吳 波, 黃 惟, 吳兵兵

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 南寧 530004； 2.東華理工大學土木與建筑工程學院， 南昌 330013)

近些年，中國地下工程向深部發(fā)展，隨著隧道工程領(lǐng)域?qū)嵺`的不斷深入，遇到的復雜工程問題也隨之增多。從單一地層隧道到復合地層隧道，從淺埋隧道到深埋隧道，從城市地下隧道、山嶺隧道到海底隧道。實際的工程問題，可能是以上多種情況的綜合。單一地層和復合地層中隧道的破壞機理具有顯著的差異，因此單一地層隧道的支護方法和施工方法完全不適用于復合地層隧道。歸納復合地層隧道這一概念，并對隧道相關(guān)方面的研究進行了系統(tǒng)概括和總結(jié)。隧道是圍巖和支護的統(tǒng)一體，圍巖是地層情況在隧道施工中的實際反映，需要根據(jù)圍巖自穩(wěn)能力確定圍巖加固和隧道支護方案。從復合地層隧道漸進破壞機理、復合地層隧道圍巖分級、復合地層隧道穩(wěn)定性評價和復合地層參數(shù)空間變異性四個方面著手，全面梳理和分析目前所取得的研究成果和研究進展，進而提出復合地層隧道穩(wěn)定機理及量化評價，對于隧道工程領(lǐng)域有著十分重要的意義。

1 復合地層隧道研究現(xiàn)狀

1.1 復合地層隧道概念

復合地層隧道區(qū)別于單一地層隧道，通常指外力作用下力學響應表現(xiàn)出顯著差異的兩種或多種巖土層組合形成的地層中的隧道。隧道是圍巖和支護的統(tǒng)一體，圍巖的自穩(wěn)能力決定著支護的形式和隧道施工方法的選用。

1.2 復合地層隧道漸進破壞機理

學者們對于復合地層隧道漸進破壞機理的研究始于20世紀末，使用數(shù)值模擬方法對軟硬不均巖層隧道進行了研究。Lei等[1]對軟硬不均巖層中隧道開挖進行了數(shù)值模擬分析，研究表明隧道開挖過程中軟硬交界面附近支護的剪力和位移顯著增大。賈劍青等[2]、Yassaghi等[3]則針對穿越軟硬交替巖層的深埋隧道進行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)支護體系存在關(guān)鍵荷載區(qū)域，垂直應力作用下不會使層狀軟硬交替頂板巖體發(fā)生破壞。Yassaghi等[3]使用通用離散元(universal distinct element, UDEC)軟件對穿越軟硬不均巖層隧道掌子面進行了數(shù)值模擬，主要研究了掌子面塑性區(qū)域和支護內(nèi)力。汪宏等[4]對隧道洞口軟硬不均偏壓段坍塌過程進行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)軟硬交界面處力學特性的差異是導致坍塌發(fā)生的一個重要原因。早期的研究探討了軟硬不均巖層中進行隧道開挖時支護的受力和變形情況，提出了隧道支護體系存在關(guān)鍵荷載區(qū)域的概念，并將軟硬交界面的力學特性差異作為復合地層隧道漸進破壞的重要影響因素。但針對圍巖的研究較少，可見學者們將支護作為隧道漸進破壞的研究重心。

