溫嘉琦， 湯雷

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

地下工程圍巖穩(wěn)定控制是典型的多領(lǐng)域交叉科學(xué)，廣泛涉及水利水電工程、礦業(yè)工程、交通工程和國(guó)防工程等[1-2]。如在長(zhǎng)距離調(diào)水工程中，文獻(xiàn)[3]中提出的斷面下移自流方案指出：南水北調(diào)西線工程輸水線路全長(zhǎng)825 km，隧洞段長(zhǎng)達(dá)823 km，意味著西線工程99.76%的輸水線路將(規(guī)劃)采用水工隧洞進(jìn)行長(zhǎng)距離輸水；隧洞平均埋深570 m，最大埋深達(dá)到2 020 m，南水北調(diào)西線工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)將面臨諸多挑戰(zhàn)。

地下工程與地上建筑相比具有特殊性，其施工期的安全與地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題非常突出[4]。尤其是深埋隧洞高應(yīng)力圍巖體極易發(fā)生坍塌、巖爆、突水、突泥等情況，不僅嚴(yán)重危及施工人員生命和施工設(shè)備安全，而且會(huì)嚴(yán)重干擾施工計(jì)劃進(jìn)度；事故處理后如何復(fù)工也需要進(jìn)行謹(jǐn)慎評(píng)估，以防二次災(zāi)害的發(fā)生[5]。因此，圍巖穩(wěn)定控制成為地下工程設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵難題。地下工程施工安全與穩(wěn)定的核心在于圍巖穩(wěn)定，人工支護(hù)措施及襯砌結(jié)構(gòu)僅僅起輔助作用。圍巖失穩(wěn)判據(jù)是判別圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的臨界條件，用來(lái)預(yù)防圍巖失穩(wěn)，為工程設(shè)計(jì)論證、施工建設(shè)提供重要技術(shù)參考。

針對(duì)圍巖失穩(wěn)判據(jù)，已有綜述或?qū)ｉT(mén)的判據(jù)研究文獻(xiàn)報(bào)道。以中國(guó)知網(wǎng)期刊檢索主題“圍巖判據(jù)”為例(這里檢索出的內(nèi)容并未覆蓋所有相關(guān)文獻(xiàn))：

20世紀(jì)90年代，楊更社[6]指出在圍巖應(yīng)變硬化狀態(tài)和應(yīng)變軟化狀態(tài)之間必然存在著一種臨界狀態(tài)；李世輝[7]基于圍巖洞周量測(cè)值，闡釋了采用變形速率比值判別的5種情況；劍萬(wàn)禧[8]提出采用實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的比值作為圍巖失穩(wěn)判據(jù)。

21世紀(jì)00年代，靳曉光等[9]針對(duì)3種高地應(yīng)力隧道圍巖的位移穩(wěn)定判據(jù)的確定進(jìn)行了分別討論；劉景儒等[10]、盧愛(ài)紅等[11]從能量角度提出隧道圍巖相互作用和巖爆的剛度判據(jù)、能量密度判據(jù)；付成華等[12]應(yīng)用突變理論探索了5種能量突變判據(jù)；劉寧等[13]提出了圍巖劈裂破壞的應(yīng)力判據(jù)；范廣勤等[14]提出了基于剪切破壞理論以圍巖破壞區(qū)最小作為圍巖穩(wěn)定性判據(jù)；徐銀燕[15]總結(jié)了強(qiáng)度、極限應(yīng)變、洞周收斂位移收斂比3種基本圍巖失穩(wěn)判據(jù)；邵冠慧等[16]總結(jié)了圍巖極限強(qiáng)度判據(jù)(破壞判據(jù)、塑性區(qū)、安全系數(shù)與強(qiáng)度折減法)和極限應(yīng)變判據(jù)。

21世紀(jì)10年代，鄭穎人等[17]將圍巖失穩(wěn)判據(jù)總結(jié)為圍巖洞周位移判據(jù)、塑性區(qū)大小判據(jù)、基于強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)判據(jù)；宋波等[18]、曹野等[19]針對(duì)爆破作用下圍巖穩(wěn)定性，建立了時(shí)間-能量-密度曲線面積與圍巖損傷程度的定量關(guān)系；穆成林等[20]基于尖點(diǎn)突變理論，推導(dǎo)得出了圍巖破壞的失穩(wěn)條件；劉建國(guó)等[21]利用M-C滑移準(zhǔn)則推導(dǎo)出了圍巖結(jié)構(gòu)面滑移的判據(jù)；李志龍等[22]總結(jié)了巖爆脆性破壞的代表性判據(jù)(強(qiáng)度應(yīng)力比、能量、巖性和復(fù)合判據(jù)等)。

21世紀(jì)20年代，肖明清等[23]總結(jié)了隧道開(kāi)挖的4種失穩(wěn)判據(jù)：有限元計(jì)算迭代求解不收斂、有限元計(jì)算位移突變、超過(guò)極限剪應(yīng)變區(qū)域閾值、受拉破壞區(qū)閾值；孫振宇等[24]提出不良地質(zhì)大斷面隧道應(yīng)以變形加速度作為主要指標(biāo)，并給出了深埋和淺埋條件下圍巖變形加速度閾值確定方法。

