不良地質(zhì)構(gòu)造對隧道工程的影響

余淑德，余華明

(1.江西省公路工程監(jiān)理有限公司，江西 南昌 330003；2.江西省路港工程有限公司，江西 南昌 330008)

0 引 言

當(dāng)前我國已成為世界上地下工程及隧道修建數(shù)量最多的國家[1]，并且我國也是地質(zhì)最復(fù)雜的國家之一，同時我國的施工技術(shù)水平與外國相比，還相差較多。我國地質(zhì)構(gòu)造的探測及災(zāi)害的預(yù)測還不夠深入準(zhǔn)確。隨著隧道工程建設(shè)不斷擴(kuò)大，涉及到超挖深超長的隧道，對此類超長隧道不僅要考慮工期的影響，還要考慮由于技術(shù)方面的不完善而帶來的問題，例如涌水、涌泥等。這些地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的威脅著人們的安全，對此國內(nèi)外許多學(xué)者開始對不良地質(zhì)問題進(jìn)行研究。其中彭建兵[2]就地球變化中所產(chǎn)生的構(gòu)造及各類效應(yīng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明：不良的地質(zhì)問題可能帶來的地質(zhì)災(zāi)害除了與工程本身所在的外部環(huán)境有關(guān)，還與地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)力場及結(jié)構(gòu)面等的變化有關(guān);韓行瑞[3]提出當(dāng)前的研究還應(yīng)主要放在與隧道工程相關(guān)的地質(zhì)問題上，主要是要做到能夠?qū)こ痰刭|(zhì)問題進(jìn)行預(yù)制及評價，提前發(fā)現(xiàn)問題，暴露出隱患，并能夠提前進(jìn)行預(yù)防。

本文主要是通過對隧道中的不良地質(zhì)構(gòu)造問題進(jìn)行研究，通過地質(zhì)學(xué)的相關(guān)知識判識富水帶、破碎帶以及斷成的地質(zhì)構(gòu)造，對工程作出預(yù)警，最終為隧道工程施工提供借鑒作用。

1 節(jié)理對隧道施工的影響

地質(zhì)工程中的節(jié)理一共可以分為四個級別，包括很發(fā)育、發(fā)育、較發(fā)育及不發(fā)育四個，巖石在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，節(jié)理集中密集的發(fā)育而形成節(jié)理破碎帶，行成破碎巖體帶[4]。

本文根據(jù)實際某隧道所穿越的巖石節(jié)理進(jìn)行分析，巖層的產(chǎn)狀及巖層單層的厚度如表1所示。

表1 隧道巖層節(jié)理統(tǒng)計表

從表1中可以得知，本工程中的巖層節(jié)理面有6～8個組，其中255°∠84°組為優(yōu)勢的節(jié)理組，節(jié)理的間距在65～85 cm之間，平均值為75 cm，本組的隧道拱頂部位結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵面。

通過研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)理在巖體中容易形成應(yīng)力集中，并且對存在節(jié)理的巖體，其應(yīng)力的傳遞路徑和分布情況存在不均變化性。當(dāng)隧道的圍巖初始應(yīng)力場的水平方向應(yīng)力大于垂直方向應(yīng)力時，隧道在開挖時所導(dǎo)致的圍巖位移與變形，垂直向應(yīng)力均比水平向的應(yīng)力小。因此在隧道開挖過程中水平向構(gòu)造應(yīng)力的存在對穩(wěn)定拱頂起著至關(guān)重要的作用。在本案例中，巖體容易沿著開挖后的凌空面發(fā)生順層的坍塌，這主要是由于案例中的巖層產(chǎn)狀角度較大，并且傾角也較大而造成的。因此，當(dāng)隧道開挖穿越節(jié)理的密集破碎帶時，巖層的位移與應(yīng)力都將大大增加，從而導(dǎo)致塌方或涌水兩種地質(zhì)災(zāi)害。

2 巖溶對隧道施工的影響

在我國的南方地區(qū)存在較多的巖溶地質(zhì)，巖溶的發(fā)育在區(qū)域分布及垂直剖面分布兩個方面上具有一定的規(guī)律性，它的發(fā)育受巖石的性質(zhì)、地質(zhì)的構(gòu)造及地下水和氣候等因素的控制，根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道穿越富有巖溶地區(qū)時，有可能會導(dǎo)致涌水、涌泥及洞內(nèi)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[5]。