在上述研究基礎(chǔ)上，學者們開始更多地使用模型試驗方法對隧道漸進破壞進行全面和深入的研究。申玉生等[5]使用數(shù)值模擬方法研究了穿越軟硬交界面的隧道洞口段軟硬交界面在不同傾角情況下隧道結(jié)構(gòu)的地震動力特性，研究表明當軟硬交界面傾角在45°內(nèi)時，地震動力效應對隧道上部結(jié)構(gòu)安全性能影響最大。陳紅軍等[6]對傾斜軟硬互層隧道進行了相似模型試驗，發(fā)現(xiàn)破壞過程可劃分為五個階段，每個階段都有典型的破壞特征；圍巖的最大主應力極值始終位于左側(cè)拱腰處，但最先破壞的是邊墻周圍圍巖的軟巖層。崔光耀等[7]對穿越軟硬圍巖交接段隧道洞口地震響應進行了大型振動臺模型試驗，研究表明隧道支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移和受到的地震作用力不斷增加，接觸應力增加較快，進而不斷降低結(jié)構(gòu)安全性。由以上研究可知，模型試驗方法能模擬實際隧道工程結(jié)構(gòu)全破壞過程，對于破壞機理有更為直觀的認識，從中觀察到破壞過程的典型特征，有助于深入了解破壞機理。這一階段，隧道工程領(lǐng)域的研究內(nèi)容更加豐富，人們開始認識到圍巖對于隧道漸進破壞的影響和考慮動力荷載作用的影響，如地震作用對隧道支護結(jié)構(gòu)的破壞作用。此外，還研究了地震作用下軟硬交界面傾角的不同對隧道安全性的影響。

隧道漸進破壞的影響因素很多，專家學者們針對實際工程情況就特殊地層、特定斷面形式和不同圍壓條件下的隧道展開了相關(guān)研究。Lee等[8]對黏土中隧道開挖進行了離心模型試驗，主要研究了圍巖的變形和位移情況，以及圍巖的塌陷機理。No等[9]對地下洞室進行相似模型試驗，著重研究了開挖過程中的變形影響因素和巖體節(jié)理對地下洞室所產(chǎn)生的影響。Hu等[10]使用RFPA軟件對不同圍壓作用下的隧道進行了數(shù)值模擬，分析基于破壞過程和坍塌路徑展開，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓逐漸增大，剪切裂縫首先會出現(xiàn)在隧道兩側(cè)及隧道頂部，最終導致隧道失穩(wěn)，并指出控制拉伸裂紋的形成可有效提高圍巖的穩(wěn)定性。商擁輝等[11]利用RFPA2D和ABAQUS對隧道穩(wěn)定性進行了研究，分別對比分析了隨機介質(zhì)理論和連續(xù)介質(zhì)理論結(jié)合強度折減法對隧道穩(wěn)定性的影響，研究表明巖體材料介質(zhì)的非均質(zhì)性造成了隧道圍巖的破壞，隧道的破壞形式以剪切破壞和拉伸破壞為主。徐前衛(wèi)等[12]對大斷面隧道進行了模型試驗和數(shù)值模擬，主要研究了圍巖的破壞過程、巖體變形和應力變化規(guī)律。研究表明大斷面隧道軟弱圍巖兩側(cè)拱腰以下的巖體最先發(fā)生破壞，大斷面隧道開挖采用雙側(cè)壁導坑法時，應充分考慮后開挖段對已開挖段圍巖穩(wěn)定性的影響。Moussaei等[13]對穿越層狀節(jié)理巖體的隧道進行了模型試驗和數(shù)值模擬，基于巖石塊體尺寸和洞口尺寸研究了巖體的不連續(xù)傾角和厚度對隧道破壞機理的影響，并根據(jù)尺寸比和層理傾角將破壞機制劃分了9個獨立類別。由以上研究可知，針對圍巖變形和破壞的研究越來越多，借助模型試驗方法更深入地了解了圍巖的變形和破壞過程，研究的隧道漸進破壞影響因素非常全面，涉及變圍壓作用、黏土層、巖體節(jié)理和巖體介質(zhì)的非均質(zhì)性，以及大斷面隧道開挖的空間效應。