初步調(diào)查上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，圍巖失穩(wěn)判據(jù)研究與實(shí)踐有以下特點(diǎn)：①一方面主要是基于洞周監(jiān)測(cè)量或?qū)崪y(cè)應(yīng)力的圍巖失穩(wěn)判據(jù)，為工程現(xiàn)場(chǎng)的工程師提供工程管理參考依據(jù)；另一方面是基于理論和數(shù)值計(jì)算的判據(jù)，通過(guò)強(qiáng)度理論、突變理論、強(qiáng)度折減法等圍巖失穩(wěn)分析方法，發(fā)展了強(qiáng)度類(lèi)、能量類(lèi)等判據(jù)形式。②在總結(jié)性文獻(xiàn)中，不同作者對(duì)圍巖失穩(wěn)判據(jù)的歸納相對(duì)不統(tǒng)一[13-15,19,21,23]，而且存在更多的判據(jù)類(lèi)型沒(méi)有被完整歸納。

本文針對(duì)圍巖失穩(wěn)判據(jù)研究進(jìn)行綜述，邏輯框架如圖1所示，全文工作如下：

1) 歸納圍巖失穩(wěn)判據(jù)并將其劃分為兩類(lèi)，梳理各種概念的關(guān)系和結(jié)構(gòu)，分別論述其基本原理、支撐理論和研究進(jìn)展。

2) 討論研究局限，展望科學(xué)問(wèn)題。

3) 圍繞圍巖失穩(wěn)判據(jù)，構(gòu)建地下工程圍巖安全控制系統(tǒng)圖譜。

1 監(jiān)測(cè)量判據(jù)

1.1 位移監(jiān)測(cè)與應(yīng)用

圍巖宏觀變形是圍巖力學(xué)形態(tài)最直接、最外在的體現(xiàn)，監(jiān)測(cè)量判據(jù)直接服務(wù)于隧洞施工建設(shè)與運(yùn)行管理。在隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中要及時(shí)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)圍巖變形可以對(duì)圍巖穩(wěn)定性做出判斷[25]。

在開(kāi)挖擾動(dòng)下，圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移，隨著圍巖變形增大，巖體損傷逐漸發(fā)展。圍巖變形一般會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段，從掌子面前方開(kāi)始，分別是Ⅰ緩慢變形階段、Ⅱ急劇變形階段、Ⅲ變形減緩階段與Ⅳ基本穩(wěn)定階段，如圖2所示[26]。

圖2 圍巖變形的4個(gè)階段

圖2中：Ⅰ階段的圍巖僅發(fā)生微小變形；Ⅱ階段圍巖極易失穩(wěn)，是施工中發(fā)生坍塌事故的主因，這部分圍巖變形所占比例最大，是圍巖變形和安全性控制的重點(diǎn)；Ⅲ階段隨著初期支護(hù)作用力的增大，圍巖破壞范圍和圍巖變形趨于穩(wěn)定；Ⅳ階段圍巖變形增加較為緩慢，無(wú)顯著變形，一般可施作二次襯砌支護(hù)。基于此，圍巖穩(wěn)定可考慮為：洞周變形速率呈遞減趨勢(shì)并逐漸趨近于零，其累計(jì)位移未超過(guò)極限位移；初期支護(hù)表面沒(méi)有再發(fā)展的明顯裂隙等。具體變形控制指標(biāo)一般包括洞周關(guān)鍵點(diǎn)的位移、變形速率、加速度(速率變化趨勢(shì))以及圍巖穩(wěn)定時(shí)間等指標(biāo)。

在國(guó)家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，具有代表性的如《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)[27]中規(guī)定圍巖變形基本穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)GB 50086—2015[28]和《巖土工程監(jiān)測(cè)手冊(cè)》(中國(guó)水利水電出版社，1998年版)：一般在變形小于0.2 mm/d時(shí)可認(rèn)為基本穩(wěn)定；在有長(zhǎng)期觀測(cè)(大于3個(gè)月)成果時(shí)，觀測(cè)后期全月變形平均小于0.1 mm/d時(shí)認(rèn)為是穩(wěn)定的?！豆匪淼朗┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTG/TF 60—2009)[29]中規(guī)定，以洞身周邊收斂速率0.1～0.2 mm/d及拱頂沉降速率0.07～0.15 mm/d作為圍巖穩(wěn)定判據(jù)。

王麗華等[30]開(kāi)發(fā)了隧道監(jiān)測(cè)信息管理與預(yù)警系統(tǒng)，將圍巖累計(jì)位移、速率及變化趨勢(shì)作為預(yù)警評(píng)判指標(biāo)，把變形速率為3、10 mm/d作為判定界限，累計(jì)位移為允許位移的1/3、2/3作為判定界限；宋志鵬等[31]在龍鼎隧洞施工中采用了相同的判定標(biāo)準(zhǔn)。劉大剛等[32]通過(guò)支護(hù)開(kāi)裂觀察、位移速率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，提出4個(gè)位移監(jiān)測(cè)管理水平，根據(jù)實(shí)測(cè)位移-時(shí)間時(shí)態(tài)曲線確定了各管理水平的位移控制基準(zhǔn)值。徐劍坤[33]提出用變形加速度(第一步)+變形量(第二步)+變形速率(第三步)綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的預(yù)警準(zhǔn)則，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明變形指標(biāo)能夠反映圍巖狀態(tài)及變化趨勢(shì)；類(lèi)似地，楊超等[34]提出了基于監(jiān)測(cè)量值變化速度特征的隧道圍巖穩(wěn)定動(dòng)態(tài)綜合評(píng)判模型的構(gòu)建方法和評(píng)判準(zhǔn)則。徐昌茂[35]建立了圍巖等級(jí)與拱頂下沉穩(wěn)定位移、周邊收斂穩(wěn)定位移、圍巖穩(wěn)定時(shí)間以及圍巖穩(wěn)定距離的關(guān)系，并根據(jù)開(kāi)挖工法和地質(zhì)情況給出了各判據(jù)指標(biāo)的建議值。孫振宇等[24]提出不良地質(zhì)大斷面隧道應(yīng)以變形加速度作為主要指標(biāo)，并給出了深埋和淺埋條件下圍巖變形加速度閾值的確定方法。

