張建全 王樹奎 高晨飛

摘要：基于小浪底北岸灌區(qū)一期工程某隧洞施工過程中失穩(wěn)地段地質(zhì)背景，根據(jù)影響圍巖穩(wěn)定的地質(zhì)因素、設(shè)計要素，利用赤平投影的方法，結(jié)合應(yīng)力計算分析隧洞洞頂塌方及側(cè)壁變形的原因，結(jié)果表明，走向與隧洞軸線夾角較小的構(gòu)造不利于洞室的穩(wěn)定，受淺埋洞段的上覆巖土體厚度較薄、巖體風(fēng)化程度高的影響而成為工程不利地段，斷層角礫巖抗剪強(qiáng)度低，在圍壓作用下易遭剪切破壞。

關(guān)鍵詞：淺埋洞段? 赤平投影? 洞頂塌方? 應(yīng)力

隧洞淺埋洞段在工程實踐中多為工程地質(zhì)不良地段，赤平投影以其簡便、直觀的計算方法反映線、面的方位以及相互間的角度關(guān)系，本文以小浪底北岸一期工程某洞段為例，利用赤平投影結(jié)合洞室圍巖應(yīng)力計算的方式分析洞室失穩(wěn)的原因[1]。

小浪底北岸灌區(qū)一期工程主要由隧洞、流槽、渡槽及明渠組成。隧洞為單線隧洞，建筑物等級為3級，洞型為馬蹄形，隧洞斷面高度5.3m，寬度4.3m，開挖后臨時支護(hù)采用噴錨支護(hù)，襯砌厚度0.3～0.4m。隧洞西南至東北向穿過場區(qū)，軸線方位角為47.1°，開挖至樁號11+193時，掌子面坍塌嚴(yán)重，洞室右壁變形。

通過搜集該段地質(zhì)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計算，得出該隧洞段洞室圍巖失穩(wěn)的主要原因，為類似工程建設(shè)提供借鑒[2]。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于太行山山系王屋山余脈區(qū)，地貌單元為基巖丘陵，該段隧洞微地貌屬山間洼地。兩側(cè)山體高程一般為260～300m，崗間洼地高程一般為210～221m，呈條狀南北向分布，經(jīng)人工改造在隧洞走向上呈臺階狀;隧洞進(jìn)口上游35m處分布有一南北向溪流。

1.2 地層巖性

場區(qū)內(nèi)地層主要為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、坡積碎石土、三疊系中統(tǒng)二馬營組及斷層角礫巖，詳見圖1所示的工程地質(zhì)剖面圖。

低液限粘土（黃土）（Qeol 2）：褐黃色、淺棕黃色，結(jié)構(gòu)較疏松，針狀孔隙發(fā)育，具有豎直裂隙;該層一般厚2～5m。

碎石土（Qdl 2）：黃褐色，泥質(zhì)成分主要為低液限粘土，含15%～25%的碎石，磨圓度差，粒徑一般為2～20cm，少量大于20cm，分布不均，整體上中間粒徑含量低，整體上結(jié)構(gòu)較疏松;該層一般厚1.4～2.4m。

砂巖夾泥巖（T2 2er）：砂巖呈淺灰白色、淺灰黃色，雜少量紫紅色，中厚層至厚層狀構(gòu)造，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)較好，致密、堅硬，成巖較好。泥巖呈紫紅色，單層厚度一般小于0.5m，多呈夾層狀分布，成巖相對較差;該層產(chǎn)狀一般為20°∠30°，多呈強(qiáng)風(fēng)化狀。

斷層角礫巖：紫紅色、棕黃色，雜少量灰綠色，母巖成分主要為泥巖，少量砂巖，膠結(jié)程度差，結(jié)構(gòu)雜亂，類似呈碎石土;該層為斷層F20產(chǎn)生。

1.3 構(gòu)造與裂隙

工程區(qū)位于礦口背斜東北翼，基巖丘陵具單斜地層;在區(qū)域上背斜核部沿黃河右岸近東西向延伸，東北翼地層傾向NNE，洞室軸線與背斜軸部小角度相交;受此影響，區(qū)域內(nèi)在隧洞軸線方向上分布多條走向NE的次生斷裂（斷層），巖層裂隙發(fā)育程度較高[3-4]。

隧洞場區(qū)內(nèi)有斷層F20穿過，該斷層屬正斷層，產(chǎn)狀69°∠80°。節(jié)理裂隙主要為走向節(jié)理和傾向節(jié)理，以張節(jié)理為主;該段洞室控制性節(jié)理裂隙有4組，其中2組優(yōu)勢節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀分別為275°～300°∠65°～80°、10°～35°∠70°～85°，另外2組產(chǎn)狀為110°～135°∠65°～80°、190°～210°∠70°～85°。具體見節(jié)理裂隙玫瑰花圖2、圖3。

