公路隧道大变形安全事故分析

邱懿

摘要：大变形是隧道施工中最常见的工程事故，为此，本文以公路隧道大变形事故为研究对象，分析了隧道大变形事故的类型、特点及其主要的影响因素。

关键词：隧道工程、破坏变形、安全事故、隧道施工

在公路隧道工程施工中，塌方、岩溶塌陷、涌水和突水、洞体缩径、山体变形和支护开裂、泥屑流、岩爆是常见的地质灾害问题，而在地质灾害中，大变形破坏发生的概率较大。隧道围岩大变形是围岩一类变形破坏的形式，围岩体的这种破坏是属于塑性变形，变形会逐步扩大和具有显著的时间效应。它与岩爆运动的脆性破坏不同，也与被周围岩体限制的松动围岩的滑动、坍塌等破坏不同。

围岩大变形将破坏支护结构、侵入断面限界，若处理不当将造成塌方，甚至将隧道完全堵塞，极易造成严重的后果，并且损毁机械设备、使得施工人员伤亡、工期延误，也增加了工程成本。

一、隧道大变形类型

隧道围岩大、小变形破坏的不同点在于：1.变形量大、小的不同；2.关键是变形破坏机理的不同：大变形破坏为失稳状态下的破坏；小变形破坏并非唯一是此状态下的破坏，一般来说，由小变形破坏造成的后果较轻。

通常，隧道围岩大变形根据形成机制可以划分为两种类型：第一种为隧道开挖后产生的围岩应力重新分布，当应力过大时会超过围岩本身的强度，从而引起塑性变化，若引起的变形较慢，就属于挤出变形；若变形较快，就可能产生岩爆现象；第二种为隧道中有大量的水，当水与围岩中的膨胀性矿物反应时，矿物体积会产生很大变化，膨胀导致变形的发生。以上所述的一种或多种原因的作用下，导致隧道围岩的大变形的发生。前者是物理变形，属于物理过程，后者是化学变形，属于化学过程。

二、隧道大变形的规律

围岩挤压性变形有变形持续时间较长、变形量大且具有时效性等特点，在隧道工程施工事故中常常表现为：隧道底鼓的持续性、侧墙内挤和冒顶等现象。巨大的变形导致隧道破坏十分严重，会造成隧道钢架扭曲或折断，造成隧道混凝土衬砌的开裂和脱落，造成打入的锚杆彻底失去效力、喷射的混凝土层破裂掉落，也会造成隧道的混凝土底板受力断折、挤出等破坏形式。

隧道岩体的主要特征有：

1、隧道围岩的强度较低，原始地应力相对较高，也就是强度应力比小。如某隧道，原始抗压强度仅达到1.7MPa，是相当低的，煤系地层的围岩应力比为0.14，应力比与隧道的变形有很大的关系，根据国际、国内的统计数据，当其值小于0.5的时候，隧道支护大变形就有可能发生。

2、围岩级别较低，完整性差。岩体结构类型是围岩质量评价的重要标准之一，其完整程度对围岩变形有很大的影响。通常，随着围岩岩体结构的变差，围岩弹性模量也相应地降低，围岩变形位移量则依次增大。如某隧道，所有变形洞段均为千枚岩夹板岩、砂页岩及断层破碎带等软弱岩层段。而较完整的砂岩、安山岩、闪长岩层段均未产生明显变形。

3、变形量大。如某隧道，拱顶下沉150cm以上，边墙内挤70cm。变形过程中是围岩系的整体挤压，此过程中围岩系松弛较少，基本不会出现松弛压力。

膨胀岩胀缩特性的实质是岩石由于吸水和脱水作用而发生的体积变化，对于膨胀性围岩的大变形有如下的变形特征：

1、岩性特征：为灰白色、灰绿色、灰黄色、紫红色和灰色泥岩、泥质粉砂、页岩、风化的泥灰岩、风化的基性岩浆岩、蒙脱石化的凝灰岩等。

2、结构特征：岩层多为中厚层或薄层，裂隙发育，隙壁周围常有异种灰白、灰绿色物质充填或替代，岩体中的波状结构面光滑且有擦痕。

软岩隧道中会产生膨胀变形和挤出变形，两种变形常常同时存在着，都具有明显的时效性的特点。大变形岩体具有连续性的特点，使得膨胀形变和挤压形变对于隧道支护结构上主要作用力就是形变压力，相对较小的是松弛压力。

