隧道圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)判別方法

馮鴻寬

(遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽ll0003)

    圍巖穩(wěn)定性指隧道施工過程中，在無支護條件下隧道洞室圍巖的自穩(wěn)能力，圍巖穩(wěn)定性決定了隧道的施工工期，同時穩(wěn)定性級別的劃分也決定了隧道支護方法和開挖方式等，因此分析和研究圍巖穩(wěn)定性的彩響因素和穩(wěn)定性的評價方法，對隧道圍巖穩(wěn)定性給出正確合理的評價．對隧道設計施工合理性和運營安全性都起到重要作用。

    現(xiàn)行隧道圍巖穩(wěn)定性評價，一般分為定性評價和定量評價。定性評價是一種粗略的圍巖穩(wěn)定性評價方法，常與定量評價方法結(jié)臺使用，工程實踐中最常用的方法是工程地質(zhì)判別法。定量評價是在巖體物理力學性質(zhì)指標的基礎上，采用解析分析法、圖解分析法和數(shù)值模擬法來評價圍巖穩(wěn)定性的具體程度，是工程實踐中準確評價圍巖穩(wěn)定性極為常用的方法。如文獻[1]以現(xiàn)場地質(zhì)描述為基礎，通過對結(jié)構(gòu)面的圖解分析法(幾何分析)迅速地確定了隧道危巖塊體的位置、幾何形態(tài)、塌滑類型以及穩(wěn)定性系數(shù)；文獻[2]通過工程地質(zhì)判別法在圍巖巖體結(jié)構(gòu)分析、圍巖巖體基本質(zhì)量基礎上，進一步分析水力學特征、介質(zhì)力學特征等，對桑園水電站壩基弱風化帶上部巖體的可利用性、斷層破碎帶的穩(wěn)定性、隧洞圍巖穩(wěn)定性和支護處理措施進行了初步研究。

    本文以前人研究成果為基礎．首先分析了圍巖穩(wěn)定性的影響因素，對目前圍巖穩(wěn)定性評價采用的主要指標進行了分析；以某公路隧道為實例，通過勘測資料和現(xiàn)場開挖圍巖揭露，以工程地質(zhì)判別方法從圍巖巖性、結(jié)構(gòu)面特征等方面對圍巖開挖穩(wěn)定性進行了評價。

1.圍巖穩(wěn)定性影響因素

    根據(jù)隧道圍巖變形破壞特征，結(jié)合時間因素考慮，一般將圍巖的穩(wěn)定性劃分為五級：①穩(wěn)定。圍巖只發(fā)生彈性變形，無塑性流動變形和破壞．隧道開挖后不支護可長期自穩(wěn)，無坍塌，但偶爾掉塊；②基本穩(wěn)定。坑道會因爆破、巖塊結(jié)合部位松弛等而產(chǎn)生局部掉塊．但不會引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，層間結(jié)臺差的平緩巖層頂板可能彎曲、斷裂。此時應采取局部支護或輕型的支護：③穩(wěn)定性差。可短期自穩(wěn)．但不能長期自穩(wěn)，易發(fā)牛巖層彎折、松弛埽落、脆性破壞等變形破壞，但一次破壞規(guī)模不大；④不穩(wěn)定，只能暫時(幾小時或幾天內(nèi))不塌方，但變形一直持續(xù)發(fā)展，破壞形式可以從局部到整體．扶小規(guī)模到大規(guī)模；⑤很不穩(wěn)定。不支護尤自穩(wěn)能力．必須超前及時支護或采取預加固措施才能保證施工的安全，塌方的規(guī)模往往很大。

    影響隧道圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)環(huán)境因素大體上可分為兩大類：一類是客觀存在的地質(zhì)環(huán)境因煮或者稱為內(nèi)在的因素；一類是人為的主觀因素或者稱為外部環(huán)境因素。內(nèi)在因襲是影響隧道圍巖穩(wěn)定的基本的決定性的因素，主要包括：圍巖初始應力場狀態(tài)、圍巖的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及地下水狀態(tài)等。外部環(huán)境是通過內(nèi)在因素的作用而起作用的，主要包括：施工方法、支護方法和時間、隧道的形狀和尺寸4。及隧道的埋深等。概括國內(nèi)目前許多的穩(wěn)定性分析均采用圍巖性質(zhì)及強度、圍巖結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面特征，初始地應力場、地質(zhì)構(gòu)造及地下水指標，為了準確對圍巖穩(wěn)定性進行評價，有必要了解這些指標的影響程度。