本文基于具體的實例分析巖溶的發(fā)育情況對隧道工程的影響，本案例的隧道及巖層參數(shù)如表2所示。

表2 隧道及巖層參數(shù)表

本文對其中的兩個施工段進(jìn)行分析，其中一段為ZK21+877，本段為連洞型巖溶，該段的掌子面巖性為中層狀淺灰色灰?guī)r，寬度3～5 m，拱頂向上延伸5～7 m，其內(nèi)充填含水的粉質(zhì)黏土；在左側(cè)拱腰位置為2 m×2 m的溶洞，其內(nèi)充填少量黏土，該段的隧道埋深為50 m，主要處于單層斜巖層，巖性主要為泥盆系中統(tǒng)古木組灰?guī)r，并測得該巖體的巖層產(chǎn)狀為180°∠37°，節(jié)理為裂隙發(fā)育。另外一段為ZK21+958溶縫，本段內(nèi)隧道的埋深為88 m，在該段內(nèi)掌子面的左側(cè)挖空處與隧道的軸線大角度相交貫穿的黏土內(nèi)填型溶縫，在溶縫內(nèi)存在地下水流出，到ZK21+960時，溶縫沿著掌子面右側(cè)延伸，并沿著拱頂向上延伸，順溶縫不斷有黏土涌出，在ZK21+960后上方地表出現(xiàn)地面塌陷和多條寬度為21～32 cm裂縫，之所以出現(xiàn)裂縫主要是因為在隧道洞內(nèi)的溶縫不斷的發(fā)生涌泥現(xiàn)象。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，溶縫的發(fā)育與節(jié)理的裂隙有關(guān)，例如上述案例中ZK21+958處的溶縫，該溶縫的產(chǎn)生是由貫穿性節(jié)理表面所發(fā)育而來的，并且溶縫的發(fā)育還和大氣及降水有相關(guān)，例如ZK21+960處的溶縫。當(dāng)大氣降水滲入地表的覆蓋層并攜帶著覆蓋層的物質(zhì)沿著溶縫進(jìn)入到充填溶縫，隧道的洞內(nèi)因為一直發(fā)生的涌泥導(dǎo)致地面的覆蓋層底面失去支撐，進(jìn)而導(dǎo)致地表產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重則導(dǎo)致地表發(fā)生塌方。

從上述情況可以發(fā)現(xiàn)受地質(zhì)構(gòu)造影響的巖溶發(fā)育規(guī)律，在ZK21+877～ZK21+963施工段內(nèi)，隧道工程在開挖過程中不僅會導(dǎo)致連洞巖溶和溶縫產(chǎn)生，還會出現(xiàn)眾多的小規(guī)模溶縫，呈現(xiàn)出串珠狀。

在所開挖的巖溶中，發(fā)現(xiàn)會存在無填充或底部有少量填充物又或者是全填充的現(xiàn)象，主要是開挖的過程中，有可能將地表的覆蓋層物質(zhì)帶入而導(dǎo)致。

簡而言之，在季節(jié)換帶時，巖溶的發(fā)育規(guī)律主要體現(xiàn)為以下兩點。第一，大氣的降水會順著巖層面滲入到水平方向節(jié)理裂隙中，控制著巖溶的發(fā)育，上部在可溶巖層的作用下，將會形成溶縫，下部在節(jié)理的作用下，將會形成朝著水平方向延伸的溶洞。第二，當(dāng)巖層的層面發(fā)育溶縫出現(xiàn)上向延伸時，將會影響溶縫或者溶縫連溶洞內(nèi)黏土填充量的多少，巖溶的形成受地質(zhì)構(gòu)造的影響，而隧道的開挖又受巖溶的影響。

3 斷層破碎帶對隧道施工的影響

在隧道工程開挖的過程中地質(zhì)的斷層最為常見，隧道周圍的斷層破碎帶是影響隧道施工安全的重要影響因素，本文根據(jù)工程案例對逆斷層及正斷層對隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的影響進(jìn)行分析。