1.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)與應(yīng)用

圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要是對(duì)錨桿軸力的監(jiān)測(cè)。錨桿軸力的大小能夠有效地反映錨桿的受力特性和支護(hù)能力，并且監(jiān)測(cè)錨桿應(yīng)力變化可以獲取巖體變形特征，分析錨桿軸力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為了學(xué)術(shù)界和工程界常用的技術(shù)手段。

李鵬飛等[36]基于33座隧道68個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的282 根錨桿軸力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析指出錨桿軸力的大小與圍巖質(zhì)量等級(jí)密切相關(guān)。地下工程向著深部巖體發(fā)展，在工程實(shí)踐中常常會(huì)出現(xiàn)超經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的現(xiàn)象，劉寧等[37]通過(guò)對(duì)錦屏二級(jí)深埋隧洞監(jiān)測(cè)成果的分析發(fā)現(xiàn)，圍巖破壞時(shí)位移監(jiān)測(cè)量仍可能在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，此時(shí)變形監(jiān)測(cè)失去了預(yù)警的意義，而錨桿應(yīng)力計(jì)對(duì)圍巖狀態(tài)變化的敏感程度比多點(diǎn)位移計(jì)更高，更具有預(yù)警價(jià)值。圖3給出了錦屏二級(jí)水電站4#引水隧洞錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果[37]，由圖3可知：距洞壁2 m深度處的錨桿應(yīng)力最大，說(shuō)明淺部受力較大；錨桿應(yīng)力增長(zhǎng)經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)程。深埋隧洞中錨桿應(yīng)力計(jì)讀數(shù)變化既可能是圍巖結(jié)構(gòu)面變形的結(jié)果，還可能是圍巖破裂的結(jié)果，當(dāng)圍巖破裂占據(jù)主要地位時(shí)，深埋隧洞圍巖錨桿應(yīng)力計(jì)讀數(shù)更容易出現(xiàn)變化。

圖3 工程示例：錦屏二級(jí)水電站4#引水隧洞錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.3 聲學(xué)信息與應(yīng)用

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)——巖體損傷的主動(dòng)信息獲取手段。巖石在外界應(yīng)力作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能量集中現(xiàn)象，當(dāng)能量積聚到某一臨界值之后，就會(huì)引起巖體微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，伴隨著彈性波或者應(yīng)力波的釋放并在周?chē)鷰r體內(nèi)快速傳播，這種彈性波在地質(zhì)上稱(chēng)為聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)。國(guó)內(nèi)外研究證明，每一個(gè)聲發(fā)射事件都包含著巖石內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，對(duì)其進(jìn)行分析可以判斷巖石內(nèi)部裂紋演化過(guò)程和應(yīng)力場(chǎng)分布、轉(zhuǎn)移規(guī)律。采用聲發(fā)射技術(shù)能連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，揭示材料的變形和破壞過(guò)程，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)基礎(chǔ)研究和實(shí)際工程中[38-39]。圖4為錦屏二級(jí)水電站3#TBM掘進(jìn)過(guò)程中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)成果[40](圖中R為隧洞中心點(diǎn)到不同圈層的距離)，由圖4可見(jiàn)，在距洞壁9 m范圍內(nèi)發(fā)生了大量聲發(fā)射事件，意味著該范圍內(nèi)圍巖發(fā)生了損傷破裂。

圖4 工程示例：錦屏二級(jí)水電站3#引水隧洞聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位：m)

聲波檢測(cè)——巖體損傷的被動(dòng)信息獲取手段。巖石聲波檢測(cè)技術(shù)是一種將聲波發(fā)射到巖石中的人工方法。由于地質(zhì)條件的不均勻性、隧洞開(kāi)挖導(dǎo)致的圍巖狀態(tài)變化以及圍巖二次應(yīng)力分布不均勻性等，隧洞開(kāi)挖以后在斷面上進(jìn)行聲波測(cè)試可以獲得不同的波速變化。賴(lài)祖毫[41]利用聲波檢測(cè)技術(shù)通過(guò)礦柱內(nèi)部聲波波速的變化和波形的變化預(yù)測(cè)采空區(qū)礦柱的破壞位置；劉寧等[37]在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞不同斷面上進(jìn)行了聲波測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果表明測(cè)孔低波速帶在斷面上的深度平均值與錨桿應(yīng)力變化突出深度范圍相吻合；張玉柱[42]針對(duì)巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖爆破損傷區(qū)聲波檢測(cè)，建立了基于縱波上升時(shí)間變化率的巖體損傷判據(jù)。

