学家L.V.Rebcewicz等提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理，以锚喷支护及复合柔性衬砌为主要特征的“新奥法”以来，改变了过去设计与施工的一些传统思路，它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计。因此，以现场监控信息为依据，通过反演计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳定性的反演分析方法日趋完善。印度B.Singh等认为由于隧洞围岩裂隙传播受到周围岩体约束及初始地应力对岩体的预应力作用，其强度将会有显著的提高。并通过反分析得出了变化的强度参数及变形模量。李世辉提出了典型类比分析法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序(BMP90)。针对用隧道位移量测结果进行反分析中存在的结果可靠度与精度问题，日本的谷河正也等提出用三维反分析及双重反分析来提高结果的可靠度与精度。

 

　　1.2数值模拟分析法

 

　　近年来，数值分析作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的重要工具而加以推广，主要使用的方法为有限单元法(FEM)、边界单元法(BEM)、离散单元法(DEM)、拉格朗日单元法以及块体理论等，或是上述几种方法的耦合分析。有限单元法基于最小总势能变分原理，能够方便地处理各种非线性问题，是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法。其有限元模型一般有弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性等。为了克服有限元法在无限域问题应用中的限制，Bettess于1977年提出无限单元这一单元形式，之后，印度的P.Kumar结合无限单元与有限单元，运用有限元计算程序，对围岩稳定性问题进行了一系列的计算分析。在众多的数值分析方法中，由于有限单元法能较容易的处理分析域的复杂形状及边界条件，材料的物理非线性和几何非线性性状，具有很强的适应性，所以其应用发展非常快，目前己成为隧道数值分析的主要手段。目前在工程领域用得比较多的通用大型有限元软件有ADINA、ANSYS、ABAQUS、同济曙光岩土系列软件等。

 

　　边界单元法是继有限单元法之后发展起来的又一数值计算方法，与有限单元法相比，它具有降低维数的特性及占计算机内存小、节省计算时间等优点。特别是由于边界单元法本身适用于无限域和半无限域的特点而在岩土工程中得到特有的青睐。边界单元法分为直接边界元和间接边界元，直接边界元法是以互等功原理为基础建立起来的，而间接边界元法是以叠加原理为基础建立基本方程。同济大学朱合华等对边界单元法在隧道等岩土工程中的应用进行了大量研究。台湾K.-J.Shou采用模拟地下洞室的虚拟力法和求解不连续面问题的位移不连续对于一些重大工程，为了保证工程设计的可靠性及设计方案的经济合理性，应结合其他方法进行综合分析。

 

　　1.3力学分析方法

 

　　从19世纪人类对松散地层围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。在实际工程应用中，隧道开挖后由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中。如果围岩应力处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态，反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而研究围岩的稳定性就不能不考虑围岩的塑性问题，芬纳(Fenne)-塔罗勃(J.Talobre)和卡斯特奈(H.Kaster)等给出了围岩的弹塑性应力图形。随着半解析元法以有限厚条法的形式提出，林银飞、郑颖人将有限厚条法和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限厚条法，采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性区内采用统一的解析函数级数，以修正刚度增量法为迭代方法，推导出了塑性系数矩阵及塑性刚度矩阵，并将其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中。对于深埋隧道，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩，其本身就具有明显的流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的研究中。朱素平等提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳定性的力学分析。日本学者西原在岩石流变试验资料的基础上，建立了能反映岩石弹-粘弹-粘塑性特性的西原模型。在此基础上，同济大学孙钧通过对围岩-支护系统受力机理的充分阐述，得出了西原模型在隧道围岩-支护系统中的有限元解，并对层状节理围岩、含软弱断层、破碎带围岩分别提出了两个Bingham串联模型和四元件的粘弹塑性模型。1958年前苏联学者Kachanov在研究蠕变断裂时首先提出了损伤的概念，后经法国学者Lemaitre与Chaboche(1977)、美国学者Krajcinova(1981)等人利用连续介质力学方法，根据不可逆热力学原理，建立了“损伤力学”这一学科后，国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分析中。如日本学者Kawamoto及国内学者孙钧、李术才等。李术才采用由损伤力学方法得到的加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩体的稳定性和变形行为。

 

