裂隙－地下水相互作用对隧道围岩稳定性的影响研究

聂毓斌 杜园园 徐中卫

摘要 文章对青海省海东市在建乐化隧道角闪岩洞段的围岩地质特征及工程性质分析基础上，研究裂隙、地下水之间的相互作用及对围岩失稳的影响，得出以下结论：角闪岩洞段滑塌往往发育于节理、裂隙密集带、强（全）风化带，围岩稳定主要受组合裂隙控制，主要失稳破坏模式有张裂塌落和剪切滑移两类。在施工过程中，若围岩出现裂隙密集带、隧道股状出水等单个或多个现象，应考虑掌子面前方属地质异常带，及时做好超前地质预报及调整工艺工法及支护参数工作。

关键词 角闪岩;裂隙-地下水;围岩稳定性

中图分类号 U451.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0097-03

0 引言

青海海东市角闪岩分布较广泛，通过调绘判断为寒武系上统六道沟组上段（ε31d2）角闪岩，灰色，绿灰色，中粒变晶结构，块状构造，受地质构造影响较重（地震烈度VII），与加里东期侵入花岗闪长岩（γδ3）、正长岩（ζ3）、上第三系中新统西宁组（N1X）泥质砂岩相互侵扰、共生，属于地质多阶段构造运动及岩浆侵入的产物。目前国内关于青海省角闪岩物理、力学性质、工程地质特征方面研究不多，如刘显凡、汪灵、李慧（2015）认为角闪石普遍存在于变质岩及火成岩中，多由富含铁镁矿物的岩石变质而成，镁、铁、钙、钠、铝等的硅酸盐或铝硅酸盐矿物，单斜晶系，长柱状，等粒、片理显著。该文结合在建乐化隧道、香草隧道开挖揭示角闪岩的地质特征及工程性质，分析角闪岩隧道围岩失稳破坏的特征及模式，进一步分析风化特征、裂隙、地下水之间的相互作用及对围岩失稳的影响。

1 地质条件

1.1 角闪岩主要地质特征

根据前期勘察阶段工程地质测绘及钻探揭示情况，在建乐化隧道出露寒武系上统六道沟组上段（ε31d2）角闪岩，强风化、中风化发育厚度大小不均，强风化层厚度一般在3.9～5.8 m，灰色，绿灰色，中粒变晶结构，块状构造，矿物蚀变强烈，岩体风化呈散体状、碎块状;中风化层厚度一般在12.3～238.5 m（未揭穿），灰色，绿灰色，中粒变晶结构，块状构造，矿物成分以角闪石为主，角闪石具绿泥石化蚀变，岩性软硬不均，大多较硬，局部较软～极软。隧址区局部充斥加里东期侵入花岗闪长岩（γδ3）、正长岩（ζ3）、上第三系中新统西宁组（N1X）泥质砂岩[1]。

从现场隧道开挖情况分析，在不同埋深洞段，隧道围岩风化程度不均，岩质软硬不均，裂隙发育不均，裂隙面多为平直光滑，胶结较差，组合裂隙切割形成楔形掉块、滑塌现象很普遍。

1.2 地质构造

隧址区在大地构造单元上位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘，大地构造位置属于祁连加里东褶皱系，自西向东跨祁连加里东褶皱系南祁连冒地槽带、中祁连中间隆起带与北祁连优地槽褶皱带、区域构造线以北西向为主，深大断裂、褶皱构造发育，沿区域断裂有大量侵入岩分布，具长期多次活动的特点。

1.3 水文地质条件

1.3.1 地表水

隧址区属黄河流域，地表水主要为黄河流域一级支流湟水河及沿线发育的岗子沟河、瞿昙河、山间溪流等，主要接收大气降水补给，地区年降雨量分布不均，非汛期水量较小。

1.3.2 地下水

隧址区地下水主要为基岩裂隙水、构造裂隙水和碎屑岩类孔隙水，含水岩组为寒武系上统六道沟组上段（ε31d2）角闪岩、加里东期侵入花岗闪长岩（γδ3）、正长岩（ζ3）、断层破裂带及上第三系中新统西宁组（N1X）泥质砂岩，水量贫乏。埋深1.8～19.6 m，地下水的补给方式主要为大气降水，排泄方式以垂直蒸发和地下径流形式排泄，受大气降水影响，呈季节性变化。年平均降水量随地势增高而增大，年平均气温7.3℃，年平均降雨量329.6 mm，隧址区海拔3 000～4 000 m，地下水冻融循环对隧道结构存在显著影响。

2 角闪岩裂隙发育特征

乐化隧道左幅ZK38+809处，左侧拱顶-右侧边墙处发育1条斜向贯穿型裂隙（图1a），节理裂隙较发育，裂隙面微张，产状约呈70°。YK38+710处，掌子面揭示为寒武系上统六道沟组上段（ε31d2）中～强风化角闪岩，受地下水侵蚀，岩体较破碎，裂隙较发育，右侧拱部-轴线底板处发育1条贯穿型裂隙（图1b），宽约0.5 m。ZK38+809处，进洞方向右侧为中风化角闪岩，受地下水侵蚀较重，左侧为碳质泥岩，岩质较软，存在小型塌方或滑塌的可能（图1c）。YK38+813.5处，掌子面揭示为寒武系上统六道沟组上段（ε31d2）中～强风化角闪岩，岩质较坚硬，裂隙较发育，胶结较好，自稳能力一般（图1d）。