以上所述圍巖位移、應(yīng)力、聲學(xué)等監(jiān)測(cè)量的失穩(wěn)判據(jù)具有普適性、可操作性，但是具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)很大程度上依靠工程類(lèi)比和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)給出，且受到工程布置、隧洞規(guī)模等多因素的影響，監(jiān)測(cè)和測(cè)試信息的豐富程度、代表性和客觀性以及數(shù)據(jù)處理的合理性，決定了專(zhuān)家決策的有效性。需要在規(guī)范建議的基礎(chǔ)上具體問(wèn)題具體分析，保證地下工程施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定與人員安全。

1.4 圍巖質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)

圍巖質(zhì)量分級(jí)是地下工程設(shè)計(jì)論證和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)階段的必要工作[43]。鄭穎人等[44]指出，必須做好理論、勘察和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的圍巖分級(jí)工作，為解決隧道穩(wěn)定分析中的不確定性提供較為科學(xué)合理的圍巖力學(xué)參數(shù)。

現(xiàn)行《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[45]采用綜合指標(biāo)BQ法，其以巖石堅(jiān)硬程度及其完整程度這兩個(gè)因素綜合考慮圍巖質(zhì)量，每個(gè)因素分別通過(guò)定性和定量判定圍巖級(jí)別。此外，還有水電圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)[46]、RMR系統(tǒng)[47]、Q系統(tǒng)[48]和GSI系統(tǒng)[49]等眾多圍巖分級(jí)方法。眾多科研人員和工程師對(duì)圍巖分級(jí)方法進(jìn)行完善、改進(jìn)和綜合利用，如就某種方法做“本地化”調(diào)整，加大關(guān)鍵影響因素的權(quán)重，確保指導(dǎo)工程的有效性。

對(duì)于深埋隧洞，前期勘察工作不可能獲得詳盡準(zhǔn)確的地質(zhì)信息(但可以指導(dǎo)大的設(shè)計(jì)方向)，而在施工建設(shè)中，實(shí)時(shí)判定掌子面圍巖質(zhì)量情況非常重要，該工作可以及時(shí)指導(dǎo)工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)(調(diào)整施工進(jìn)度和支護(hù)措施)，其與圍巖失穩(wěn)判據(jù)一樣起到保障施工安全、預(yù)防圍巖失穩(wěn)的作用。即通過(guò)實(shí)時(shí)判定掌子面圍巖級(jí)別，保障施工中圍巖的穩(wěn)定和安全，形成“檢測(cè)-調(diào)整-施工-檢測(cè)”的動(dòng)態(tài)循環(huán)[50]。

殷明倫[51]制定了施工過(guò)程中圍巖分級(jí)動(dòng)態(tài)判定程序，通過(guò)組織專(zhuān)門(mén)人員(按施工方法進(jìn)度具體要求)判定掌子面圍巖狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)，其思路整理后如圖5所示。此外，牛文林[52]開(kāi)發(fā)了基于信息網(wǎng)絡(luò)的圍巖分級(jí)平臺(tái)，試圖在信息系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)圍巖級(jí)別的定量判別以及智能定性判別，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的信息化管理。

圖5 施工圍巖分級(jí)動(dòng)態(tài)判定示意圖

2 理論/數(shù)值計(jì)算判據(jù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析的重要手段。數(shù)值計(jì)算方法提供了豐富的本構(gòu)模型，強(qiáng)大的計(jì)算能力不僅可以解決各種復(fù)雜洞形的圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析問(wèn)題，而且可以模擬各種支護(hù)方案的有效性以及不同施工步驟對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響等。數(shù)值計(jì)算方法按照計(jì)算原理可分為連續(xù)介質(zhì)分析法(有限元法、邊界單元法、快速拉格朗日差分法等)和非連續(xù)介質(zhì)分析法(離散元法、非連續(xù)變形分析法等)。圍巖穩(wěn)定分析方法包括強(qiáng)度準(zhǔn)則、突變理論、強(qiáng)度折減、可靠度分析等，與之相關(guān)的圍巖失穩(wěn)判據(jù)可劃分為位移類(lèi)判據(jù)、強(qiáng)度類(lèi)判據(jù)、能量類(lèi)判據(jù)以及可靠度指標(biāo)等。

理論/數(shù)值計(jì)算圍巖失穩(wěn)的研究框架如圖6所示，圖6明確了理論/數(shù)值計(jì)算判據(jù)與支撐理論方法、數(shù)值計(jì)算方法的關(guān)系，各類(lèi)判據(jù)可以與不同的理論方法相結(jié)合，不同理論方法之間也可以綜合運(yùn)用。

圖6 理論/數(shù)值計(jì)算失穩(wěn)判據(jù)的基本框架

2.1 理論與方法

2.1.1 強(qiáng)度準(zhǔn)則簡(jiǎn)介

強(qiáng)度準(zhǔn)則表征巖石破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)和巖石強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，一般可以表示為極限應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力間的關(guān)系方程，不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則有各自的屈服條件。根據(jù)強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，最典型的是Mohr-Coulomb[53]、Drucker-Prager[54]、Hoek-Brown[55]等準(zhǔn)則的應(yīng)用。

