基于圍巖虛擬支護(hù)力特性的隧道塌方機(jī)制及控制研究

李 奧，張頂立，孫振宇，董 飛，黃 俊

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇省水下隧道綠色智慧技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210019；2.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

0 引言

隧道施工過程中，突水突泥、洞口塌方、洞內(nèi)塌方、火工品爆炸等是主要的工程災(zāi)害類型，其中塌方是占比最大的災(zāi)害類型(62%)[1-2]。隧道塌方事故一旦發(fā)生，將對隧道工程建設(shè)安全構(gòu)成極大威脅，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[3-4]。目前相關(guān)學(xué)者已經(jīng)針對塌方原因和分類進(jìn)行了大量的研究。竇萬和[5]統(tǒng)計(jì)了117個(gè)隧道塌方實(shí)例，得出散體結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)是隧道塌方的主要巖體結(jié)構(gòu)。鄭玉欣[6]調(diào)查分析了1 050座隧道的塌方資料，總結(jié)塌方的主要原因?yàn)椴涣嫉刭|(zhì)體、地下水、地壓和施工設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?，并根?jù)塌方形態(tài)將塌方歸納為拱形塌方、局部塌方、大變形隧道塌方、異形塌方和膨脹巖塌方等。何曉東[7]指出隧道塌方主要是由地質(zhì)條件差、地下水和不規(guī)范施工等因素造成的，并提出了軟巖隧道塌方主要形式有拱形塌方、塌穿型塌方和V型塌方。汪成兵[8]統(tǒng)計(jì)分析了108例隧道塌方事故，將隧道塌方分為拱形塌方、局部塌方和塌穿型塌方3類，指出地質(zhì)條件差引起的塌方占比最大。王毅才[9]將隧道塌方分為局部塌方、拱形塌方、異型塌方、膨脹巖隧道塌方和巖爆5類。王迎超[3]綜合考慮塌方發(fā)生的縱向、橫向位置以及工程地質(zhì)條件等因素，提出了山嶺隧道塌方層次分類方法。侯艷娟等[10]將隧道塌方事故歸納為圍巖失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失效和環(huán)境失調(diào)3種主要類型。

從現(xiàn)有的研究成果可以看出，雖然不同的工程地質(zhì)條件下，隧道塌方的影響因素各不相同，但軟弱破碎圍巖和地下水是隧道塌方的最主要因素。同時(shí)塌方事故在空間位置、安全性影響、形成機(jī)制及防治措施方面存在較大差異，使得當(dāng)前隧道塌方研究多集中在具體事故原因分析及處治措施，缺少從共性的圍巖力學(xué)特性層面對隧道塌方問題進(jìn)行研究。不同空間位置的圍巖失穩(wěn)所引發(fā)的隧道塌方事故類型不盡相同，其對隧道施工的安全性影響也差異較大，因此必須明確不同空間位置圍巖失穩(wěn)的特點(diǎn)，進(jìn)一步揭示圍巖失穩(wěn)誘發(fā)的隧道塌方事故的危害程度、典型模式及其演化機(jī)制，從而為圍巖穩(wěn)定性控制提供依據(jù)，確保隧道施工安全。

本文基于塌方案例統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，闡明了隧道塌方安全事故的基本特征，揭示了隧道開挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方2類典型安全事故的特征；將圍巖的縱向變形曲線和圍巖特征曲線進(jìn)行耦合，得到隧道虛擬支護(hù)力縱向分布曲線，進(jìn)一步揭示虛擬支護(hù)力與開挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方的關(guān)系，并給出塌方事故的控制要求。本文將從圍巖應(yīng)力釋放角度為隧道塌方安全事故的孕育和演化機(jī)制的理論研究提供借鑒。