隧道埋深不同對隧道開挖后圍巖和支護的受力狀態(tài)和破壞形式有著顯著的影響，為此專家學者們對不同埋深下的隧道展開了相關(guān)研究。顧金才等[14]對深部開挖隧道洞室進行了模型試驗，主要研究了圍巖分層斷裂破壞機制。朱合華等[15]對不同埋深下穿越軟弱破碎地層隧道開挖的全過程進行了模型試驗和數(shù)值模擬，研究表明圍巖破壞區(qū)主要集中在隧道拱頂以上，隧道埋深對于隧道漸進性破壞有著很大的影響，隧道開挖后最大的圍巖周向應力在壓力拱處。李英杰等[16]對軟弱破碎深埋隧道進行了模型試驗，主要研究了圍巖漸進性破壞特征，提出圍巖洞室首先在拱腰處發(fā)生破壞，拱頂有較大的沉降。Li等[17]對軟弱圍巖進行了物理模型試驗和數(shù)值模擬，基于FLAC3D開發(fā)了退化本構(gòu)模型，并使用該模型研究了軟弱圍巖的破壞機理和變形規(guī)律，提出隧道中部外側(cè)的剪切楔體是最不穩(wěn)定的區(qū)域。Zhang等[18]基于霍克-布朗準則，采用泛函突變理論提出了深埋隧道頂板塌落的判別準則，并推導了深埋隧道塌方塊體形狀曲線的解析解。Qin等[19]對深埋隧道頂板破壞進行了研究。黃鋒等[20]對不同應力場下無支護軟巖隧道進行了模型試驗和數(shù)值模擬，分析了圍巖的變形情況。Huang等[21]基于上界定理和變分法研究了穿越溶洞巖體深埋隧道坍塌的預測問題，并用數(shù)值模擬方法驗證了理論分析所得到的結(jié)論。Yang等[22]對復合巖層中深埋隧道進行了模型試驗和數(shù)值模擬，研究表明隧道開挖后圍巖變形包括瞬時變形和連續(xù)蠕變變形兩個階段，應力和巖性是隧道圍巖損傷規(guī)律的兩大控制因素。針對深埋隧道展開的研究，更多地采用了數(shù)值模擬和模型試驗兩種方法相結(jié)合，對圍巖破壞規(guī)律的研究更加深入?；跀?shù)學方法并結(jié)合數(shù)值模擬，提出了隧道破壞的判別準則，實現(xiàn)了從定性研究向半定量研究的跨越，為隧道漸進破壞機理的定量研究奠定了堅實基礎(chǔ)。

1.3 復合地層隧道圍巖分級

圍巖分級經(jīng)典方法的提出：1974年，Barton等[23]提出Q(quality)分級法；1989年，Bieniawski[24]提出RMR法；1991年，Deer[25]提出巖石質(zhì)量標準(quality designation, RQD)分級法。以上圍巖經(jīng)典方法起到了開創(chuàng)性作用，為之后專家學者們在這一領(lǐng)域的研究鋪平了道路。

Choi等[26]基于庫倫定律和高斯定律研究了巖體電阻特性與Q的相互關(guān)系。Hoseiniea等[27]提出了基于巖體可鉆性的圍巖分級方法。黎炳焱[28]對軟硬互層圍巖分級進行了研究，提出軟巖的性質(zhì)是決定軟硬互層圍巖工程性質(zhì)的主要因素，并指出層厚和組合比例也是重要影響因素。Huang等[29]提出了巖體自動分帶與分類方法，并開發(fā)了大竹山隧道計算機輔助自動分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)分類結(jié)果與采用RMR法的分類結(jié)果吻合較好。Zhao[30]研究了圍巖分類指標與巖體彈性波速的關(guān)系，將損傷理論分析與圍巖分類聯(lián)系起來?；诓ㄋ俸蛽p傷力學理論確定了巖體的初始損傷變量，進而建立了地下洞室圍巖分類與初始損傷變量之間的關(guān)系，對完善基于巖體分級的巖體穩(wěn)定性損傷力學分析具有重要的理論意義和工程價值，但該方法僅限于宏觀各向同性巖體。吳東鵬等[31]對銑挖法隧道圍巖分級進行了研究，提出了在圍巖穩(wěn)定性分級基礎(chǔ)之上對圍巖工作條件進行二次分級的方法。近期的研究進展圍繞經(jīng)典的理論方法，以理論分析為主，從最初的單一地層到復合地層，計算機技術(shù)的應用為圍巖分級的研究工作打開了新局面，自動分類系統(tǒng)極大地提高了圍巖分級效率，與此同時其準確性和對實際復雜地質(zhì)情況適應性的提高也成為潛在的研究熱點。

