软岩隧道施工地质灾害形成机理研究

王永恒

（山西长兴路桥工程有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，高速公路建设规模越来越大，并逐步向地形地貌、水文地质条件复杂的地区迈进。因此，高速公路隧道穿越软弱破碎带、断裂带、富水地层等软岩情况越来越多。由于软岩隧道在施工过程中对围岩产生扰动，使得围岩呈现破碎状态，进而产生支护结构开裂、渗漏水、掉块、塌方、冒顶、底板隆起等施工地质灾害，且其通常呈现持续时间长、发展速度较快、累计变形较大的状态，严重威胁施工人员及机械的安全，并导致工期滞后，产生巨大的经济损失。

目前，软岩隧道的病害机理及工程防治措施是隧道工程界的一大研究热点问题，国内外学者们针对该问题开展了大量深入的研究工作，取得了一系列的研究成果。魏星[1]等人针对软岩隧道突泥涌水病害，利用室内模型试验深入研究了隧道病害的影响因素及破坏规律，为软岩隧道的施工提供了技术支撑；邹[2]等人依托高地应力软岩隧道的工程案例，通过现场试验手段对比分析了超前导洞法和三台阶法施工条件下的围岩变形规律；任建喜[3]依托马鞍子梁软岩隧道，利用数值模拟、现场监测手段对台阶法施工条件下围岩变形情况进行研究，并提出了相应的支护措施；周艺[4]等人依托某破碎软岩隧道的工程案例，通过深入研究隧道的工程特点及围岩位移规律，提出了软岩隧道围岩位移控制基准。然而，隧道工程具有独特性，尤其是各软岩隧道面临不同的地质条件，其变形机理及力学特性并不相同。鉴于此，本文依托某高速公路软岩隧道，总结分析其工程地质灾害，利用室内试验研究其围岩物理性质，并利用数值模拟手段分析其力学特性，从而全面揭示其地质灾害形成机理，为类似工程提供理论指导。

1 工程概况

某隧道为一座分离式双向四车道高速公路特长隧道，其走向为东西向，隧道起讫桩号左线ZK9+390—ZK12+880，长 3490 m；右线 K9+360—K12+830，长3470 m。隧道最大埋深为150 m。隧址区位于深切沟谷斜坡地貌区，隧道与山脉走向基本呈正交状态，隧址区内山势陡峭，山坡的坡度一般为38°～43°，地形条件复杂。在地质构造方面，隧址区内分布有褶皱及断裂带，其褶皱主要为背斜构造，其出露地层主要为第四系残坡积碎石土。隧址区内褶皱及断裂带导致隧道围岩节理裂隙发育，岩体极为破碎。隧址区内围岩主要为强风化粉砂质泥岩、弱风化泥质粉砂岩，其中强风化粉砂质泥岩呈紫红色，中厚层状构造，呈半岩半土状态，岩层结构极为疏松；而弱风化泥质粉砂岩局部夹有泥灰岩，呈灰绿色，节理裂隙较为发育，局部有溶蚀现象。隧址区内地下水主要类型有松散层类孔隙水和节理裂隙水，主要受大气降水入渗补给，由于隧道围岩节理裂隙发育，地下水入渗条件较好，隧道围岩受地下水影响后强度较差。可见该隧道围岩为典型的富水软弱围岩。

该隧道设计施工均采用新奥法原理，为复合式衬砌，初期支护采用“钢拱架+锚杆+钢筋网+喷射混凝土”的结构型式，在局部地质条件较差的隧道段，辅以超前小导管注浆加固措施。二次衬砌为C25模筑钢筋混凝土。

2 隧道施工地质灾害情况

由于隧址区内松散层类孔隙水、节理裂隙水较为发育，且隧道围岩节理裂隙较为发育；因此，该隧道地下水下渗量较大。地下水的下渗严重影响围岩的工程性质，导致其在施工过程中出现初期支护结构渗水、掉块、开裂、大变形、底板隆起等灾害，严重影响施工进度，增加施工成本。初期支护渗水掉块病害主要发生在拱肩部位，呈滴漏状态，并伴随有混凝土剥落现象；初期支护结构裂缝主要分布在拱腰部位，其裂缝走向基本平行于隧道轴向，裂缝宽度为1.5～2.5 mm；隧道底板隆起导致其隧道仰拱部位开裂、错台，其最大错台高度达到20 cm，错台长度横贯整个仰拱部位。该隧道的施工地质灾害具体情况如图1～图3所示。

图1 初期支护拱顶部位渗水掉块

图2 初期支护拱肩开裂、大变形

图3 隧道底板隆起

3 隧道围岩抗压性能试验研究

为全面揭示软岩隧道地质灾害的形成机理，结合本项目的实际情况，利用室内试验研究软岩隧道围岩在受地下水影响条件下的抗压性能[5]。单轴抗压性能是隧道围岩最主要的力学特性，其能够全面反映软岩隧道围岩破坏时的基本特性。本文采用电液伺服万能试验机、电阻应变片、静态电阻应变仪等仪器设备进行试验，其具体情况如图4、图5所示。

