软岩隧道施工地质灾害形成机理研究

软岩隧道施工地质灾害形成机理研究

孙敦启

孙敦启

北京华通公路桥梁监理咨询有限公司江苏省徐州市221700

摘要：软岩隧道具有承载承载力低、变形大，围岩不稳定等特点，导致在软岩隧道施工中，容易发生软岩大变形、渗漏水、塌方以及支护结构开裂等地质灾害，具有较强的安全隐患，同时还会造成经济损失和成本增加。为了减少软岩隧道施工中的地质灾害，不仅需要施工企业做好前期工作，同时监理部门要对施工进行监管，确保软岩隧道施工的顺利开展。基于此，本文主要对软岩隧道施工地质灾害形成机理进行研究，分析在施工过程中发生的地质灾害的基本特征，从而为软岩隧道施工中监理单位的技术服务提供更加科学的依据。

关键词：软岩隧道；地质灾害；形成机理

引言

近年来，我国逐渐加快在地形复杂、水文地质条件较差区域的高速公路建设。其中高速公路隧道途经软弱破碎带、断裂带和富水地层等软岩线路随之增多，增加了隧道施工的难度。同时，由于不同地区的软岩隧道所面临的地质条件不同，软岩的变形机理和力学特征也不尽同。因此，本文将某高速公路软岩隧道作为研究对象，分析其施工中地质灾害形成的机理，通过室内试验研究分析其围岩的物理性质，然后运用数值模拟手段，分析围岩的力学特征，为施工企业与施工监管部门理论依据，减少或避免地质灾害的发生。

一、某高速公路软岩隧道概况

（一）软岩隧道地质地貌及水文地质条件

隧道为分离式双向四车道高速公里特长隧道，其地区地貌为深切沟谷斜坡地貌。隧道整体走向为东西走向，与山脉走向基本正交。隧道施工地区的山坡坡度在37°到45°之间，地形地貌复杂。隧道施工区分布着褶皱及断裂带，围岩节理发育，岩体破碎。隧址区内的围岩主要有两种，一种是紫红色强风化粉砂质泥岩，岩层结构疏松，呈现半岩半土状态；另一种是灰绿色弱风化泥质粉砂岩，裂隙节理较发育，局部出现溶蚀现象。隧道围岩节理裂隙发育，地下水较丰富，使得围岩受地下水影响较大，岩体强度差。总体来说，该隧道围岩呈现出典型的富水软弱围岩。

隧道设计施工采用的是新奥法原理复合式衬砌，即初期支护采用锚喷混凝土和钢拱架。同时在地质条件较差段辅以不同形式的超前支护，二次衬砌为钢筋混凝土。

（二）软岩隧道施工地质灾害

隧址区隧道围岩裂隙程度为节理发育，且地下水类型为松散层孔隙水和节理裂隙水，存在富水区，因此，隧址区的地下水渗入量较大，严重影响了隧道围岩的稳定，导致其在施工过程中，出现初期支护结构大变形、渗漏水、掉块、开裂以及隧道底板隆起等状况，极大的影响工程进度，施工隐患较大，极大的增加了工程成本。在初期支护的拱顶部位，主要发生渗漏水、掉块，渗漏水、空洞，混凝土剥落等。在初期支护拱腰部位，主要发生大变形、结构开裂，裂缝走向基本与隧道的轴向平行。隧道仰拱部位底板隆起产生成开裂、错台等。

二、软岩隧道施工地质灾害形成机理研究

（一）隧道围岩抗压性能测试

主要通过室内试验研究的方式，结合某高速公路软岩隧道的实际情况，对隧道围岩在不同程度地下水影响下的抗压能力进行测试。单轴抗压饱和强度是划分岩石质量的主要判断方式，能够将软岩隧道围岩被破坏后的基本特征全面反映出来。试验用主要仪器包括电液伺服万能试验机、静态电阻应变仪等。