1 隧道塌方安全事故統(tǒng)計(jì)分析

1.1 隧道塌方安全事故特征

統(tǒng)計(jì)1985—2017年國內(nèi)96例山嶺隧道塌方事故[7-11]，得出隧道跨度、圍巖級別與隧道塌方次數(shù)所占比值的關(guān)系圖以及隧道跨度與圍巖級別之間的關(guān)系圖，如圖1所示。從圖 1(a)可以看出：當(dāng)隧道跨度小于15 m時(shí)，隨著隧道開挖跨度的增大，塌方事故逐漸增多；隧道跨度小于7 m時(shí)塌方次數(shù)僅占總塌方次數(shù)的6%，隧道跨度大于10、12、15 m時(shí)塌方次數(shù)占比分別為77%、46%、12%?！惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]鐵路隧道跨度分級說明表中提出隧道跨度12～14 m或開挖斷面面積110～140 m2為大斷面隧道。由圖1可知，大斷面隧道的塌方次數(shù)最多，塌方風(fēng)險(xiǎn)最大。當(dāng)隧道開挖跨度大于15 m時(shí)，塌方次數(shù)有所下降，其主要原因是：超大斷面隧道多采用分部開挖，客觀上減小了隧道單次開挖跨度及塌方風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，設(shè)計(jì)施工人員思想上對超大斷面隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)也更加重視，使得高性能支護(hù)措施得以系統(tǒng)采用。

從圖1(b)可以看出，隧道塌方大部分發(fā)生于Ⅳ、Ⅴ級圍巖或更差的地層中(占比85%)，其中Ⅴ級圍巖隧道塌方次數(shù)占比最大為43%，Ⅱ、Ⅲ級圍巖隧道塌方次數(shù)較少，占比之和僅為15%，因此軟弱破碎圍巖地層也是隧道塌方安全事故高發(fā)區(qū)域。

從圖1(c)和(d)可以看出，發(fā)生隧道塌方事故的隧道跨度與圍巖級別分布較為集中，大部分?jǐn)?shù)值處于箱線圖中上四分位數(shù)(Q3)與下四分位數(shù)(Q1)之間；同時(shí)隧道塌方區(qū)和安全區(qū)之間存在明顯的跨度分界線，即不同圍巖級別下隧道能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)的最大跨度，圍巖越差時(shí)，其圍巖本身所能允許的隧道開挖跨度越小。然而，隧道工程建設(shè)中，不可避免地會(huì)在Ⅴ級或者更差的圍巖條件下開挖超過其允許跨度的隧道，這就使得軟弱破碎圍巖地層條件下大斷面隧道開挖過程中隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)加劇，其塌方安全性問題也尤為突出。

(a)隧道跨度與塌方次數(shù)的關(guān)系

1.2 隧道塌方安全事故類型

隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道安全事故次數(shù)有所增加，傷亡人數(shù)也逐漸增多，匯總得到2009—2014年鐵路隧道安全事故數(shù)量及傷亡情況統(tǒng)計(jì)(見圖2)和各類型安全事故統(tǒng)計(jì)(見圖3)。分析可得：統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)發(fā)生鐵路隧道安全事故44起，其中，開挖面失穩(wěn)塌方事故19起(43%)，關(guān)門塌方事故11起(25%)，其他事故14起(32%)。開挖面失穩(wěn)塌方事故、關(guān)門塌方事故的根本原因是圍巖自穩(wěn)能力差或圍巖-支護(hù)作用關(guān)系失調(diào)等引發(fā)的圍巖失穩(wěn)，而交通事故、火工品爆炸等其他事故與圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)等關(guān)系較小，且隨機(jī)性極強(qiáng)。本文的研究對象是與隧道圍巖及支護(hù)相關(guān)的隧道安全性問題，同時(shí)考慮到隧道拱頂部位塌方的危害性較大，而隧道拱頂位置出現(xiàn)塌方的情況多為開挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方。因此，開挖面失穩(wěn)和關(guān)門塌方2類由圍巖失穩(wěn)引發(fā)的塌方事故是隧道安全事故的主要類型(68%)。

(a)事故數(shù)

由圖3可以看出：44起安全事故中涉險(xiǎn)210人，死亡145人，其中，關(guān)門塌方死亡24人(16.5%)，開挖面失穩(wěn)塌方死亡54人(37.2%)，其他事故死亡67人(46.3%)；開挖面失穩(wěn)和關(guān)門塌方2類由圍巖和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引發(fā)的塌方事故在人員死亡(53.7%)和人員涉險(xiǎn)(68%)方面占比較大。其中，關(guān)門塌方事故涉險(xiǎn)人員最多，占事故涉險(xiǎn)人員總數(shù)的42%，單次事故涉險(xiǎn)人數(shù)也最多(8人)。關(guān)門塌方事故人員傷亡的潛在危害性較大，如果隧道塌方后救援不力使得人員被困時(shí)間過長，則可能造成事故的死亡人數(shù)增多。

(a)事故次數(shù)