    1.1圍巖性盾廈強度

    在地應力一定的條件下，嗣巖主要分為脆性圍巖和塑性圍巖。塑性圍巖主要包括各類黏土質(zhì)巖石、黏土巖類、破碎松散巖和吸水易膨脹巖等，通常具有風化速度快、力學強度低和遇水軟化、崩解、膨脹等不良性質(zhì)，故對隧道圍巖穩(wěn)定性極為不利。脆性圍巖主要為強度高的各類硬質(zhì)巖，由于這類巖石的強度遠遠高于巖體的強度，故脆性圍巖的強度主要取決于巖體結(jié)構(gòu)面的特征廈麗巖的結(jié)構(gòu)，圍巖本身的強度影響并不顯著。

    1.2圍巖結(jié)構(gòu)廈蛄構(gòu)面特征

依據(jù)工程巖土學，圍巖結(jié)構(gòu)可以將巖體結(jié)構(gòu)劃分為整體塊狀結(jié)構(gòu)(整體結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu))、層狀結(jié)構(gòu)(薄～厚層狀結(jié)構(gòu))、碎裂結(jié)構(gòu)(鑲嵌結(jié)構(gòu)和碎裂塊狀結(jié)構(gòu))以及散體結(jié)構(gòu)(破碎結(jié)構(gòu)和松散結(jié)構(gòu))，其中散體結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)巖體次之，整體塊狀和厚層狀巖體穩(wěn)定性最好。對脆性的厚層和塊狀巖體．巖體強度主要受軟弱結(jié)構(gòu)面分布特點和軟弱夾層成分控制。而結(jié)構(gòu)面特征指的是結(jié)構(gòu)面的大小、發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面形狀及結(jié)構(gòu)面的克填情況等等．它不僅反映了結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)，也反映了圍巖的完整性程度等。

    1.3初始地正應力場

    圍巖的初始地應力場是使隧道圍巖變形、破壞的重要作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。對淺埋隧道及在構(gòu)造應力不大的堅硬巖體中開挖洞室．一般不會有明顯的影響；但在高應力區(qū)，在軟巖及在埋深很大的洞室和隧道中，則初始地應力會對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。一般采用隧道軸線與最大主應力方向平行以改善隧道周邊的直力狀態(tài)．提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。

    1.4地質(zhì)構(gòu)造

    是指圍巖的結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度與區(qū)域性的褶皺、斷裂蕁地質(zhì)背景。由于構(gòu)造的存在影響了圍巖的完整性和降低了巖體的力學強度，故它對圍巖穩(wěn)定性有重要的影響c一般來說．巖體經(jīng)受的構(gòu)造變動的次數(shù)愈多，愈強烈．巖層的節(jié)理裂隙就愈發(fā)育，巖體的穩(wěn)定性也就愈差。

    1.5地下水

    地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為溶蝕巖石和結(jié)構(gòu)面中易溶膠物．潛蝕充填物中的細小顆粒．使巖石軟化，疏松，充填物泥化，強度降低，增加動、靜水壓力等．從而降低隧道圍巖的穩(wěn)定性。調(diào)查資料表明．不同類別隧道圍巖受地下水的影響程度是不相同的。

2.工程地質(zhì)判別方法實例分析

    工程地質(zhì)系統(tǒng)分析方法[2]就是將勘察中得到的各種地質(zhì)單元的有關(guān)地質(zhì)性質(zhì)、巖體力學性質(zhì)、水文地質(zhì)性質(zhì)等不同表現(xiàn)形式的信息相互緊密聯(lián)系起來，加上考慮工程地質(zhì)環(huán)境、水工建筑的要求及施工處理措施的量化、綜合分析的方法。