范磊等[56]基于數(shù)值計(jì)算方法對(duì)比分析了Mohr-Coulomb和Drucker-Prager兩種強(qiáng)度準(zhǔn)則下的直墻拱形巷道圍巖變形破壞特征及其規(guī)律的相似性和差異性。朱永生等[57]系統(tǒng)地討論了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和取值結(jié)果的特點(diǎn)，指出基于其的巖體力學(xué)參數(shù)取值方法更全面地考慮了地質(zhì)因素的多樣性及其導(dǎo)致力學(xué)參數(shù)取值的差異性，通過(guò)深埋巖體的工程實(shí)踐，指出Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則比傳統(tǒng)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論取值方法更合理。張春生等[58]依托白鶴灘水電站工程，論證了利用Hoek-Brown本構(gòu)模型進(jìn)行玄武巖峰后脆性、擴(kuò)容力學(xué)行為描述的適用性。

2.1.2 強(qiáng)度折減法簡(jiǎn)介

1975年，英國(guó)科學(xué)家[59]提出了有限元強(qiáng)度折減法和超載法。有限元強(qiáng)度折減法首先在邊坡、地基等工程中得到廣泛應(yīng)用[60]。鄭穎人等[61]將有限元強(qiáng)度折減法引入隧道圍巖穩(wěn)定分析中，用來(lái)求解圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)還可以獲得圍巖的破壞面位置與形態(tài)。該方法是在數(shù)值計(jì)算中通過(guò)不斷折減巖土強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦因數(shù)tanφ)，直至巖體達(dá)到破壞，此時(shí)巖體強(qiáng)度降低的倍數(shù)(即折減系數(shù))就是安全系數(shù)。按摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，強(qiáng)度折減安全系數(shù)ω可以定義為：

τ=(c+σtanφ)/ω=c′+σtanφ′；

(1)

c′=c/ω, tanφ′=tanφ/ω。

(2)

進(jìn)一步地，由于失穩(wěn)過(guò)程中黏聚力和內(nèi)摩擦角折減速率不同，相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步提出雙參數(shù)強(qiáng)度折減法，對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角分別選取不同的折減系數(shù)進(jìn)行折減。ISAKOV A等[62]提出了最短路徑強(qiáng)度折減法，王薇等[63]、孫景來(lái)[64]在隧洞圍巖穩(wěn)定分析中考慮了兩個(gè)參數(shù)不同的折減速率，提高了計(jì)算精度。陳國(guó)慶等[65]基于強(qiáng)度折減法提出大型地下廠房圍巖劣化折減計(jì)算方法，建立了圍巖位移變形的動(dòng)態(tài)預(yù)警體系。強(qiáng)度折減法常常與位移突變失穩(wěn)判據(jù)相結(jié)合，計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)，在地下工程數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用十分廣泛[66-68]。

2.1.3 突變理論簡(jiǎn)介

突變理論于20世紀(jì)60年代由法國(guó)數(shù)學(xué)家Rene Thom提出，后由其他學(xué)者改進(jìn)和發(fā)展，逐漸形成了突變理論的數(shù)學(xué)邏輯。突變理論用來(lái)描述系統(tǒng)中變量從連續(xù)的逐漸變化導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)的突然變化，最常用的是尖點(diǎn)突變模型。在圍巖穩(wěn)定分析中，把圍巖失穩(wěn)看作一種突發(fā)破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為力學(xué)變形的不確定性、本構(gòu)關(guān)系的非線性和破壞過(guò)程中的突變性。

黃潤(rùn)秋等[69]首次較為全面地總結(jié)了突變理論在地質(zhì)工程分析中的步驟，并具體分析了地下洞室工程的失穩(wěn)臨界條件公式。概括地，突變理論在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析中的步驟是：首先，通過(guò)力學(xué)模型建立系統(tǒng)勢(shì)函數(shù)尖點(diǎn)突變的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)形式；然后，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生突變的條件和分叉集方程，求得系統(tǒng)失穩(wěn)的充要條件。近年來(lái)，相關(guān)研究與推導(dǎo)一般都是基于這樣的步驟和框架。

建立系統(tǒng)勢(shì)函數(shù)可以運(yùn)用多種判據(jù)形式，最后可以結(jié)合強(qiáng)度折減系數(shù)法確定安全系數(shù)。如：祝云華等[70]根據(jù)總勢(shì)能原理建立了隧道失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型，最后根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面位移突變閥值判別深埋隧道圍巖的穩(wěn)定性；姚仲濤[71]基于突變理論建立了洞周最大位移、應(yīng)變能、塑性耗散能和熵圍巖失穩(wěn)判據(jù)；穆成林等[20]建立了層狀圍巖彎折失穩(wěn)破壞的尖點(diǎn)突變模型，推導(dǎo)得出系統(tǒng)失穩(wěn)的外力判據(jù)；蘇永華等[72]將強(qiáng)度折減法和突變理論結(jié)合，給出Ⅱ級(jí)圍巖隧道自穩(wěn)能力系數(shù)。突變理論計(jì)算流程及其在圍巖穩(wěn)定分析中的應(yīng)用如圖7所示。

圖7 突變理論計(jì)算流程及其在圍巖穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

2.1.4 可靠度理論簡(jiǎn)介

可靠度分析是采用概率指標(biāo)衡量結(jié)構(gòu)可靠性的方法。借鑒數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率方法研究地下工程中不確定性因素并估計(jì)其影響，當(dāng)失效概率值在一定范圍內(nèi)時(shí)可認(rèn)為圍巖穩(wěn)定。求解可靠度的主要方法有直接積分法、蒙特卡洛模擬法、隨機(jī)有限元法、矩法等近似方法及響應(yīng)面法等間接方法。