3.1 逆斷層的影響分析

本案例隧道的一處斷層屬于逆斷層，斷層的設(shè)計里程為DK1876+635，產(chǎn)狀為6∠85°，并且在該隧道附近存在一個水庫，水庫內(nèi)的水量達(dá)到30 000 m3，當(dāng)進(jìn)行隧道開挖時水庫內(nèi)的水可能會延裂隙和斷層流入到隧道內(nèi)，造成隧道突水及突泥。該斷層的地質(zhì)剖面，在進(jìn)行隧道開挖前對斷層進(jìn)行物探預(yù)測，預(yù)測當(dāng)隧道穿過該斷層時可能出現(xiàn)的結(jié)果，結(jié)合TSP掌子面探測，將預(yù)測的結(jié)果及實際開挖的結(jié)果對比分析。

(1)K1876+575～K1876+632段地質(zhì)存在局部發(fā)育的裂隙，但巖體總體較為完整，預(yù)測在隧道開挖時若無支護(hù)結(jié)構(gòu)，隧道的拱頂會有掉塊，在進(jìn)行實際隧道開挖時，將有支護(hù)結(jié)構(gòu)與無支護(hù)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，有支護(hù)段結(jié)構(gòu)隧道拱頂塊不會掉落，而無支護(hù)段隧道拱頂土塊出現(xiàn)掉落，說明預(yù)測的結(jié)果與實際的結(jié)果相近。

(2)K1876+632～K1873+640段地質(zhì)存在較為嚴(yán)重的裂隙，并且?guī)r體破碎較為嚴(yán)重，預(yù)測如不進(jìn)行隧道支護(hù)隧道將會發(fā)生坍塌。在實際進(jìn)行開挖時，對該段進(jìn)行的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，未支護(hù)段出現(xiàn)坍塌，滲水等現(xiàn)象。

通過本案例以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道開挖遇到斷層破碎帶時，不可冒然前進(jìn)，應(yīng)對隧道做好足夠的支護(hù)否則容易產(chǎn)生隧道坍塌，之所以能采用物探的方法探測處斷層破碎帶，是由于斷層破碎帶與周邊的巖體有著明顯的物質(zhì)差異。

3.2 正斷層的影響分析

正斷層是一種較為常見的構(gòu)造類型，正斷層的斷層面較為粗糙，存在較多的棱角，并且存在較多的暗水，在隧道開挖時不可冒然對正斷層進(jìn)行揭穿，既有可能會產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。

本文對馬山隧道進(jìn)行分析，該隧道的KD181+852～KD181+760段巖體的破碎程度較大，自穩(wěn)能力較大，預(yù)測在進(jìn)行開挖后容易產(chǎn)生坍塌掉塊，在進(jìn)行實際的開挖過程中，發(fā)現(xiàn)隧道如預(yù)測一樣出現(xiàn)坍塌掉塊，在KD181+540～KD181+485段巖體完整性較差，并且受到節(jié)理裂隙的影響，圍巖破碎嚴(yán)重，已進(jìn)入斷層影響帶，預(yù)測在進(jìn)行隧道開挖時會導(dǎo)致坍塌并伴有地下水出露，實際在進(jìn)行開挖時，將支護(hù)段與未支護(hù)段對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與預(yù)測相同。在正斷層區(qū)域的地應(yīng)力最主要是自重應(yīng)力，能決定隧道在開挖時的災(zāi)害類型。當(dāng)隧道穿越的巖層存在斷層時，由于斷層區(qū)域的巖體完整程度較差，施工中若不及早發(fā)現(xiàn)斷層跡象盲目施工極易造成涌水、冒頂坍塌等地質(zhì)災(zāi)害事故。

4 結(jié) 論

本文為研究不良地質(zhì)構(gòu)造對隧道工程的影響，采用歸納總結(jié)的研究方法，對實際工程不良地質(zhì)構(gòu)造原因而導(dǎo)致隧道工程中發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研究并歸納規(guī)律。研究結(jié)果表明：節(jié)理破碎帶的存在容易使隧道施工產(chǎn)生圍巖變形、或者失穩(wěn)、坍塌等現(xiàn)象，巖溶會使隧道施工產(chǎn)生涌突泥、涌沙、涌突水或洞內(nèi)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，斷層破碎帶對隧道施工可能發(fā)生壓性斷層帶、圍巖破碎變形、圍巖穩(wěn)坍方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。