隧道開挖面失穩(wěn)塌方(見圖4(a))和關(guān)門塌方事故(見圖4(b))在塌方原因、塌方位置和安全性上均有所差異。

(a)隧道開挖面失穩(wěn)塌方

1)開挖面失穩(wěn)塌方事故表現(xiàn)為開挖面前方圍巖侵入隧道開挖面界限，其原因是開挖面圍巖自穩(wěn)能力差，在無超前支護(hù)或超前支護(hù)不足的情況下，造成開挖面前方圍巖產(chǎn)生破壞，進(jìn)而引發(fā)隧道開挖面失穩(wěn)塌方。開挖面失穩(wěn)塌方后將直接威脅隧道施工開挖面施工機(jī)械設(shè)備及施工人員人身安全，必須采取超前支護(hù)和加固措施，確保開挖面穩(wěn)定，從而為后續(xù)施工提供安全的工作面。

2)關(guān)門塌方事故表現(xiàn)為開挖面保持穩(wěn)定，但開挖面后方一定位置處的拱頂塌方，其原因是開挖面后方拱頂處的圍巖在開挖完成后未得到有效支護(hù)，使得圍巖變形和松弛增大，直至失穩(wěn)垮落進(jìn)入隧道。關(guān)門塌方發(fā)生后塌方體將會(huì)對開挖區(qū)域進(jìn)行封堵，使得開挖區(qū)域的人員無法逃離，極大地威脅隧道洞內(nèi)施工人員人身安全，因此必須采取及時(shí)有效的支護(hù)措施，確保隧道拱頂安全。

3)從隧道的塌方安全性來看，開挖面失穩(wěn)塌方事故的圍巖參數(shù)更弱，塌方危險(xiǎn)性也更大，如果控制不當(dāng)，其危害和處治難度均很大。

2 隧道圍巖虛擬支護(hù)力推導(dǎo)

隧道開挖以后，隨著圍巖虛擬支護(hù)力逐漸降低，伴隨著圍巖變形逐漸增大，圍巖將經(jīng)歷彈性、塑性和失穩(wěn)的過程。軟弱破碎圍巖隧道塌方往往與圍巖變形時(shí)空演化特征緊密相關(guān)，正確理解隧道圍巖虛擬支護(hù)力的釋放過程，對于隧道塌方的預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全性控制具有重要的意義。

2.1 隧道虛擬支護(hù)力模型

由于隧道開挖面存在一定的支撐作用力，使得圍巖的彈塑性變形得不到充分釋放，圍巖應(yīng)力重分布也不能迅速完成，且不同斷面處開挖面支撐作用力隨著與開挖面距離的增大而逐步地釋放直至完成。隧道虛擬支護(hù)力模型[13]如圖5所示。在開挖面前方較遠(yuǎn)處，圍巖受開挖效應(yīng)的影響可以忽略，圍巖應(yīng)力釋放率αi=0，虛擬支護(hù)力等于原巖應(yīng)力，在開挖面前方一定范圍內(nèi)，圍巖開始受到開挖擾動(dòng)影響，虛擬支護(hù)力逐漸釋放，至開挖面后方一定距離處，虛擬支護(hù)力將釋放完畢(αi=1)。

(a)pi=0 (b)pi=(1-αi)p0 (c)pi=p0

圍巖的應(yīng)力釋放必將產(chǎn)生隧道洞壁徑向位移，圍巖位移特性曲線描述了平面狀態(tài)下圓形隧道圍巖徑向應(yīng)力釋放與隧道變形的關(guān)系，而縱向變形曲線反映了隧道開挖面空間效應(yīng)，即開挖面附近由隧道開挖引起的圍巖收斂位移[14]。通過將縱向變形曲線和圍巖特性曲線進(jìn)行耦合[15]，可得出開挖面附近任一位置處的圍巖虛擬支護(hù)力。

2.2 圍巖特性曲線

實(shí)際工程中隧道斷面形式多樣，對于復(fù)雜的非圓斷面形式，目前尚無完全適合彈塑性分析計(jì)算的解析公式，一般可采用等代圓法將隧道形式等效為圓形斷面進(jìn)行分析[16]；此外，高鐵隧道斷面形狀近似于圓形，因此，理論推導(dǎo)采用圓形隧道進(jìn)行簡化研究。根據(jù)彈塑性理論可直接推導(dǎo)圍巖特性曲線(見圖6)，則靜水應(yīng)力場下基于摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則的圓形隧道變形ui與支護(hù)壓力(虛擬支護(hù)力)pi之間的公式[17]如下。