新興的人工智能技術(shù)也被應用到隧道工程領(lǐng)域來解決圍巖分級和隧道穩(wěn)定性的相關(guān)問題研究。周盛全等[32]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對隧道圍巖穩(wěn)定性進行了初步探究，并且準確地應用于富溪隧道圍巖的穩(wěn)定性判別中。王佳信等[33]應用Alpha穩(wěn)定分布概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圍巖分類進行了研究，此模型考慮多個圍巖影響因素，預測效果很好。柳厚祥等[34]利用深度學習模型和圖像識別技術(shù)對公路隧道圍巖進行分級，所得到的處理結(jié)果和BQ(basic quality)圍巖分級結(jié)果吻合較好，進一步驗證新方法的可行性。鄭帥等[35]把機器學習和可靠度算法結(jié)合起來，提出了一種新的圍巖動態(tài)分級方法，豐富了圍巖動態(tài)分級的應用。通過上述的分析發(fā)現(xiàn)，人工智能技術(shù)在隧道圍巖分級判別中應用可以解決圍巖分級不確定性和傳統(tǒng)方法偏于半定性的問題，同時對比傳統(tǒng)方法，基于人工智能技術(shù)的圍巖分級分析和判別方法更可靠，因而該技術(shù)在隧道圍巖分級和穩(wěn)定性判別中具有廣泛的研究和應用前景。

1.4 復合地層隧道穩(wěn)定性評價

復合地層隧道穩(wěn)定性評價的研究是建立在系統(tǒng)和深入認識隧道穩(wěn)定性這一基礎(chǔ)之上的。近年來，學者們對軟硬相接地層隧道穩(wěn)定性開展大量研究。黃松[36]通過分析基于傳統(tǒng)巖土理論建立的各種計算方法及相應適用條件，并結(jié)合不同工程情況下上軟下硬地層區(qū)間隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出相應軟硬相接地層區(qū)間隧道的荷載計算公式。任松等[37]對軟硬互層隧道進行數(shù)值模擬，研究了軟硬互層隧道的穩(wěn)定性，提出了初期支護優(yōu)化方案。劉揚等[38]對軟硬交接帶中隧道開挖進行相似模型試驗，研究了隧道開挖后堅硬地層的裂紋擴展情況及圍巖的漸進破壞過程，研究表明隧道在開挖軟質(zhì)地層部分后，堅硬地層仍具有一定的承載能力；隧道上方堅硬地層破壞過程為微裂紋產(chǎn)生到裂紋逐漸擴展和貫通再到裂紋錯位。任松等[39]提出了水平互層圍巖隧道動態(tài)模擬方法，考慮圍巖在層理效應和時間效應下的持續(xù)變形特性，更接近工程實際情況，為復雜水平軟硬互層圍巖隧道穩(wěn)定性分析提供了新的思路。范凱祥等[40]對穿越軟硬相接巖層的隧道進行了振動臺試驗和數(shù)值模擬，研究了不同減震層厚度下圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應。結(jié)果表明從洞身段來看，減震層厚度存在最優(yōu)值；襯砌結(jié)構(gòu)也沒有表現(xiàn)出自振特性，其響應主要取決于所穿越圍巖的動力特性；在地震荷載作用下，隧道拱頂、拱腳和仰拱易發(fā)生開裂，設(shè)置減震層后，仰拱相對更容易發(fā)生破壞。朱連臣等[41]對富水流塑軟硬復合地層下地鐵盾構(gòu)隧道進行了三維數(shù)值模擬，研究表明完成盾構(gòu)施工、襯砌管片安裝和壁后注漿工序后，洞室拱頂出現(xiàn)沉降，拱底發(fā)生隆起；盾構(gòu)隧道左、右兩線整體沉降模擬值和實測值趨勢基本一致，整體沉降曲線以隧道中線為中心呈對稱分布，但模擬值普遍偏小于實測值。陳曉堅[42]對穿越軟硬不均地層段隧道進行了模型試驗，研究建立了上覆水位荷載、下臥地層損失量與結(jié)構(gòu)曲率半徑的對應關(guān)系。王偉等[43]對隧道進行數(shù)值模擬，研究了軟硬相接巖體的分布對隧道圍巖的影響。研究表明在軟硬相接巖層中，圍巖變形和塑性區(qū)分布主要集中在巖性較弱一側(cè)，結(jié)構(gòu)面與圍巖相交處呈現(xiàn)出不協(xié)調(diào)且變形較大。由以上研究可知，對于復合地層隧道穩(wěn)定性的研究，其目的都是向定量化評價邁進。通過理論分析方法和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比來驗證理論分析的結(jié)果，基于此建立相應的計算公式。在穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)之上提出相應的支護優(yōu)化方法，也是從認識穩(wěn)定性機理到工程應用的轉(zhuǎn)化。此外，還研究了圍巖和支護的相互作用對復合地層隧道穩(wěn)定性的影響。