郭健[73]通過(guò)數(shù)值計(jì)算求得的圓形隧道圍巖位移解析解，以洞頂沉降位移作為圍巖失穩(wěn)判據(jù)，建立圍巖變形穩(wěn)定功能函數(shù)，通過(guò)響應(yīng)面和一次二階矩法計(jì)算了圍巖變形穩(wěn)定可靠指標(biāo)；此外，文獻(xiàn)[74-77]均應(yīng)用可靠度分析方法研究圍巖穩(wěn)定問(wèn)題，根據(jù)相關(guān)研究，整理出可靠度計(jì)算流程，如圖8所示。

圖8 可靠度計(jì)算流程及其在圍巖穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

2.2 判據(jù)類(lèi)型

2.2.1 位移類(lèi)判據(jù)

數(shù)值計(jì)算中廣泛把位移突變或極限位移作為圍巖失穩(wěn)判據(jù)。數(shù)值極限分析中，例如：在某荷載下，位移曲線后段保持水平，則表明模型未破壞，當(dāng)荷載增大至一定程度后，位移曲線后段突然增大，此時(shí)計(jì)算不收斂，判定模型破壞，進(jìn)而就可以確定極限荷載的大小[78]；類(lèi)似地，姚仲濤[71]、孫景來(lái)[64]、蘇永華等[67,72]在確定安全系數(shù)時(shí)，都以數(shù)值計(jì)算中位移發(fā)生突變作為圍巖失穩(wěn)判據(jù)。此外，張鵬等[79]還結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)建立了隧洞頂拱位移與塑性區(qū)、松動(dòng)區(qū)半徑大小的關(guān)系式，提出了襯砌施作時(shí)機(jī)的收斂位移監(jiān)測(cè)判據(jù)，等等。

2.2.2 強(qiáng)度類(lèi)判據(jù)

當(dāng)數(shù)值計(jì)算中彈塑性分析得出的塑性區(qū)貫通或大于極限塑性區(qū)時(shí)，即可認(rèn)為圍巖失穩(wěn)。徐文煥[80]、關(guān)寶樹(shù)[81]通過(guò)圍巖塑性區(qū)的面積大小判別圍巖穩(wěn)定性，即塑性區(qū)超過(guò)開(kāi)挖直徑的20%則判為不穩(wěn)定；朱維申等[82]針對(duì)大型地下硐室，以塑性區(qū)是否貫通判據(jù)為準(zhǔn)則，延伸提出若干穩(wěn)定判別指標(biāo)，如彈塑性位移比值、塑性區(qū)與硐室截面比值等；HOEK E[83]給出支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性的判斷方法，當(dāng)塑性區(qū)在錨桿支護(hù)范圍內(nèi)時(shí)判定圍巖穩(wěn)定。

此外，圍巖塑性區(qū)的形狀也可以用來(lái)評(píng)價(jià)圍巖破壞形式與損傷程度，文獻(xiàn)[84-85]研究了塑性區(qū)失穩(wěn)形態(tài)，利用形態(tài)系數(shù)表征塑性區(qū)形態(tài)特征，以此判別圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 能量類(lèi)判據(jù)

能量類(lèi)判據(jù)包括塑性耗散能、應(yīng)變能和熵等。圍巖的崩塌失穩(wěn)本身就是能量的一種釋放。深部工程常見(jiàn)的巖爆問(wèn)題，就是巖體承載能量積聚成應(yīng)變能，巖體發(fā)生脆性斷裂，短時(shí)釋放出巨大能量。

塑性耗散能表征塑性區(qū)能量(塑性應(yīng)力對(duì)應(yīng)變做功)的變化；應(yīng)變能表征圍巖裂隙變形對(duì)外做功產(chǎn)生能量；熵是表征圍巖系統(tǒng)中能量分布的混亂程度(圍巖擾動(dòng)過(guò)程中單元的應(yīng)變能分布趨向差異化)。具體應(yīng)用上，典型如姚仲濤[71]基于突變理論，把各能量判據(jù)作為狀態(tài)變量的勢(shì)函數(shù)求解突變特征值，確定了圍巖失穩(wěn)發(fā)生時(shí)所在的開(kāi)挖步。

3 討論

監(jiān)測(cè)量圍巖失穩(wěn)判據(jù)主要運(yùn)用在地下工程施工建設(shè)期，在工程運(yùn)行與維護(hù)期也需要對(duì)洞周位移、沉降變形、錨桿應(yīng)力等進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；數(shù)值計(jì)算判據(jù)主要應(yīng)用在地下工程設(shè)計(jì)論證期以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)期，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、變更設(shè)計(jì)等提供技術(shù)支持。

圍巖失穩(wěn)監(jiān)測(cè)量判據(jù)以及數(shù)值計(jì)算中衍生出的大部分指標(biāo)，其人為經(jīng)驗(yàn)性取值不可避免。在地下工程建設(shè)中，過(guò)多的人為經(jīng)驗(yàn)判斷可能會(huì)大大增加整個(gè)工程安全問(wèn)題的不確定性。因此，監(jiān)測(cè)量判據(jù)的運(yùn)用，一方面需要更加先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段和檢測(cè)設(shè)備，另一方面更需要來(lái)自巖石力學(xué)的新理論、新發(fā)現(xiàn)的支持。