斷層F20影響帶內(nèi)分布多條次生小斷層，寬度較窄，產(chǎn)狀類似，在斷層及其次生構(gòu)造附近巖體破碎程度較高，多呈散粒狀、碎塊狀;受其影響，砂巖夾泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，組內(nèi)同一條裂隙多有變形、偏轉(zhuǎn)，局部洞段由于應(yīng)力集中使巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)。

1.4 水文地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)小溪常年流水，流量隨降雨量而變化。場區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。第四系松散層孔隙水主要賦存于低液限粘土（黃土）及碎石土中，水位隨地形起伏而變化;基巖裂隙水主要來源為大氣降水，在入滲過程中形成脈狀裂隙水和風(fēng)化殼裂隙水。場區(qū)內(nèi)地下水與崗間洼地上游的地表水水力聯(lián)系密切，互為補(bǔ)排關(guān)系[5]。

2 洞室開挖情況

洞室開挖采用光面爆破、機(jī)械開挖的形式進(jìn)行，具體與圍巖類別相關(guān)。對于Ⅲ類圍巖，主要采用光面爆破的方式;對于Ⅳ類圍巖，主要采用爆破與機(jī)械開挖相結(jié)合的方式;對于Ⅴ類圍巖，主要采用機(jī)械開挖的方式。

2.1 各土體物理力學(xué)性質(zhì)

場區(qū)內(nèi)黃土天然密度1.78g/cm3，壓縮模量4.6MPa，抗剪強(qiáng)度20kPa，內(nèi)摩擦角18°;碎石土天然密度2.15g/cm3，抗剪強(qiáng)度8kPa，內(nèi)摩擦角28°;砂巖夾泥巖天然密度2.45g/cm3，變形模量6.0GPa，抗剪斷強(qiáng)度900kPa;斷層角礫巖天然密度2.20g/cm3，抗剪強(qiáng)度15kPa，內(nèi)摩擦角22°。

2.2 洞室圍巖類別

樁號11+157～11+178段巖性主要為砂巖夾泥巖，洞室軸線與巖層走向呈大角度斜交;砂巖屬硬巖，泥巖屬較硬巖，受節(jié)理、裂隙影響，巖體呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)，風(fēng)化狀態(tài)為強(qiáng)風(fēng)化，開挖過程中有線狀滴水。樁號11+178～11+193段為斷層及其影響帶，巖性主要為斷層角礫巖，局部為砂巖、泥巖;斷層角礫巖呈散體結(jié)構(gòu)，類似碎石土，工程性質(zhì)差。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）中附錄N“圍巖工程地質(zhì)分類”，判定樁號11+157～11+178段洞室圍巖為Ⅳ類，樁號11+178～11+193段洞室圍巖類別為Ⅴ類【6】。

2.3 洞室開挖及圍巖失穩(wěn)

在樁號11+157～11+178段采用爆破結(jié)合機(jī)械開挖的施工的方式進(jìn)行，鋼拱架結(jié)合拱頂掛鋼網(wǎng)片的方法支護(hù);樁號11+178～11+193段施工坍塌多次，主要采用機(jī)械開挖的方式進(jìn)行，用減小鋼拱架間距并全斷面掛網(wǎng)的方式支護(hù)。開挖至樁號11+193時掌子面坍塌極為嚴(yán)重，連續(xù)施工不見成效，見圖4。施工期間經(jīng)歷多次降雨，停止施工后發(fā)現(xiàn)部分已支護(hù)洞段洞室右壁及洞頂出現(xiàn)變形，見圖5;在洞段兩側(cè)5～10m范圍內(nèi)產(chǎn)生裂縫。

3 洞室失穩(wěn)及變形分析

3.1 洞段布置分析

該段地面高程210～221m，洞頂高程213m。依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）第6.2節(jié)、附錄D“淺埋隧道圍巖壓力計算方法”，對埋置深度最大地段進(jìn)行判別：該段巖性主要為低液限粘土（黃土）、碎石土、斷層角礫巖，洞室圍巖類別為Ⅴ類。根據(jù)公式6.2.2（系列）、D.0.1-2，對洞室上覆荷載等效高度進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

該段洞室走向西南至東北，與場區(qū)內(nèi)巖層走向大角度相交，傾角較緩;斷層F20走向北西至南東向，傾向北東，傾角較陡，在平面布置上洞室與之呈64°斜交;從產(chǎn)狀上巖層與斷層的走向?qū)Χ词覈鷰r的穩(wěn)定是有利的。