圖6 圍巖特性曲線

1)當(dāng)pi≥pcr時(shí)，得到彈塑性分界時(shí)臨界支護(hù)力pcr、變形ucr和隧道徑向彈性位移uie表達(dá)式為

(1)

式中：c為圍巖黏聚力，MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；R為圓形隧道半徑，m；μ為圍巖泊松比；E為圍巖彈性模量，GPa。

2)當(dāng)pi

(2)

2.3 圍巖縱向變形曲線

Vlachopoulos等[18]采用軸對稱模型和平面模型，并基于理想彈塑性假定，分析了圓形隧道的變形特性，建立了與最大歸一化塑性區(qū)半徑相關(guān)的隧道變形與縱向位置的計(jì)算公式(見圖7)。

圖7 圍巖縱向變形曲線

(3)

式中：u0*為隧道開挖面處的位移u0與隧道最大位移upmax的比值；ux*為隧道任意位置處的位移ux與隧道最大位移upmax的比值；Rp*為歸一化的最大塑性區(qū)半徑，Rp*=Rpmax/R。

當(dāng)支護(hù)力pi=0時(shí)，圍巖最大塑性區(qū)半徑Rpmax和最大位移upmax表達(dá)式為

(4)

2.4 圍巖虛擬支護(hù)力縱向分布曲線

根據(jù)圍巖縱向變形曲線可以得到開挖面前后任意位置處的圍巖變形，然后利用圍巖特性曲線中變形與虛擬支護(hù)力的關(guān)系可以得到虛擬支護(hù)力。由于虛擬支護(hù)力的計(jì)算分為彈性變形和塑性變形，因此首先要判斷圍巖的變形是處于彈性階段還是塑性階段，才能將變形代入到相應(yīng)的虛擬支護(hù)力計(jì)算公式中。開挖面和彈塑性分界位置圍巖變形歸一化結(jié)果u0*和ucr*為

(5)

式中：ucr*為彈塑性臨界狀態(tài)時(shí)隧道位移ucr與隧道最大位移upmax的比值。

當(dāng)u0*=ucr*時(shí)，開挖面處即彈塑性分界處，得到相應(yīng)的塑性區(qū)半徑[Rp*]為

(6)

2.4.1 塑性區(qū)在開挖面后方(工況1)

當(dāng)Rp*≤[Rp*]時(shí)，開挖面之前的圍巖(x≤0)處于彈性變形階段，而開挖面后方的圍巖(x>0)處于既有彈性變形也有塑性變形階段(見圖8)。彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界點(diǎn)xp1處的變形為

圖8 工況1的縱向變形曲線與圍巖特性曲線

(7)

聯(lián)立式(6)和(7)可以解出彈塑性交界點(diǎn)的坐標(biāo)xp1表達(dá)式為

(8)

得到工況1條件下的虛擬支護(hù)力分段表達(dá)式為

(9)

2.4.2 塑性區(qū)在開挖面前方(工況2)

當(dāng)Rp*≥[Rp*]時(shí)，開挖面之前的圍巖(x≤0)處于塑性變形和彈性階段，而開挖面后方的圍巖(x≥0)處于塑性變形階段(見圖9)。則開挖面前方圍巖的彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界點(diǎn)xp2的表達(dá)式為

圖9 工況2的縱向變形曲線與圍巖特性曲線

(10)

得到工況2條件下虛擬支護(hù)力分段表達(dá)式為

(11)

3 圍巖虛擬支護(hù)力分布特性與塌方分析

3.1 影響因素分析

當(dāng)圍巖內(nèi)摩擦角φ=20°，原巖應(yīng)力p0=7 MPa，黏聚力分別為1、0.5、0.25 MPa時(shí)，計(jì)算得到最大塑性區(qū)半徑歸一化結(jié)果Rp*分別為2.26、3.8、6.82，當(dāng)隧道半徑R分別為5、10 m時(shí)，得到虛擬支護(hù)力縱向分布曲線(見圖10)。