隧道穩(wěn)定性評價方法要形成科學完備的體系，必須先對各類復雜工況下隧道穩(wěn)定性有充分的認識，進而針對性地提出相應的評價方法。Hoek等[44]于1988年提出了著名的Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則。陳進等[45]研究了軟巖巷道的破壞機理和支護形式，進一步推廣了所提出的漸進破壞模型。Lee等[46]基于有限元法研究了隧道施工引起的周圍巖體變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。孫鈞等[47]研究了隧道圍巖穩(wěn)定性，認為圍巖穩(wěn)定性評價就是對巖體應力和變形的分析。Sakurai[48]提出了隧道穩(wěn)定性的評價方法，建議采用隧道圍巖的變形與隧道直徑之比來評價隧道的穩(wěn)定性，并將2%作為極限值。還有學者對圍巖穩(wěn)定性影響因素進行了進一步研究。吳波等[49-51]研究了隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定的時空效應與流固耦合效應。從最初Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則的提出，初步建立了隧道穩(wěn)定性的評價方法。圍巖穩(wěn)定性分析的本質(zhì)是什么，也給出了相應的回答，認為就是對巖體的應力和變形的分析，這一結(jié)論為隧道穩(wěn)定性評價方法的研究指明了方向。

動力荷載作用對隧道穩(wěn)定性影響的研究，主要圍繞地震作用展開。支護體系和圍巖的相互作用對隧道穩(wěn)定性的影響也取得了相應的研究成果。Geni[52]對受地震作用的隧道入口進行了數(shù)值模擬，研究表明當動力波加速度值大于0.5倍重力加速度時，隧道入口邊坡以及距隧道入口20～50 m范圍內(nèi)可能受到嚴重破壞，因此地震區(qū)應充分考慮動力荷載的影響。Wang等[53]通過數(shù)值模擬研究了支護體系對隧道圍巖變形和穩(wěn)定性的影響，以及完整巖石和地質(zhì)力學性質(zhì)非連續(xù)性的變異性對隧道變形和穩(wěn)定性的影響。Yang等[54]采用塑性變形單元的有限元上限法(UP-PDE)和剛性平移運動單元的有限元上限法(UP-RTME)研究了無襯砌橢圓隧道在黏性摩擦土中的穩(wěn)定性。Panji等[55]使用直接邊界元法研究了復雜受力情況下淺埋隧道的應力特征，研究表明在非均勻表面牽引力和對稱重力荷載共同作用下，偏心荷載對圍巖應力分布有顯著影響。Xiao等[56]研究了隧道巖爆的演化機制，提出了一種基于實時微震信息綜合判斷巖爆演化過程中巖體破壞類型的方法。研究表明巖體應變發(fā)展直至失效，都是拉伸性質(zhì)的破壞；中度和強烈的巖爆破壞形式都是剪切破壞。通過以上分析可知，動力荷載作用對隧道穩(wěn)定性有著顯著的影響；對于無襯砌和特殊地層這種綜合情況的研究有助于充分認識支護對隧道穩(wěn)定性的影響；基于巖爆的演化機制，提出了判斷巖體破壞類型的方法。