采用鉆爆法或淺埋暗挖法施工條件下，Ⅳ～Ⅵ類圍巖淺埋分界深度為2.5倍的荷載等效高度，即該洞段淺埋分界深度為13.5m;但該洞段最大埋置深度為8m左右，小于分界深度，故該洞段屬淺埋洞段。由于巖、土層存在荷載的擴(kuò)散角，隨著上覆巖、土層厚度的增加，沿擴(kuò)散角擴(kuò)散的范圍相應(yīng)增大，支撐覆蓋層正面壓力面積較廣，反之，支撐正面壓力的面積越小，壓強(qiáng)越大;同時，淺埋洞段風(fēng)化程度較高，巖土自身的粘聚力降低，因此，淺埋洞段一般為工程不利地段[7]。

3.2 巖體結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定分析

巖體結(jié)構(gòu)面分為原生結(jié)構(gòu)面（巖層面）、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面（斷層面、節(jié)理裂隙面）。該洞段主要結(jié)構(gòu)面為：巖層產(chǎn)狀20°∠30°，斷層產(chǎn)狀69°∠80°。綜合分析將2組優(yōu)勢節(jié)理裂隙面簡化，第一組裂隙面產(chǎn)狀為290°∠72°，第二組裂隙面產(chǎn)狀為25°∠78°。Ⅳ類圍巖洞段的3組結(jié)構(gòu)面做赤平投影穩(wěn)定分析，洞室軸線與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系見圖6，將洞頂視為平面，中心點(diǎn)為極點(diǎn)，各結(jié)構(gòu)面與洞壁的關(guān)系見圖7。

從圖6可以看出，場區(qū)內(nèi)巖層面、第二組裂隙面走向與洞軸線夾角為63°、68°，第一組裂隙面與洞軸線夾角27°。第一組裂隙面與洞軸線夾角較小，對洞室穩(wěn)定不利。巖層在垂直于洞室軸線方向上的視傾角β1為15°，傾角較小，對于洞壁穩(wěn)定有利;兩組裂隙面在垂直于洞軸線方向視傾角β2、β3分別為60°、70°，傾角較陡，對洞壁穩(wěn)定不利。

從圖7可以看出，場區(qū)內(nèi)巖層面、第二組裂隙面與洞壁夾角γ1、γ3夾角分別為81°、78°，夾角較大，接近垂直狀，對洞壁穩(wěn)定有利;第一組裂隙面與洞壁夾角γ2為32°，傾角較小，對洞壁穩(wěn)定不利。

總之，巖層面走向與洞軸線夾角大，巖層傾角小，傾向左壁，整體上利于洞壁穩(wěn)定，對洞頂穩(wěn)定不利;第一組裂隙走向同洞軸線夾角較小，與洞壁夾角較小，對洞壁穩(wěn)定不利，該組裂隙與巖層夾角較小，易形成楔體，對洞頂穩(wěn)定不利;同時，第一組裂隙傾向北西，與巖層、第二組裂隙形成的斜向棱形體易失穩(wěn)，是洞室右壁產(chǎn)生側(cè)向變形的重要因素。

3.3 洞室應(yīng)力分析

該洞段在垂直于洞軸線方向上地形較平緩，洞段屬淺埋洞段，不考慮偏壓作用;上覆地層為第四系松散土層，Ⅳ類圍巖洞段巖層產(chǎn)狀較平緩，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀;Ⅴ類圍巖洞段的斷層角礫巖呈散粒狀，自身粘聚力差;按太沙基（K·Terzaghi）關(guān)于隧洞理論模型，可將隧洞圍巖視為散粒體，因此垂直壓力與上覆巖土層的重量一致。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）附錄D中公式D.0.2（系列），對不同圍巖洞段巖體進(jìn)行側(cè)壓力系數(shù)（λ=σh/σv）計算，結(jié)果見表2。

計算結(jié)果表明，斷層角礫巖側(cè)壓力系數(shù)λ值為0.24，同碎石土的經(jīng)驗范圍值較為符合，也與現(xiàn)場狀況一致。

隧洞洞型為圓拱直墻型斷面，洞徑遠(yuǎn)小于洞軸線長度，不考慮掘進(jìn)影響，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行考慮，引用基爾西（G·Kirsh）解的公式，在洞頂時（θ=90°，r=a），該點(diǎn)剪應(yīng)力（τrθ）、徑向應(yīng)力（σr）為零，主應(yīng)力為切向應(yīng)力（σθ），即σθ=P（3λ-1），P為該點(diǎn)的垂直應(yīng)力。

該段洞室?guī)r體側(cè)壓力系數(shù)λ為0.16～0.24，小于0.33，洞頂切向應(yīng)力為負(fù)值，即隧道開挖后拱頂產(chǎn)生拉應(yīng)力;相應(yīng)的，邊墻則產(chǎn)生高的壓應(yīng)力。如果巖體抗壓強(qiáng)度較高，則邊墻仍屬穩(wěn)定狀態(tài)，而拱頂有可能產(chǎn)生坍塌、掉塊。