數(shù)值計(jì)算判據(jù)存在局限性：首先是數(shù)值模擬計(jì)算的精度問(wèn)題，數(shù)值計(jì)算存在一系列假設(shè)和理想化假定，不同的計(jì)算方法將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不統(tǒng)一，常常需要結(jié)合物理模型或工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演、修正和數(shù)據(jù)評(píng)估；其次是數(shù)值分析判據(jù)雖然可以驗(yàn)證某些理論和方法的有效性，能在設(shè)計(jì)論證期以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)期為工程提供技術(shù)依據(jù)，但工程施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，地下工程施工現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)、不同缺陷尺度的地質(zhì)災(zāi)害，這可能導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果在指導(dǎo)工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中發(fā)揮的作用很有限，也給地下工程數(shù)值仿真計(jì)算提出更高的要求。實(shí)際工程中需要綜合利用圍巖監(jiān)測(cè)與物探檢測(cè)等手段，綜合分析判定圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

4 展望

巖石材料在受力過(guò)程中一般經(jīng)過(guò)彈性、塑性、應(yīng)變軟化、殘余塑性等階段，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為峰前與峰后兩大部分。峰前區(qū)的巖石力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，可采用經(jīng)典彈塑性理論來(lái)描述其力學(xué)行為；而在峰后區(qū)，其后繼屈服面隨塑性變形的累加而不斷變化，具有應(yīng)變軟化特性，一般處于非穩(wěn)定狀態(tài)，其力學(xué)行為較為復(fù)雜而難以用經(jīng)典強(qiáng)度理論來(lái)描述。

HOEK E[83]總結(jié)了巖石峰后力學(xué)行為曲線的3種模式，如圖9所示。其中，三線性軟化本構(gòu)模型OBC將巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化為峰前彈性階段、峰后應(yīng)變軟化階段與殘余階段等3條直線來(lái)表示；盧允德等[86]基于巖石常規(guī)三軸壓縮全過(guò)程試驗(yàn)，提出了峰前雙線性彈性本構(gòu)模型OABC(圖9)；孟慶彬[87]將A點(diǎn)作為體積應(yīng)變最大壓縮點(diǎn)(圖9)，建立了極弱膠結(jié)巖體的本構(gòu)模型；若將A點(diǎn)視為擴(kuò)容起始強(qiáng)度，根據(jù)王宇等[88]的研究，A點(diǎn)強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的70%(圖9)；胡云華[89]提出了峰前四線段非線性彈性本構(gòu)模型，用來(lái)描述花崗巖峰前的非線性力學(xué)行為。

圖9 巖石材料應(yīng)力-應(yīng)變的3種關(guān)系模式

巖石材料的3種應(yīng)力-應(yīng)變模式中，與真實(shí)情況最為貼合的是應(yīng)變軟化模式，但是應(yīng)變軟化模式將材料峰后損傷過(guò)程簡(jiǎn)化為一條線性曲線，一定程度上忽視了巖石材料在峰值階段的承載性能。理論研究與實(shí)踐證明，巖石材料的承載能力不是像應(yīng)變軟化曲線一樣均勻下降，而是存在隨著損傷的逐步發(fā)展，承載能力不發(fā)生顯著下降的過(guò)程，即只有當(dāng)損傷發(fā)展且累積到一定程度后，材料的承載能力才發(fā)生顯著變化。因此，探究巖石材料/巖體結(jié)構(gòu)/圍巖的“受荷-持荷-破裂/失穩(wěn)”力學(xué)特性，對(duì)深入理解巖石材料/巖體結(jié)構(gòu)的階段性損失過(guò)程、指導(dǎo)地下工程圍巖安全控制具有重要意義。

5 圍巖安全控制系統(tǒng)圖譜

巖石力學(xué)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷史，它從經(jīng)驗(yàn)理論發(fā)展到經(jīng)典理論，從連續(xù)介質(zhì)理論發(fā)展到非連續(xù)介質(zhì)理論。如今，巖石力學(xué)發(fā)展到用更為復(fù)雜的計(jì)算力學(xué)模型分析問(wèn)題，也更加重視用系統(tǒng)論方法研究巖石力學(xué)與工程，人們的認(rèn)識(shí)在研究與實(shí)踐中不斷進(jìn)步與更新?，F(xiàn)代巖石力學(xué)理論認(rèn)為：由于巖石和巖體結(jié)構(gòu)及其賦存條件的復(fù)雜性和多變性，巖石力學(xué)既不能完全套用傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)理論，也不能完全依靠傳統(tǒng)地質(zhì)力學(xué)理論，而必須把巖石工程看成是一個(gè)“人-地”系統(tǒng)，用系統(tǒng)論的方法進(jìn)行巖石力學(xué)與工程的研究。系統(tǒng)論強(qiáng)調(diào)復(fù)雜事物的層次性、多因素性及相互關(guān)聯(lián)和相互作用特征，并認(rèn)為人類(lèi)認(rèn)識(shí)是多源的，是多源知識(shí)的綜合集成。

在地下工程建設(shè)中，圍巖安全控制與管理是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其技術(shù)核心就是圍巖失穩(wěn)判據(jù)。技術(shù)核心(Core Technology)是一個(gè)管理學(xué)概念，圍巖失穩(wěn)判據(jù)作為地下工程建設(shè)圍巖安全控制的技術(shù)核心，它需要被有效地確定、運(yùn)用和管理，才能發(fā)揮最大的技術(shù)效益。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，如何用一個(gè)明確的方法框架去描述呢？錢(qián)學(xué)森等[90]曾給出開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及綜合集成方法論，指出開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)存在于自然界、人自身以及人類(lèi)社會(huì)，它是一個(gè)描述和認(rèn)識(shí)復(fù)雜問(wèn)題的哲學(xué)方法。本文采用綜合集成方法論描述地下工程建設(shè)中圍巖的安全控制問(wèn)題，結(jié)合地下工程圍巖穩(wěn)定控制的工程實(shí)際，給出地下工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)圖譜，如圖10所示。