機器視覺技術(shù)的進步為隧道穩(wěn)定性評價提供了新的思路。Wu等[57]對形態(tài)可視化方法中的元素塊聚合算法和復雜塊構(gòu)建算法做了改進，提高了計算效率，并利用改進的算法對隧道周圍巖塊的穩(wěn)定性進行評價，提出了一種更為有效的隧道支護方法。Xu等[58]基于機器視覺技術(shù)，提出了巷道變形實時監(jiān)測系統(tǒng)方法，開發(fā)出巷道變形實時監(jiān)測應用系統(tǒng)，能有效地判斷圍巖的不穩(wěn)定狀態(tài)，對揭示巷道變形規(guī)律、防治煤巖動力災害具有重要意義。由以上分析可知，機器視覺技術(shù)能夠解決現(xiàn)有復合地層隧道穩(wěn)定性研究偏向于定性評價的不足，對定量化評價方法的發(fā)展起到重要作用。

1.5 復合地層參數(shù)空間變異性

由于礦物構(gòu)成、沉積條件、應力歷史以及其他地質(zhì)作用的差異，圍巖力學性質(zhì)的空間變異性總是客觀存在的。而這種空間變異性會明顯影響到隧道開挖后圍巖的力學響應，也對隧道設(shè)計中支護荷載計算、地層變形預測以及安全控制對策產(chǎn)生明顯影響。隨機場理論在隨機變量理論的基礎(chǔ)上，通過引入自相關(guān)函數(shù)和波動范圍等空間概念，可有效模擬巖土體力學性質(zhì)的空間變異性。Lumb[59]于2011年首次提出土性參數(shù)“空間變異性”(spatial variability)的概念，指出由于在沉積過程中的物質(zhì)組成的差異以及后期各種不確定性外力的作用使土性參數(shù)呈現(xiàn)出變異性特征。中外學者使用隨機場模型分別于2003、2008、2009、2014年研究了土性參數(shù)空間變異性對邊坡穩(wěn)定性[60]、地基承載力[61]、地基液化[62]和隧道開挖面穩(wěn)定性[63]等問題的影響。研究結(jié)果顯示，如果忽略了土性參數(shù)空間變異性，會在一定程度上高估其工程安全性。

針對土體參數(shù)空間變異性影響隧道開挖后地層力學響應的問題，鄧建林[64]基于強度折減法與數(shù)值計算，分析掌子面與軟硬不均地層分界面位置關(guān)系變化對隧道安全系數(shù)及支護結(jié)構(gòu)應力、變形產(chǎn)生的影響，得出地層分界面位置不同，支護結(jié)構(gòu)變形及應力會發(fā)生變化，變形較為明顯。程紅戰(zhàn)等[65]、文明等[66]、Phoon等[67]等中外學者借助隨機場模型開展了大量的研究工作，結(jié)果表明土體參數(shù)空間變異性會對隧道開挖引起的地層力學響應產(chǎn)生顯著的影響。

隨機場理論在隨機變量理論的基礎(chǔ)上，通過引入自相關(guān)函數(shù)和波動范圍等空間概念，可有效模擬巖土體力學性質(zhì)的空間變異性。韓憲軍[68]將圍巖彈性模量模擬為二維隨機場，在此基礎(chǔ)上分析了地下洞室的可靠性。Mollon等[69]通過將隧道周邊土體的內(nèi)摩擦角模擬為二維隨機場，研究了土層參數(shù)空間變異性對隧道掌子面臨界坍塌壓力和臨界滑移面的影響。Song 等[70]研究了風化圍巖參數(shù)空間變異性對隧道變形特征等因素的影響。程勇剛等[71]通過模擬圍巖彈性模量和側(cè)壓力系數(shù)的隨機場，分析了隧道圍巖的概率變形特征。目前該理論已被成功應用于邊坡工程，李典慶等[72]在該方面進行了研究。在隧道及地下工程中，中外也有多位學者先后開展了相關(guān)研究。龔勛[73]和程紅戰(zhàn)等[74]分別研究了施工過程下土體參數(shù)空間變異性對盾構(gòu)隧道周邊建筑物和地表變形的影響。方超等[75]從三維角度出發(fā)，研究了圍巖參數(shù)豎向與其他兩個方向相關(guān)距離的變化對公路隧道結(jié)構(gòu)可靠性的影響。岳慶霞等[76]在考慮土體彈性模量空間變異性的情況下，分析了地震作用下隧道結(jié)構(gòu)的力學響應。孫智慧等[77]對背斜核部層狀軟硬巖隧道變形進行了時空效應分析，研究表明軟硬巖相間區(qū)圍巖應充分考慮軟巖的時效變形。學者們基于隨機場理論對巖土體參數(shù)空間變異性對于隧道穩(wěn)定性的影響進行了相關(guān)研究，之前所考慮的隧道穩(wěn)定性影響因素從宏觀上可以認為在一定時空條件下是相對穩(wěn)定的，而巖土體參數(shù)空間變異性作為又一隧道穩(wěn)定性影響因素具有顯著的時空效應。由此帶來了新的挑戰(zhàn)，即準確地模擬巖土體力學性質(zhì)的空間變異性。