    2.1.l實例工程背景

    某公路隧道全長約200 m，最大埋探約60 m，隧道設計為整體式雙跨連拱結(jié)構(gòu)，單跨凈寬l08m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，隧道圍巖為泥巖、砂巖互層。在隧遭進出口段有少量的粉質(zhì)黏土和碎石土；隧道位于低地應力區(qū)；場區(qū)內(nèi)無斷裂斷層帶；地下水主要為基巖裂隙水和松散巖孔隙水，主要以大氣降水的滲透補給為主．賦存巖體的風化裂隙和層面中。由于施工時是枯水季節(jié)．因此隧道開挖后洞內(nèi)處于干燥或少量滴水情況。

    2.2圍巖開挖后穩(wěn)定性評價

    由于隧道圍巖較軟．特別是泥巖，圍巖風化情況為全強風化。勘察和開挖揭露隧道的圍巖級別為Ⅳ級和V級．在隧道進出口段，由于泥巖、砂巖風化的差異和互層面的結(jié)合差．開挖后圍巖應力釋放，增大了結(jié)構(gòu)裂隙面，因此局部出現(xiàn)塌方。監(jiān)測結(jié)果同時也表明支護結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)持續(xù)增大的特點。

    通過現(xiàn)場開挖掌子面結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量，巖體結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角約20°～25，且傾角在28°-34°之間根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與穩(wěn)定性的關(guān)系，該隧道中結(jié)構(gòu)面對穩(wěn)定是不利的，也就是說結(jié)構(gòu)面和隧道開挖性空面的交切組合出現(xiàn)尺寸小于洞胯的不穩(wěn)定塊體一在隧道開挖后的應力調(diào)整過程中，由于軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是互層面的抗剪強度較低，自重作用下圍巖拱部不穩(wěn)定塊體沿軟弱結(jié)構(gòu)面或夾層出現(xiàn)多次錯動、掉塊等。

    從圍巖結(jié)構(gòu)上分析看．IV級圍巖由于混巖砂巖受風化影響程度不一樣，主要以呈碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部呈破碎結(jié)構(gòu)；v級圍巖主要為破碎結(jié)構(gòu)。因此。僅從結(jié)構(gòu)上看圍巖穩(wěn)定性較差。

    從上面的圍巖性質(zhì)，風化程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與隧道軸線關(guān)系及圍巖結(jié)構(gòu)破碎程度分析，結(jié)臺穩(wěn)定性的分級和其變形機制，該隧道的穩(wěn)定性以不穩(wěn)定為主，局部地段為穩(wěn)定性差一由于場區(qū)為低地應力和隧道施工時為干燥和少量滴水，故在工程地質(zhì)判斷時對地下水的影響來加考慮。

3.結(jié)論

    本文通過前面影響因素對穩(wěn)定性的機理分析及工程地質(zhì)判別實例分析，得到以下幾點結(jié)論．供類似隧道開挖的工程地質(zhì)勘察及穩(wěn)定性評價提供參考。

    (1)在隧道圍巖工程地質(zhì)分析時，穩(wěn)定性應以圍巖性質(zhì)及強度、圍巖結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面特征、初始地應力場、地質(zhì)構(gòu)造及地下水為基本評價指標。

    (2)隧道圍巖施工時．虛注意圍巖軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧道的軸線關(guān)系及軟弱面的發(fā)育程度。

    (3)通過具體隧道實例，從工程地質(zhì)角度分析，得到本隧道圍巖的穩(wěn)定性以不穩(wěn)定為主，局部地段為穩(wěn)定性差的結(jié)論。

參考文獻

[l]楊小永．蘇生瑞，伍法權(quán)，隧道危巖塊體穩(wěn)定性的地質(zhì)—幾何簡明分析法[J]巖土力學，2006．27(6)：890—894

[2]陳伊清，工程地質(zhì)系統(tǒng)分析方法在桑畫水電站工程中的應用    [J]中國農(nóng)村水利水電，1999，(6)：23－ 27

[3]刑念信，地下開挖中的圍巖穩(wěn)定性評價[c]∥全國第三次工程    地質(zhì)大會論文集，成都科技大學出板社．l988：1249—1252

[4]周建民．金豐年．王斌．等洞室跨度對圍巖分類影響探討[J]巖土力學，2005，26(1)：303－ 305

[5]唐大雄，孫愫文工程巖土學[M]北京地質(zhì)出版社．1987

[6]車志業(yè)．曾艷華，地下結(jié)構(gòu)設計原理與方法[M]成都：西南交通大學出版社，2003

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)