不同岩土体条件下黄土泥岩隧道沉降变形特征对比分析

张明轩，胡金鑫

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730030）

1 黄土和泥岩的特征及岩土体条件

1.1 黄土的特征和形成机理

黄土是一种特殊的风化残积物，具有独特的物理和力学性质。黄土颜色呈现黄色或棕黄色，质地坚硬，干燥时易开裂，湿润时易变成黏土。黄土具有较好的排水性和稳定性，但其渗透性差，广泛分布于中国的黄土高原、青藏高原和华北平原等地区，是中国最重要的地貌类型之一。

黄土的形成与岩石的物理和化学风化密切相关。黄土主要由岩石矿物经过长时间风化、冻融、干湿循环等作用而形成。在黄土形成的过程中，水分、风、重力、温度等因素都起着重要的作用。黄土的形成过程一般经历3 个阶段：破碎岩屑阶段、矿物交换阶段和结皮固化阶段，其形成过程中主要受气候、地形和地质条件的影响。另外，黄土的形成需要具备一定的降水量和温度条件，且在地形上需要存在一定的侵蚀和淤积作用，同时地下水的作用也是重要的因素。

1.2 泥岩的特征和形成机理

泥岩是一种由细粒沉积物（粒径小于0.063 mm）组成的沉积岩石，主要成分是黏土矿物，含有少量的石英、长石、碳酸盐等。泥岩的颜色一般为灰色或黑色，质地柔软，易于剖分，断面呈现出层理结构。泥岩具有很强的吸水性和膨胀性，容易产生水害和滑坡等地质灾害。泥岩的形成与古地理环境、沉积物来源、沉积条件等因素密切相关。泥岩主要由细粒沉积物（如黏土、粉砂等）在水体或湖泊中沉积而成。在沉积过程中，泥岩矿物颗粒之间受到水分和周围颗粒的压实作用，逐渐变得致密。其成岩过程一般分为压实、胶结、固结3 个阶段，其中，水的作用是非常重要的因素。泥岩广泛分布于地球各个地区，尤其是海洋、湖泊、河流等水体附近。在这些地方，泥岩矿物颗粒在水体中长时间沉积，逐渐形成泥岩层。此外，泥岩的形成还与古地理环境、气候、构造运动等因素有关。例如，在地震和火山活动等构造运动的影响下，泥岩层可能会发生断层和变形[1]。

1.3 不同岩土体条件下隧道的地质条件

1.3.1 黄土地质条件

黄土是一种易于开挖的软黏土岩石，在干燥状态下易于削切，但在潮湿状态下黏性较大，对于隧道施工的挖掘和支护具有一定的困难性。在隧道施工中，黄土地质条件主要存在2个问题：（1）黄土中的含水量较高，易引起泥石流和滑坡等地质灾害；（2）黄土的可塑性较强，容易发生土体沉降和隧道变形。因此，需要采取有效的防止泥石流和滑坡的措施，以及加强隧道的支护措施。

1.3.2 泥岩地质条件

泥岩是一种软弱性质的岩石，抗压强度低，易于发生破坏和变形。在隧道施工中，泥岩地质条件下存在的主要问题是围岩的不稳定性和水的渗透性强，容易引起隧道沉降和地面塌陷等问题。因此，需要采取加强隧道支护、预处理地下水、加强排水等措施。

2 黄土和泥岩隧道沉降变形特征对比分析

2.1 黄土隧道沉降变形特征

1）隧道沉降：黄土隧道的沉降量相对较大，尤其是在施工初期和运营阶段，隧道的沉降量可能达到几厘米甚至十几厘米。

2）周边土体变形：黄土隧道周边的土体也容易受到影响，发生沉降和变形。周边建筑物、桥梁等结构物的变形也可能受到影响。

3）地面塌陷：黄土隧道施工中，常常需要进行地下开挖，容易引起地面塌陷。特别是在降雨季节，黄土地基的稳定性会受到严重的威胁，很容易引起地面沉降、坑洼和塌陷。

4）滑坡和泥石流：黄土隧道周边地区常常存在山体和沟壑，地质条件不稳定，加之降雨等自然因素的影响，容易引起滑坡和泥石流等地质灾害，从而影响黄土隧道的安全运营。

2.2 泥岩隧道沉降变形特征

1）隧道沉降。泥岩隧道的沉降量相对较小，但是隧道沉降的时间较长，尤其是在运营阶段，隧道沉降量会逐渐增加。

2）周边土体变形。泥岩隧道周边的土体容易受到影响，发生沉降和变形。周边建筑物、桥梁等结构物的变形也可能受到影响。

3）渗透和涌水。泥岩具有一定的渗透性，隧道周边的地下水位的变化会引起泥岩隧道的渗透和涌水，从而导致隧道的沉降和变形。

4）蠕变变形。泥岩具有蠕变性，长期受到应力的作用，会导致隧道产生蠕变变形，严重影响隧道的稳定性和安全性。

3 黄土泥岩复合地层隧道沉降变形特征对比分析

3.1 复合地层隧道的地质条件

黄土和泥岩是地质工程中比较常见的地质条件，而复合地层则是指由多种不同类型地层组成的地质条件，黄土泥岩复合地层隧道则是指地下隧道所处的地质条件为由黄土和泥岩组成的地质层序列。黄土泥岩复合地层隧道所处的地质条件一般是由黄土、泥岩和夹层组成的，这些地层形成于不同的时代和环境条件下，因此，其结构和性质也存在较大的差异。黄土层一般为非饱和状况，泥岩层则相对较湿，且两者之间存在明显的分界面。同时，由于黄土的可塑性较差，其内部的微观结构和力学特性也存在较大的非均质性和异质性，对隧道的建设和支护带来了一定的难度[2]。