圖10 基于綜合集成方法論的地下工程建設(shè)圍巖安全控制系統(tǒng)圖譜

圖10表明：在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，在綜合分析工程地質(zhì)和設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論知識(shí)、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、物理試驗(yàn)以及數(shù)值模擬計(jì)算，給出圍巖穩(wěn)定控制的管理閾值水平等更多預(yù)判信息；在施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)節(jié)，布置和安裝施工圍巖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和預(yù)警系統(tǒng)，在施工執(zhí)行的同時(shí)，進(jìn)行掌子面圍巖的檢測(cè)與判定等，綜合以上信息實(shí)時(shí)進(jìn)行決策與工程管理，對(duì)圍巖支護(hù)策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。地下工程安全管理的預(yù)判信息可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是很可能發(fā)生的情況，通過(guò)工程優(yōu)化布置或者合理的工程措施進(jìn)行處理和有效控制；另一類(lèi)是發(fā)生概率較低但關(guān)系重大的情況，如出現(xiàn)惡性巖爆、大面積塌方、突泥突水等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，要提前準(zhǔn)備詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案，以便及時(shí)解決問(wèn)題，并且慎重評(píng)估災(zāi)后圍巖穩(wěn)定能力，選取合理的時(shí)機(jī)進(jìn)場(chǎng)復(fù)工，嚴(yán)格避免次生災(zāi)害的發(fā)生。

圍巖失穩(wěn)判據(jù)的獲取、確定與運(yùn)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，與工程整個(gè)建設(shè)周期各個(gè)環(huán)節(jié)息息相關(guān)。本文給出的地下工程建設(shè)圍巖安全控制系統(tǒng)圖譜，有利于明確對(duì)圍巖安全控制的系統(tǒng)性科學(xué)認(rèn)識(shí)，提高地下工程設(shè)計(jì)施工的技術(shù)管理和決策水平。

6 結(jié)論

1)將圍巖失穩(wěn)判據(jù)歸納為監(jiān)測(cè)量判據(jù)和理論/數(shù)值計(jì)算判據(jù)兩大類(lèi)，梳理了各類(lèi)相關(guān)概念的關(guān)系。監(jiān)測(cè)量判據(jù)包含多種現(xiàn)場(chǎng)信息，如位移、應(yīng)力、聲學(xué)信息以及掌子面圍巖質(zhì)量動(dòng)態(tài)檢測(cè)等，閾值水平一般根據(jù)具體工程實(shí)際以及圍巖穩(wěn)定分析計(jì)算給出的預(yù)判信息進(jìn)行確定，主要被運(yùn)用在地下工程施工建設(shè)期；理論/數(shù)值計(jì)算判據(jù)以理論/數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ)，包含位移類(lèi)、強(qiáng)度類(lèi)、能量類(lèi)等判據(jù)類(lèi)型，一般結(jié)合強(qiáng)度理論、突變理論、可靠度理論、強(qiáng)度折減法等進(jìn)行運(yùn)用，為地下工程設(shè)計(jì)論證或動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)期提供技術(shù)支持。

2)圍巖失穩(wěn)的監(jiān)測(cè)量判據(jù)以及數(shù)值計(jì)算中提出的某些臨界指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)性取值的情況不可避免，過(guò)多的人為經(jīng)驗(yàn)判斷可能會(huì)大大增加整個(gè)工程安全風(fēng)險(xiǎn)的不確定性；理論和數(shù)值計(jì)算存在一定局限性，一是計(jì)算的精度問(wèn)題，二是數(shù)值分析判據(jù)與地下工程施工中危險(xiǎn)的難以預(yù)見(jiàn)性存在矛盾，實(shí)際工程中還需綜合利用圍巖安全監(jiān)測(cè)和物探等手段，綜合分析判定圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

3)指出了巖石峰后應(yīng)變軟化模式的局限性：一定程度上忽視了巖石材料在峰值階段的承載性能。巖石材料的承載能力不像應(yīng)變軟化曲線走勢(shì)一樣均勻下降，而是存在隨著損傷的逐步發(fā)展，承載能力不發(fā)生顯著下降的過(guò)程。只有當(dāng)損傷發(fā)展且累積到一定程度后，材料的承載能力才發(fā)生顯著變化。探究承載能力發(fā)生顯著下降的臨界時(shí)刻對(duì)認(rèn)識(shí)巖石材料承載-損傷特性、指導(dǎo)地下工程圍巖安全控制具有重要意義。

4)基于綜合集成方法論，描述了地下工程建設(shè)圍巖安全控制的技術(shù)系統(tǒng)。以圍巖失穩(wěn)判據(jù)為技術(shù)核心，構(gòu)建了地下工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中圍巖安全控制的系統(tǒng)圖譜，明確了地下工程建設(shè)圍巖安全控制的系統(tǒng)性技術(shù)結(jié)構(gòu)，有利于提高地下工程建設(shè)管理和決策水平。