图4 电液伺服万能试验机

图5 静态电阻应变仪

为对比分析不同含水量情况下的软岩应力应变情况，本文结合依托项目，有针对性地进行取样，经测试后其含水量分别为1.0%、2.5%、3.4%；并选取5×30 mm的电阻应变片，分别粘贴在试样中相互垂直的表面，即轴向、横向应变片，其具体情况如图6所示，所得试验结果如图7所示。

图6 围岩单轴抗压性能试验

图7 不同含水量软岩单轴抗压强度-应变关系曲线

从图7中可以看出，不同含水量情况下软岩应力应变曲线基本呈现相同的规律，即在受力的初始阶段，随着应力的不断增加，应变缓慢增加，且其斜率逐渐增大，此原因在于软岩内部存在节理裂隙，在受力后其节理裂隙逐渐闭合，进而呈现出非线性的变化曲线。随着软岩所受应力的不断增加，应力应变关系曲线逐步进入直线阶段，表明软岩变形进入弹性变形阶段，围岩抗压强度随变形的增加而不断增加。随后，围岩进入裂隙的非稳定发展阶段，由于其体积压缩逐步转变为扩容，抗压强度增加值与应变增加值之比增大，试样的承载力达到最大值，即围岩的单轴抗压强度，其值分别为25.7 MPa、21.8 MPa、20.7 MPa。围岩所受荷载超过单轴抗压强度后，其内部节理裂隙逐步发展为宏观断裂，其承载力快速下降，但仍保持一定的承载力，并未完全丧失。

通过上述试验可知，不同含水量的软岩隧道围岩抗压强度差异较大，含水量1.0%的围岩抗压强度为 25.7 MPa，含水量 3.4%的围岩抗压强度为20.7 MPa，其降幅为19.5%。可见，该软岩隧道围岩在地下水浸泡作用下产生了较为明显的软化作用，严重影响围岩的抗压强度。

4 隧道施工力学特性研究

4.1 建立数值模型

为深入分析软岩隧道在施工过程中的力学特性，同时揭示软岩隧道围岩受地下水影响作用下的变形特性，本文采用大型数值分析软件建立模型，并结合依托项目的实际情况，针对软岩隧道在初始状态及浸水状态分别进行模拟。

为准确掌握依托工程围岩及支护结构的物理力学参数，提高数值模拟的准确性，本文通过现场取样，利用动三轴试验、重度试验等一系列室内试验手段测取其基本物理力学参数，所得结果见表1。

表1 软岩隧道围岩及支护结构的物理力学参数

4.2 数值模拟结果分析

利用上述数值分析模型，对软岩隧道初始状态及浸水状态下的隧道初期支护结构变形、围岩塑性区等情况进行模拟，所得结果如图8～图11所示。

图8 初始状态初期支护结构竖向位移（单位：mm）

图9 浸水状态初期支护结构竖向位移（单位：mm）

图10 初始状态围岩塑性区

图11 浸水状态围岩塑性区

从图8、图9中可以看出，软岩隧道在初始状态和浸水状态下的初期支护变形规律基本相同，均表现出拱顶、仰拱部位竖向沉降相对较大。初始状态下支护结构竖向位移最大值产生在仰拱处，最大值达到79.5 mm；而在浸水状态下，支护结构竖向位移最大值达到了215.0 mm，增加幅度达170%。可见，在地下水作用下，软岩隧道围岩承载力明显下降，导致隧道基底承载力不足，仰拱部位产生大变形。

从图10、图11中可以看出，软岩隧道围岩在初始状态和浸水状态下的塑性区分布情况基本相同，隧道仰拱及边墙部位围岩塑性区分布明显大于其他部位；但浸水状态下的围岩塑性区范围分布较初始状态的明显较广，尤其在仰拱部位，其分布范围为初始状态的2～3倍。此原因在于，地下水下渗后，迅速汇集到软岩隧道两侧边墙及仰拱处，引起该部位的围岩承载力迅速下降，进而增加了围岩塑性区的分布范围，对隧道的整体稳定性极为不利。

5 结论

本文依托某软岩隧道为工程实例，总结分析了其地质灾害的基本特性，并利用室内试验、数值模拟手段分析了软岩隧道围岩的抗压强度变化情况及施工力学特性，从而全面揭示了软岩隧道地质灾害的形成机理，得出以下几点结论：

a）通过围岩单轴抗压性能试验可知，含水量3.4%的围岩抗压强度较含水量为1.0%的围岩抗压强度降幅为19.5%，地下水对软岩隧道围岩产生了明显的软化作用，严重影响其抗压强度。

b）浸水状态下软岩隧道初期支护结构竖向位移较初始状态下增幅达到170%，可见地下水使得软岩隧道承载力下降，导致基底承载力不足。

c）浸水状态下软岩隧道围岩塑性区明显大于初始状态，尤其在仰拱部位围岩塑性区分布范围为初始状态的2～3倍。地下水的下渗导致边墙及仰拱处围岩承载力降低，对隧道整体稳定性极为不利。