3 围岩失稳破坏模式

在建隧道围岩角闪岩为块状结构的脆性岩石，从施工过程塌方特征分析，主要以张裂塌落和剪切滑移两种失稳破坏模式为主[2]。

3.1 张裂塌落失稳破坏模式

张裂塌落主要发生于洞室顶拱，当隧道开挖后，拱顶易产生拉应力集中，当其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是发育有近垂直的构造裂隙时且有近水平方向的软弱结构面发育时，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。如图2所示，两组裂隙面相较于隧道拱顶以上，形成三角楔形体，隧道开挖后，楔形体下部临空，在自重应力及水压作用下，易出现张裂塌落，对施工有一定的影响。

如图3所示，两组竖向裂隙面与拱顶以上近水平向裂隙面组合形成方形楔形体，隧道开挖后，楔形体下部临空，在自重应力及水压作用下，易出现张裂塌落。

3.2 剪切滑移失稳破坏模式

剪切滑移可能发生于拱腰或边墙，也可能发生于拱顶，当岩体或裂隙面的剪切应力超过其抗剪强度时，出现剪切破坏，沿裂隙滑动失稳。根据现场开挖揭示情况，在建兴隆隧道角闪岩裂隙面一般平直稍粗糙或光滑，胶结较差，因此裂隙面抗剪強度参数（粘聚力及内摩擦角）较低，在裂隙发育部位一般会有渗水，可能对其参数进一步弱化，因此隧道开挖过程中剪切滑移破坏的隧道失稳现象较为常见。如图4所示，两组裂隙面相较于隧道拱腰或边墙外侧，形成三角楔形体，隧道开挖后，楔形体在自重应力及水压作用下剪应力，当剪应力大于裂隙面L1的抗剪强度时，易出现沿裂隙面L1的剪切滑移失稳破坏。

如图5所示，三组裂隙面相较于隧道拱腰或边墙外侧，形成楔形体，隧道开挖后，楔形体在自重应力及水压作用下剪应力，当剪应力大于裂隙面L1的抗剪强度时，易出现沿裂隙面L1的剪切滑移失稳破坏。

3.3 角闪岩风化-裂隙（断层）-地下水相互作用分析

在建隧道角闪岩为侵入岩，属中粒晶体结构硬质岩，主要矿物成分为角闪石、含部分石英和长石，夹杂少许云母、绿灰石。角闪岩中裂隙一方面形成于岩浆侵入成岩过程中冷凝收缩（原生裂隙），原生裂隙产状无规律性，主要受成岩过程环境影响;另一方面形成于后期地质构造活动（构造裂隙），构造裂隙产状受构造应力影响。岩体风化主要有物理风化和化学风化。风化的速度和程度取决于岩石的性质和结构、地质构造、气象水文条件、地形条件、人类活动的影响等[3]。

角闪岩的风化深度不一，差异性较大，风化强度主要受裂隙密集带和地下水渗流影响。裂隙密集带（断层）一般岩体较为破碎，完整性较差，更易使得岩体结构破坏，决定了风化的深度和范围;降雨入渗后，一般沿裂隙密集带渗流通道进行渗流，地下水一般赋存于该类破碎岩体中，对岩体进行长期的溶解、溶蚀、冲刷、软化，地下水进入裂隙面使围岩产生软化或泥化，导致岩体强度降低，产生塑性变形或泥沙石流塑状滑塌，地下水的赋存加剧岩体风化、软化，风化后的角闪岩工程力学性质较差，极易产生坍塌，裂隙在地下水作用下抗剪强度参数降低，摩阻力、内聚力减小，在组合裂隙面的切割下，开挖易出现塌方等事故。角闪岩中地下水一般赋存于中～强风化岩体中，强风化线以上为透水层，以下为相对隔水层，岩体透水性主要受裂隙密度及连通性影响，一般在裂隙密集带附近往往可能出现小规模涌水现象。

4 结论

（1）角闪岩洞段塌方往往发育于裂隙密集带，围岩稳定主要受组合裂隙控制，主要失稳破坏模式有张裂塌落和剪切滑移两类，主要发生于掌子面拱顶、拱腰部位;角闪岩风化、裂隙、地下水呈现共生共存、相互影响的特点，裂隙密集带（或断层）处岩体风化一般较强，地下水较为丰富，易出现隧道塌方、小型涌水等地质灾害。

（2）在施工过程中，若围岩出现强（或全）风化、裂隙密集带（或断层）、隧道股状出水等单个或多个现象，应考虑掌子面前前方属地质异常带，及时做好超前地质预报及调整工艺工法及支护参数工作。

（3）选择隧道开挖工法、设备配备要慎之又慎。洞室开挖必然会引起一定范围内的地层应力和形态的较大变化。矿山法建立在传统的荷载与承载“对等”的理念上。其工程机理是使用“支撑”来抵御由于地层变化所造成的“松弛荷载”，其工程行为重在支撑效果和对支撑的处理上。与矿山法对比，新奥法有着显著不同的工程机理、技术方法和操作内容。新奥法认为围岩既形成了荷载、又是承载结构部分，视支护与围岩为一体，共同承载地层压力，角闪岩地段隧道开挖宜采用后者。

（4）施工过程中，应重视地下水的疏导、堵排，防止冻融循环、镁铁离子腐蚀对二次衬砌的破坏。

参考文献

[1]刘贻灿，徐树桐，江来利，等.大别山北部斜长角闪岩类的地球化学特征及形成构造背景[J].大地构造与成矿学，1998（4）：323-331.

[2]蔡克大，袁超，孙敏，等.阿尔泰塔尔浪地区斜长角闪岩和辉长岩的形成时代、地球化学特征和构造意義[J].岩石学报，2007（5）：877-888.

[3]刘显凡，汪灵，李慧，等.角闪石族和辉石族矿物的系统矿物学分类命名[J].矿物学报，2015（1）：19-28.