三、隧道大变形的影响因素

隧道的围岩体会在工程扰动、地应力发生变化、隧道内地下水运动等情况下，发生大变形破坏。施工中，隧道的开挖会引起隧道内地应力的新重分布，若应力超过了岩体所能承受的强度时，围岩就会发生变形，其变形一旦得不到有效的约束，变形会进一步增大，岩体逐渐失去承载能力，进而对隧道的支护结构造成破坏。根据资料分析和参考已有研究成果可以得到影响大变形的主要有工程地质因素、水文地质因素、应力条件、设计施工因素。下面进行详细分析。

1、地质因素

①岩体质量。隧道收敛变形与围岩特性紧密相关，岩体的质量好坏决定了岩体弹性模量大小，质量好的岩体变形量小，反之则变形量大。隧道施工中的施工扰动对质量差的岩体影响较大。质量好的岩体变形持续时间短，反之则变形持续时间长。

②地质构造。隧道中有断层的存在，形成破碎带，破碎带的岩体发生了不同程度张拉破坏或剪切破坏，破坏的方向是沿着岩体的弱面进行的，断层破碎带的变形具有显著的流变性，一般最大水平收敛量为50mm至70mm。此类地质构造的变形一般有两类，一是压密变形，二是弹、塑性变形（岩块变形）。且变形的时间一般比较长。

③隧道的埋置深度。隧道埋置深度的不同，隧道周边围岩的状态不同。一定深度范围内的隧道周围岩体处于弹性变形状态中，隧道开挖时，此类岩体的位移变形也属于弹性变形。隧道埋置深度超过一定深度以后，其周围岩体就会处于塑性变形状态，就会形成一定的围岩塑性区。因此，隧道围岩的变形与埋深具有较好的一致性。

2、水文地质。水能够对挤压性岩体起到软化效应，岩体含水量越高，其力学性质表现就会越差。在开挖隧道过程中，地下水的流动路径就会发生改变，影响裂隙面的有效应力，同时岩石的抗压强度和承载能力降低，将导致岩体的稳定性降低，甚至产生剪切变形破坏。事实证明，隧道中的水会使得隧道围岩稳定性降低，也是隧道围岩发生大变形破坏的重要原因之一。当为膨胀性变形时，水的作用是其发生的必备条件，一般来说，含有胶岭石，高岭石和水云母类等矿物质成分的粘土岩具有较大的塑性变形能力，它们在吸收水分后表现为体积的膨胀，这是因为这几种矿物成分本身亲水性强，遇水后极易产生膨胀。

3、应力条件

在隧道开挖过程中，扰动会引起围岩体自身所蕴含的应力释放出来。因为在围岩地质构造的过程中，有些岩体本身就将较大的地应力储备其中，一旦发生扰动，较高的应力得到快速释放，若围岩属于坚硬的岩石就可能引发岩爆现象；若为软岩体，则会产生挤压变形。

此外，软岩体受到层理比较发育、岩体组成成分（如泥质含量）的影响，其岩体的抗压强度较低，弹性模量等方面物理力学参数较差，同时，软岩工程力学特性也受其结构面的控制。因此，软岩受力后造成的变形破坏很大。

4、设计与施工

隧道初期设计时，由于地质勘探资料的匮乏，往往设计的开挖方法和支护形式和实际开挖揭示的地层出入较大，而不同的开挖工法和断面形状对隧道围岩的稳定性有很大的影响。另外在工期紧张的条件下，为提高隧道施工速度，在没有充分掌握软弱围岩特性的情况下就加快隧道开挖进度，同时，与开挖配套的支护体系也未能及时实施，软岩变形的预防工作不到位，变形监测没能发挥效果，衬砌施工未能及时跟进，等隧道施工时，势必导致大变形的持续增长，最终可能造成工程事故。

因此，隧道软弱围岩施工遵循“超前探、管超前、短进尺、弱（不）爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则，施工组织围绕这一原则开展。为防止风化作用，尽快使开挖面稳定，应立即初喷混凝土，随后打设锚杆、铺设钢筋网，再按照设计喷射混凝土形成联合支护整体，抑制围岩变形，达到围岩快速稳定。同时考虑到围岩的特点，选择正确的施工方法，合理的支护体系，使支护强度一次到位，避免后期变形，从而确保隧道工程施工质量和施工安全。