2 存在的關(guān)鍵問題與發(fā)展趨勢

2.1 漸進破壞機理方面

2.1.1 關(guān)鍵問題

主要體現(xiàn)在：①復合地層隧道漸進破壞機理尚未形成系統(tǒng)的理論，有待進一步研究；②現(xiàn)有研究對于圍巖和支護的相互作用研究的較少；③漸進破壞機理的研究與實際工程應用結(jié)合的不夠緊密；④隧道開挖方法的不同對于隧道漸進破壞的影響開展的研究較少。

2.1.2 發(fā)展趨勢

由前述研究內(nèi)容可知，學者們所采用的研究方法主要分為兩種即數(shù)值模擬和相似模型試驗。數(shù)值模擬是指基于有限元基本原理，使用電子計算機對實際問題進行模型建立，通過數(shù)值計算和圖像顯示實現(xiàn)對實際問題的研究。相似模型試驗指的是在比例縮小或等比的實際工程結(jié)構(gòu)模型上進行相應的試驗，施加比例荷載，使模型受力后呈現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)實際工作的結(jié)構(gòu)試驗。由相似模型的試驗結(jié)果可以推算實際結(jié)構(gòu)的工作狀況，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)和改善設(shè)計缺陷。

在今后研究中，通過數(shù)值模擬和模型試驗兩種方法，全面和系統(tǒng)地認識復合地層隧道漸進破壞機理。數(shù)值模擬方法可以根據(jù)工程的實際情況進行建模分析，綜合考慮圍巖和支護的相互作用，結(jié)合模型試驗深入了解實際工程結(jié)構(gòu)的破壞過程，與數(shù)值模擬結(jié)果相互印證。根據(jù)模型試驗改善支護的設(shè)計缺陷，實現(xiàn)從認識漸進破壞機理向工程應用的快速轉(zhuǎn)化。以圓形和橢圓形隧道為主，就隧道斷面小、中、大3種形式，針對不同的隧道開挖方法對圍巖的影響展開系統(tǒng)研究，建立系統(tǒng)的隧道漸進破壞理論。

2.2 圍巖分級方面

2.2.1 關(guān)鍵問題

目前復合地層圍巖分級領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問題有：①針對復合地層的圍巖分級指標有待擴展；②傳統(tǒng)圍巖分級方法的發(fā)展和創(chuàng)新；③現(xiàn)有新技術(shù)在圍巖分級領(lǐng)域的應用還不夠成熟，效率和準確性有待提升，復雜地質(zhì)情況適應性不強；④現(xiàn)有圍巖分級的研究主要針對單一地層，復合地層圍巖分級有待進一步研究。

2.2.2 發(fā)展趨勢

機器學習是人工智能的分支，而深度學習是一種機器學習的方法，把原始數(shù)據(jù)通過一些簡單的但是非線性的模型轉(zhuǎn)變成為更高層次的、更加抽象的表達。深度學習的核心方面是各層的特征，都不是利用人工工程來設(shè)計的，而是使用一種通用的學習過程從數(shù)據(jù)中學到的。