對于馬蹄形洞室，昆明水電勘察設(shè)計院根據(jù)光彈實驗結(jié)果，提出洞室周邊關(guān)鍵點(diǎn)切向應(yīng)力經(jīng)驗公式：σt=α·λ·σv+β·σv，式中α、β為關(guān)鍵點(diǎn)位的應(yīng)力系數(shù)，σv為該點(diǎn)的垂直應(yīng)力。根據(jù)上述公式，對各圍巖洞段洞室頂點(diǎn)、邊墻中點(diǎn)切向應(yīng)力進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

由表3可以看出：在Ⅳ類圍巖洞段洞頂切向應(yīng)力為5.0kPa，洞壁中點(diǎn)切向應(yīng)力167.0kPa。該洞段巖性以砂巖為主，強(qiáng)度較高，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)90MPa，而巖石的抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的3%～5%，巖體抗剪斷強(qiáng)度建議值為900kPa，上述指標(biāo)遠(yuǎn)大于上述關(guān)鍵點(diǎn)切向應(yīng)力，洞室圍巖自穩(wěn)能力較好;但巖層中泥巖結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低，且?guī)r體呈強(qiáng)風(fēng)化狀，尤其是泥巖抗風(fēng)化能力差，在洞頂、洞壁局部會出現(xiàn)剪切破壞。在Ⅴ類圍巖洞段洞頂切向應(yīng)力40.0kPa，洞壁中點(diǎn)切向應(yīng)力200kPa，巖性為斷層角礫巖，泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖差，結(jié)構(gòu)雜亂，類似于碎石土，抗剪強(qiáng)度低（抗剪強(qiáng)度15kPa），因此洞室圍巖自穩(wěn)能力極差，極易產(chǎn)生剪切破壞。

3.4 洞室塌方及變形分析

該洞段屬淺埋洞室，洞室上覆巖性主要為低液限粘土（黃土）、碎石土，洞室圍巖巖性主要為砂巖夾泥巖、斷層角礫巖。黃土結(jié)構(gòu)疏松，原先含水量低，且具豎直裂隙，是良好的水力通道;碎石土缺少中間粒徑，含水量較低;砂巖夾泥巖構(gòu)造較發(fā)育，其中第一組裂隙面走向同洞軸線夾角較小，傾向為洞軸線垂直方向，與洞壁夾角較小;斷層角礫巖結(jié)構(gòu)雜亂，性質(zhì)類似于碎石土。整體上，在Ⅳ類圍巖洞段低于隧道圍巖等級的軟弱層、風(fēng)化破碎層厚度大而等同級別的覆蓋厚度薄，在Ⅴ類圍巖洞段洞室圍巖及洞頂覆蓋層均為強(qiáng)度較低的松散體。由于洞室坍塌，造成斷層角礫巖、強(qiáng)風(fēng)化巖體的結(jié)構(gòu)面破壞，形成地下水滲水通道;在降雨后黃土、碎石土達(dá)到飽和，造成自重增加、抗剪強(qiáng)度變低，斷層角礫巖或泥巖結(jié)合面強(qiáng)度進(jìn)一步降低，滲透—破壞—滲透的反復(fù)影響，致使洞室圍巖產(chǎn)生變形、塌方，使地表產(chǎn)生裂縫;同時，第一組裂隙、巖層傾向左壁方向，且該組裂隙與洞壁夾角較小，在上覆荷載增加的情況下，致使洞室右壁向臨空面變形。

4 結(jié)語

（1）洞線與巖層走向和F20呈大角度相交，斷層角礫巖呈散體結(jié)構(gòu)，膠結(jié)程度差;洞室最大埋深8.0m左右，小于分界深度，為淺埋洞段，屬工程不利地段。

（2）Ⅳ類圍巖洞段洞頂巖性為砂巖夾泥巖，具層狀碎裂結(jié)構(gòu)，根據(jù)巖層產(chǎn)狀和兩組優(yōu)勢裂隙面在洞壁面上赤平投影法分析，洞室右壁巖體多為楔形體和棱形體，易在右壁臨空面發(fā)生失穩(wěn)變形。Ⅴ類圍巖洞室段洞頂巖性為斷層角礫巖成巖差、抗剪強(qiáng)度低，在圍壓作用下易產(chǎn)生塌方、冒頂現(xiàn)象。

（3）不良地質(zhì)條件是隧洞發(fā)生塌方和大變形的主要原因，人為活動和降雨加強(qiáng)了淺埋隧洞圍巖的不穩(wěn)定性?；谇捌诳辈熨Y料和實際開挖情況，作出地質(zhì)預(yù)報分析，對于提高圍巖穩(wěn)定評估、安全可靠施工是非常重要的。

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作者簡介：張建全（1974—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。

王樹奎（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。

高晨飛（1985—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。