　　1.4物理模型试验法以相似理论为基础的物理模型试验法是用与原型力学性质相似的材料根据几何相似常数缩制成模型，在模型上开挖各种工程，以观察与研究工程围岩内的变形与破坏等现象。早在20世纪60年代，就出现了地质力学模型试验，它本质上属于弹塑性结构模型破坏试验，主要研究模拟岩体的断层，破碎带、软弱夹层等不连续构造对结构的应力分布和变形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题。物2并未发生失稳；有的（特别是浅埋）隧道位移尚未达到允许值却发生失稳和坍塌。隧规JTGD70—2004在条文说明中也指出：“初期支护的允许洞周相对收敛值应根据围岩地质条件分析确定”、“对所规定的收敛值在施工过程中可通过实测和资料积累做适当修正”。因此，结合具体工程实际，做好复杂地质条件下隧道周边位移的研究，对于判断隧道的结构稳定性非常必要。鉴于中兴隧道软弱破碎带的地质复杂性，本文拟结合中兴隧道软弱破碎带的地质特征，在考虑坑道形状、开挖方法和支护状况的基础上，以隧道围岩-支护结构这一复杂系统为着眼点，以隧道软弱破碎带施工中支护系统的极限位移为切入点，结合现场实测资料对中兴隧道软弱破碎带围岩-支护结构的稳定性进行分析，以期得出一些对软弱破碎隧道动态设计、施工有实用价值的结论。

 

 

　　围岩-支护结构的稳定性通常是指妨碍生产使用或安全的围岩破坏或过大变形的现象，如不应有的顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、底板突水、围岩开裂、突发岩爆、支护折断等，都是围岩-支护结构不稳定的表现特征。由于围岩地质状况的复杂性与特殊性，国内外学者对围岩稳定性进行了大量的研究工作，目前已经形成了许多围岩-支护结构稳定性的分析方法。大致可分为五类：工程地质类比分析法、力学分析法、物理模型试验法、数值模拟分析与监测反馈分析法。

 

　　工程地质类比法

 

　　工程地质类比法亦即经验法，是将拟建工程的地质状况与已建工程进行类比，以确定其破坏面的各项指标。类比时必须全面地分析研究水文地质、工程地质条件及影响软弱结构面强度的各项因素，相似性愈高则愈能提出确切可靠的指标值。近年来，各国都在借助各类地下工程实践经验编制高速公路隧道围岩分类方案以使公路隧道设计和围岩分类标准化，针对不同的围岩类别，直接定量地给出围岩压力和支护衬砌的形式和厚度。国外著名的围岩分类方案有：普氏系数法(前苏联)、Deer的RQD分类法、奥地利的MATM分类法、Barton的Q系统法等以及国际岩石力学协会的基本地质描述法。我国科技工作者在国外岩石分类的基础上，编制了各行业专门的地下工程围岩分类方案，例如岩体构造类型分类法，围岩稳定性动态分级，坑道工程围岩分类，大型地下洞室围岩分类，铁路隧道岩体分级建议方案，BQ分级法(GB50218-94)等。

 

　　虽然工程地质类比法仍然是目前进行隧道工程结构设计的主要方法，但是对于重大工程，这种方法具有很大的局限性：一方面，由于我国公路隧道建设起步较晚，缺乏可以借鉴的成功案例；另一方面，目前我国许多在建重大公路隧道都处在复杂多变的地质条件下，也使得这种方法的应用具有无法克服的弊端。因此，法两者相结合的混合模型，提出了三维混合边界单元法。除有限单元法和边界单元法外，离散单元法是用来计算具有不连续变形性质的节理岩层的一种新的数值计算方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，即使是不稳定的围岩，变形可以计算到围岩坍落。CharlesFairhurst等对运用离散单元法和有限单元法分析节理岩层中洞室围岩稳定性进行了比较。隧道围岩岩体工程力学行为及其变形和破坏机理在主、客观两方面相当程度上都是随机的、模糊的、不确定的。因此，除了以上围岩稳定性分析方法外，随着神经网络、遗传算法等人工智能学科的兴起，国内外不少学者利用这一理论，提出了围岩稳定性分析的新方法。如北方交通大学的Y.Yang和Q.Zhang利用BP神经网络找出了影响围岩稳定性的关键因素，建立了一种等级分析方法。胡建华等利用改进的MBP神经网络进行围岩稳定性的识别，建立了围岩稳定性的神经网络识别模型。安红刚、冯夏庭将遗传进化算法与有限元相结合，对大型洞室围岩稳定性进行最优建模并获得全局最优解。冯夏庭、马平波发现技术中的数据挖掘环节，对大量的工程实例数据进行分析，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进而利用这些关系可对类似条件下的围岩-支护系统的稳定性做出合理的判断。