(a)R=5 m

分析可得：1)隧道開挖面處圍巖虛擬支護(hù)力與隧道半徑R無關(guān)，當(dāng)前3種參數(shù)下，進(jìn)一步計(jì)算得到開挖面處(x=0)虛擬支護(hù)力釋放率α0(α0=1-pi/p0)分別為56.38%、72.89%、80%，但隨著隧道半徑的增大，塑性區(qū)半徑和虛擬支護(hù)力釋放范圍越大；2)開挖面前方塑性階段圍巖的虛擬支護(hù)力釋放速度明顯大于彈性階段，且開挖面附近圍巖的虛擬支護(hù)力釋放速度最大；3)隨著黏聚力的降低，塑性區(qū)逐漸向開挖面前方移動(dòng)，塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，使得開挖面處圍巖虛擬支護(hù)力降低，但不同黏聚力下，開挖面后方2倍半徑處(2R)的圍巖虛擬支護(hù)力均低于5%pi，此時(shí)虛擬支護(hù)力已大部分釋放，開挖面后方4倍半徑處(4R)的圍巖虛擬支護(hù)力均低于2%pi，此時(shí)虛擬支護(hù)力已基本釋放完畢。

3.2 虛擬支護(hù)力縱向分布特性

在隧道施工影響下，圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移，通常伴隨著變形和破壞?？v向變形曲線與虛擬支護(hù)力縱向分布曲線均呈現(xiàn)出階段性特點(diǎn)[19]，如圖11所示。由圖可以看出：1)圍巖變形先后經(jīng)歷4個(gè)階段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段)，自開挖面前方開始依次為緩慢變形、急劇變形、變形減緩和變形穩(wěn)定；2)虛擬支護(hù)力也經(jīng)歷了4個(gè)階段，自開挖面前方開始依次為緩慢釋放、急劇釋放、釋放減緩和釋放穩(wěn)定，整體上開挖面虛擬支護(hù)力釋放為開挖面后2R范圍，而變形的釋放范圍則較大。其中圍巖虛擬支護(hù)力急劇釋放(Ⅱ階段)以開挖面為界，分為開挖面前方(Ⅱ1段)和開挖面后方(Ⅱ2段)2個(gè)階段。

圖11 縱向變形曲線與虛擬支護(hù)力縱向分布曲線

由案例統(tǒng)計(jì)[10,20]得知：1)80%以上的塌方發(fā)生于第Ⅰ和第Ⅱ階段，13%的塌方發(fā)生在第Ⅲ階段，只有7%左右的塌方發(fā)生在第Ⅳ階段；2)隧道關(guān)門塌方事故多發(fā)生在與隧道開挖面距離大于隧道跨度(x≥B)的開挖面后方位置處。根據(jù)虛擬支護(hù)力縱向分布情況可知，此位置處圍巖的虛擬支護(hù)力已基本釋放，如果支護(hù)不密貼或支護(hù)力不足，將直接導(dǎo)致隧道關(guān)門塌方事故產(chǎn)生。對于軟弱破碎圍巖大斷面隧道，隧道關(guān)門塌方事故塌方體發(fā)生在開挖面后方B～3B范圍[21-22]，如采用三臺(tái)階法開挖時(shí)，多發(fā)生于下臺(tái)階和仰拱開挖作業(yè)時(shí)，且均存在上、中臺(tái)階初期支護(hù)支護(hù)效果差的問題。

結(jié)合縱向變形曲線和虛擬支護(hù)力曲線，得到隧道塌方模式和控制示意圖(見圖12)，可見在隧道開挖過程中，圍巖虛擬支護(hù)力pi將經(jīng)歷由p0降低為0的過程。研究表明[23]：1)當(dāng)圍巖虛擬支護(hù)力pi小于圍巖單軸拉應(yīng)力(σt)的位置，即pi≤σt，將發(fā)生圍巖失穩(wěn)塌方。因此如果隧道開挖面處的虛擬支護(hù)力pi≤σt，則開挖面前方一定位置處(A點(diǎn))圍巖已失穩(wěn)，表現(xiàn)為隧道開挖面失穩(wěn)塌方事故。2)當(dāng)開挖面處的虛擬支護(hù)力pi>σt時(shí)，則隧道開挖面保持穩(wěn)定，但隧道開挖面后方圍巖虛擬支護(hù)力pi降低為σt的位置(B點(diǎn))將產(chǎn)生失穩(wěn)塌方，表現(xiàn)為隧道關(guān)門塌方事故。隧道塌方產(chǎn)生時(shí)，均伴隨著圍巖變形的突然增大(A1和B1點(diǎn))。3)在無支護(hù)條件下，開挖面后方圍巖虛擬支護(hù)力遠(yuǎn)小于開挖面前方，因此隧道開挖面后方關(guān)門塌方的危險(xiǎn)性大于開挖面前方。