3.2 复合地层隧道沉降变形特征

1）呈现不规则形态的地表沉降。由于复合地层的存在，隧道所处地表的沉降形态通常呈现出不规则的形态，而且难以进行精确的预测。此外，由于不同地层条件下土体力学特性的差异，不同部位地表的沉降速度也可能存在较大的差异。

2）不同层位沉降速度的不同。由于复合地层中不同地层的土体力学特性不同，不同层位的沉降速度可能存在较大差异。一般来说，较为松散的地层沉降速度较快，而较为坚硬的地层沉降速度较慢。

3）不同变形模式的共同作用。复合地层隧道的沉降和变形往往涉及多种变形模式的共同作用，例如，侧向变形、竖向变形、弯曲变形等。其中，侧向变形可能会导致隧道横向变形和地表塌陷，竖向变形可能会导致隧道纵向变形和开裂等。

4）难以精确预测的沉降和变形趋势。由于复合地层的存在，隧道沉降和变形的趋势难以进行精确的预测，因此，在隧道工程中需要采取有效的监测手段对隧道的沉降和变形进行实时监测和预警。

4 不同岩土体条件下隧道沉降变形特征的对比分析

4.1 不同岩土体条件下隧道的地质条件

4.1.1 黄土地质条件下的隧道

黄土隧道一般处于黄土地质区，黄土是一种特殊的黏性土壤，具有较差的可塑性和变形性，同时在干燥季节黄土易裂缝，使得隧道建设和支护难度较大。此外，黄土的含水率对黄土隧道的稳定性和安全性也存在较大影响，需要进行合理的水文调控和防水措施。

4.1.2 泥岩地质条件下的隧道

泥岩隧道一般建设在泥岩地质区。泥岩具有较高的密实度和抗剪强度，但其含水率较高，易受水分和地震等自然因素的影响。因此，泥岩隧道在设计和施工过程中，需要充分考虑泥岩的水文地质条件和地震安全性。

4.1.3 复合地层隧道

复合地层隧道是指由多种不同类型地层组成的地质条件，如黄土泥岩复合地层、岩石与黄土复合地层等。复合地层隧道的地质条件较为复杂，难度较大，需要采取多种地质工程技术手段进行合理设计和施工，以确保隧道的安全性和稳定性。

4.2 不同岩土体条件下隧道沉降变形特征的对比分析

4.2.1 黄土地质条件下隧道的沉降变形特征

黄土隧道的沉降变形特征主要表现为隧道周围土体的塑性变形和沉降。黄土的可塑性较强，受到隧道开挖后的应力作用，易出现挤压变形和水平收缩裂缝。同时，黄土地质条件下，隧道的沉降和变形过程较为复杂，需要采用复杂的地质监测手段和支护措施。

4.2.2 泥岩地质条件下隧道的沉降变形特征

泥岩隧道的沉降变形特征主要表现为地面沉降和土体膨胀。泥岩的含水量较高，易受到水分和地震等自然因素的影响，导致泥岩隧道周围土体发生塑性变形和沉降。同时，泥岩的膨胀性较强，隧道建设和支护难度较大。

4.2.3 岩石地质条件下隧道的沉降变形特征

岩石隧道的沉降变形特征主要表现为地表沉降和岩层破碎。岩石具有较高的抗压强度和抗剪强度，但在开挖和破碎过程中会产生大量岩屑和尘土，导致岩石隧道周围土体发生塑性变形和沉降。同时，岩石隧道建设和支护难度较大，需要采用较为复杂的支护技术和方法。

4.2.4 复合地层隧道的沉降变形特征

复合地层隧道的沉降变形特征较为复杂，主要表现为不同地层之间的相互作用导致的塑性变形和沉降。在复合地层隧道中，不同地层的性质和特征存在差异，相互之间会发生应力、变形和沉降的相互作用。针对复合地层隧道的沉降变形特征，需要采用多种地质工程技术手段进行支护和监测。例如，在建设过程中，需要采用合理的隧道设计和建设方案，根据不同的地层特征采取不同的支护措施，如岩体支护、土钉墙加固、压路注浆等；在隧道使用过程中，需要进行定期监测，及时发现隧道的沉降和变形情况，采取适当的维修措施，确保隧道的安全性和可靠性。

通过对比分析，不同岩土体条件下隧道沉降变形特征存在较大差异。黄土隧道主要表现为土体塑性变形和沉降；泥岩隧道主要表现为地表沉降和土体膨胀；岩石隧道主要表现为地表沉降和岩层破碎；而复合地层隧道的沉降变形特征较为复杂，主要表现为不同地层之间的相互作用导致的塑性变形和沉降。针对不同岩土体条件下隧道的特点，需要采取不同的支护和监测措施。例如，在黄土地质条件下的隧道，需要采用加固措施和监测手段，以减小黄土土体的变形和沉降；在泥岩地质条件下的隧道，需要加强隧道的支护和防水措施，以防止土体膨胀和水侵袭；在岩石地质条件下的隧道，需要采用岩体支护技术和防护措施，以减小岩石的破碎和裂缝；在复合地层隧道中，需要根据地质特点和隧道设计要求，采取多种地质工程技术手段进行隧道的建设和支护。

5 结语

综上所述，不同岩土体条件下隧道的地质条件和沉降变形特征存在着显著的差异。黄土隧道的沉降变形主要表现为塑性变形和侵蚀作用，泥岩隧道则表现为蠕变和挤压变形。而复合地层隧道的沉降变形特征更为复杂，需要采用多种地质工程技术手段进行支护和加固。因此，在实际的隧道工程建设中，需要根据具体的地质条件和岩土体特征，合理选择支护措施和工程技术手段，确保隧道的稳定性和安全性。