在未來的研究中，綜合考慮多種圍巖穩(wěn)定因素，拓展傳統(tǒng)的圍巖分級所用的評價指標；越來越多地開展新技術(shù)在圍巖分級領(lǐng)域的工程實踐，全面提升圍巖分級的效率、準確性和復雜應用場景的適應性。從深度學習模型，標準數(shù)據(jù)集的建立再到圖像識別技術(shù)的進步，人工智能技術(shù)必將會給圍巖分級打開新局面，最終建立系統(tǒng)的復合地層隧道圍巖分級理論。

2.3 穩(wěn)定性評價

2.3.1 關(guān)鍵問題

目前穩(wěn)定性評價存在的關(guān)鍵問題有：①圍巖穩(wěn)定影響因素分類不系統(tǒng)；②穩(wěn)定性評價方法仍以定性評價方法為主；③尚未建立系統(tǒng)的穩(wěn)定性評價理論；④圍巖和支護的相互作用對隧道穩(wěn)定性的影響研究較少；⑤新技術(shù)在隧道穩(wěn)定性評價的應用還不成熟，需要進一步的實踐探索；⑥隧道穩(wěn)定性的監(jiān)測手段有待發(fā)展。

2.3.2 發(fā)展趨勢

機器視覺技術(shù)在隧道穩(wěn)定性評價的應用越來越廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)實時變形監(jiān)測，變形監(jiān)測反映圍巖在應力作用下變形破壞的發(fā)展趨勢，基于機器視覺的隧道變形實時監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測點可以分段布置，能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道變形的大規(guī)模監(jiān)測和區(qū)域監(jiān)測，作為圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測的重要手段。對圍巖穩(wěn)定影響因素進行系統(tǒng)分類，定量評價方法建立在系統(tǒng)的定性評價理論基礎(chǔ)之上，豐富和完善復合地層隧道穩(wěn)定性評價理論，新技術(shù)在隧道穩(wěn)定性評價方面的深度應用，建立復合地層隧道穩(wěn)定性量化評價方法。

2.4 地層參數(shù)空間變異性

2.4.1 關(guān)鍵問題

①基于隨機場理論的隨機場模型在模擬巖土體力學性質(zhì)空間變異性方面有待進一步研究，主要體現(xiàn)在模擬的準確性方面；②地層參數(shù)空間變異性影響評價還處于定性和半定量的階段，評價方法無法用到工程實踐當中。

2.4.2 發(fā)展趨勢

隨機場理論在巖土體力學性質(zhì)的空間變異性方面的應用，主要以隨機場模型對地層參數(shù)空間變異性展開研究?；陔S機場理論和新方法，提出更加有效和精確模擬復雜工況巖土體參數(shù)空間變異性的相應隨機場模型，利用新技術(shù)建立系統(tǒng)的地層參數(shù)空間變異性定量評價方法。

3 結(jié)論

針對隧道工程領(lǐng)域的實踐需要，復合地層隧道穩(wěn)定機理及量化評價這一課題，對復合地層隧道漸進破壞機理、復合地層隧道圍巖分級、復合地層隧道穩(wěn)定性評價和復合地層參數(shù)空間變異性四個方面的相關(guān)研究進行了歸納和總結(jié)，可以得出目前圍繞復合地層隧道的研究不系統(tǒng)，有待進一步深入。在復合地層隧道漸進破壞機理方面，應建立系統(tǒng)的復合地層隧道漸進破壞理論。在復合地層隧道圍巖分級方面，應拓展傳統(tǒng)的圍巖分級評價指標，在傳統(tǒng)圍巖分級方法基礎(chǔ)之上，更多地使用新技術(shù)和新方法進行復合地層圍巖分級研究，建立系統(tǒng)的復合地層圍巖分級理論和方法。在復合地層隧道穩(wěn)定性評價方面，應在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，豐富和完善復合地層隧道穩(wěn)定性評價理論，建立系統(tǒng)的復合地層隧道穩(wěn)定性量化評價方法。在復合地層參數(shù)空間變異性方面，應基于隨機場理論和人工智能技術(shù)建立復合地層參數(shù)空間變異性量化評價方法。