(a)開挖面失穩(wěn)塌方

3.3 隧道塌方控制要求

從變形和塌方控制原理的角度來分析(見圖13)，圍巖變形和虛擬支護(hù)力的Ⅱ階段是控制的重點(diǎn)。

圖13 隧道塌方控制原理圖

1)當(dāng)開挖面失穩(wěn)塌方時(shí)，開挖面前方處的圍巖(Ⅱ1階段)需要采取超前支護(hù)和加固措施，提供預(yù)支護(hù)反力，提高圍巖的黏聚力，進(jìn)而增大圍巖虛擬支護(hù)力。在圖12中，A點(diǎn)為超前支護(hù)應(yīng)發(fā)揮作用的位置，即超前支護(hù)應(yīng)超過A點(diǎn)，深入未擾動(dòng)圍巖內(nèi)(Ⅱ1階段)；在超前支護(hù)作用的同時(shí)，應(yīng)確保初期支護(hù)及時(shí)，通過表層初期支護(hù)進(jìn)一步提供支護(hù)反力，初期支護(hù)起作用位置盡可能地接近A0點(diǎn)(開挖面位置)；在開挖面后方圍巖(Ⅱ2階段)形成超前支護(hù)與初期支護(hù)共同作用體系，比如管棚-初期支護(hù)“棚架”體系等。

2)當(dāng)關(guān)門塌方發(fā)生時(shí)，開挖面由于存在一定的虛擬力而保持穩(wěn)定，但開挖面后方一定位置處的拱頂發(fā)生關(guān)門塌方。此時(shí)開挖面后方圍巖(Ⅱ2段)是控制重點(diǎn)，及時(shí)施作錨索(桿)和初期支護(hù)，通過錨桿支護(hù)和表層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系提供支護(hù)反力并承擔(dān)圍巖荷載，從而控制拱頂隧道塌方和圍巖急劇變形；B點(diǎn)為初期支護(hù)發(fā)揮作用位置，因此在A0點(diǎn)(開挖面位置)即應(yīng)施作初期支護(hù)，并做好背后回填和及時(shí)封閉，確保初期支護(hù)與圍巖密貼。

4 結(jié)論與建議

1)開挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方2類由圍巖失穩(wěn)引發(fā)的塌方事故在事故次數(shù)(68%)、死亡人數(shù)(53.7%)和涉險(xiǎn)人數(shù)(68%)方面占比較大，其中關(guān)門塌方事故涉險(xiǎn)人員最多(42%)，單次事故涉險(xiǎn)人員數(shù)目也最多(8人)，使得關(guān)門塌方事故人員傷亡的潛在危害性較大。

2)將圍巖縱向變形曲線和圍巖特征曲線進(jìn)行耦合，可得出開挖面前后任一位置處的圍巖虛擬支護(hù)力。隧道開挖面位置的圍巖虛擬支護(hù)力隨著黏聚力的減小而降低，不同黏聚力條件下，開挖面后方2倍半徑處(2R)圍巖的虛擬支護(hù)力均得到大部分釋放(低于5%pi)。

3)根據(jù)圍巖虛擬支護(hù)力及圍巖單軸拉應(yīng)力與開挖面位置的關(guān)系，可以將隧道塌方事故分為開挖面失穩(wěn)和開挖面后方的關(guān)門塌方。在圍巖變形和虛擬支護(hù)力釋放Ⅱ 2階段內(nèi)，圍巖急劇變形，虛擬支護(hù)力急劇釋放且釋放量較大，是隧道塌方控制的重點(diǎn)區(qū)域。

本文基于靜水應(yīng)力場和理想彈塑性體推導(dǎo)了圍巖虛擬支護(hù)力，進(jìn)而揭示隧道塌方的力學(xué)機(jī)制，沒有考慮圍巖非均勻性等影響和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的支護(hù)效果，后續(xù)建議針對不同構(gòu)造應(yīng)力作用下節(jié)理巖體隧道的塌方問題以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中不同支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)方法，開展進(jìn)一步的研究。