在项目中对不同含水量软岩分别按要求取样，选取含水率为1.0%、2.5%、3.4%的三种软岩样本，电阻应变片大小为5-30mm，分别粘贴在样本相互垂直的表面。

将试验结果进行对比，可以发现在不同含水量软岩样本中，其表现出的单轴抗压饱和强度规律曲线趋势走向基本相同，在最初受力阶段，应力和应变正相关，且斜率逐渐增大，呈现非线性变化曲线，这主要是由于软岩内部的节理裂隙随着受力增大而逐渐闭合。当应力增加到一定阶段，其应变的关系曲线逐渐趋于平缓，即表示软岩变形向弹力变形阶段转化，抗压强度也不断的增加。应力继续增加，围岩裂隙发展开始进入不稳定发展阶段，样本由体积压缩状态转变为扩容状态，抗压强度增加值与应变增加值的比值变大，样本的单轴抗压强度也达到最大值。样本的应力值分别为25.7MPa、21.8MPa、20.7MPa。单轴抗压强度达到最大值之后增加压力，样本的内部节理裂隙发展为宏观断裂，应力值快速下降，但不会完全丧失。

试验可得，含水量不同，隧道围岩的抗压强度不同，且含水率越高，抗压强度越低。因此，含水率增加会极大的软化软岩隧道围岩，降低了围岩的抗压强度。

（二）隧道施工力学特征研究

对软岩隧道支护结构的初始状态和浸水状态下的变形等情况进行研究，研究隧道施工力学特征。首先根据某高速公路软岩隧道的实际情况，建立模拟隧道的初始状态和浸水状态的模型，并通过重度试验等方式获得围岩及支护结构的物理学参数。其次，进行数值模拟。主要对软岩隧道初始状态及浸水状态下初期支护结构变形、围岩塑性区等情况进行模拟。最后，对数值模拟结果进行分析。从试验结果中得出，软岩隧道在初始状态和浸水状态下的初期支护结构变形规律基本相同，在支护结构的拱顶和仰拱部位的竖向位移较为明显，而初始状态下的位移最大值相比浸水状态下的位移最大值约小2倍。因此，地下水作用会大大降低软岩隧道围岩的承载力，支护结构产生大变形的可能性也变大。软岩隧道在初始状态和浸水状态下的塑性区多是集中分布于初期支护结构的仰拱部位及边墙部位。而浸水状态下的分布范围相较于初始状态下的分布范围更加广泛，且分布面积呈扩大化。这是由于隧道两侧边墙和仰拱部位是地下水集中分布区域，长期浸泡，不能顺利排出，从而导致这些部位的围岩承受力下降，使得塑性区分布范围扩大，极大的影响隧道的稳定性，增加了发生地质灾害的概率。

三、结论

本文将某高速公路软岩隧道施工的实际情况作为基础，对软岩隧道施工地质灾害的形成机理进行了分析。主要通过室内试验研究的手段，对含水率不同的隧道围岩进行了抗压性能测试，对初期支护结构在初始状态下和浸水状态下的变形及塑性区进行了测试。其主要结论如下：

第一、含水率不同的围岩抗压能力不同，含水率越高，围岩抗压能力越低，即地下水能够明显软化软岩隧道围岩，降低其抗压强度。

第二、初期支护结构在初始状态下的竖向位移明显低于浸水状态，即地下水会降低软岩隧道的基底承载力；支护结构浸水状态下的围岩塑性区分布范围高于初始状态，即地下水下渗会导致隧道稳定性降低。

因此监理人员在软岩隧道施工中必须根据隧道施工围岩的水文地质条件（特别是已揭露的地下水状况），结合超前地质预报和监控量测等成果，尽可能查清隧道围岩地质情况及可能发生的地质灾害，提前做出判定，以此作为监理工作的重点，真正做到事前控制和事中控制相结合，从而减少或避免地质灾害的发生，保证施工安全。

参考文献：

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