地质灾害分析与防治

二道垭隧道塌方机理分析摘要：论文以该隧道施工中出现的塌方实例为研究对象，对二道垭隧道围岩特性以及所在区域工程地质条件的分析，在此基础上将理论与实际相结合起来，对塌方发生的成因、机理进行了分析，并为后续处理对策提供坚实的依据。关键词：公路隧道塌方机理应力分布AnalysisofMetheodofLandslidesofErdaoyaTunnelAbstract：Takingthelandslidescaseintunnelconstructionasstudyobject,andbasingontheanalysisofthecharacteristicsofErDaoyaTunnelofbaserockandtheregion'sgeologicalconditionsandcombingtheoryandpractice,thispaperanalyzedthecausesofgeologicaldisasters,whichprovidedasolidbasisforfollow-updisposalmeasures.Keywords:roadtunnel;landslidesofthetunnel;distributingofstress0引言处在断裂构造带附近的隧道洞室在开挖施工过程中，围岩出露往往复杂多变，坚硬岩层、软弱岩层以及松散层等均有分布。当隧道洞室处于自稳能力差的软弱围岩中时，施工中应采取有效措施对围岩进行加固与处理，否则将会引起洞内冒顶或塌方破坏事故，给隧道施工和运营带来很大危害［1。本文结合曾经实习的二道垭隧道出口段塌方事故，从多个角度探讨了该处软塑性围岩在施工开挖扰动以及地下水的影响下发生重力坍塌破坏的原因。1洞内塌方情况介绍1.1左线塌方过程二道垭隧道左线ZK95+526〜+667段原设计为I〜III级围岩，初期支护为药卷锚杆，间距1.2米的格栅拱架，S3b衬砌支护（各种衬砌支护详细介绍参看附表一）。2005年7月4日（注：此节时间均为2005年，后文略）早上隧道左洞施工到ZK95+567时，在爆破开挖后掌子面处发现黄泥层并有渗水，不时有少量塌落物。中午黄泥层继续塌落，塌落速度加快，并有较大的渗水。在洞右方形成小型塌洞。下午在图2塌方体堵塞开挖面的情形7月5日上午已完成两棉工字钢的架设。下午在图2塌方体堵塞开挖面的情形图1塌方落下的黄泥碎石土和石块施工第三棉工字钢时，发现后面已完成的初期支护混凝土出现裂纹，并且随着塌落物不断增加裂纹也逐步增大。晚上开挖面开始出现大面积塌方，落下了黄泥碎石土和石块，如图

1所示。整个开挖面被塌方体覆盖，如图2所示。1.2右线塌方过程二道垭隧道出口段右线YK95+461〜YK95+667段原设计围岩类别为I〜III级，初期支护采用长3m环向间距1m的①22药卷锚杆、间距1.2m的格栅拱架、①8钢筋网和22cm厚C20喷射混凝土的S3b支护，施工方式为两台阶爆破开挖。7月5日，当隧道左线出现大面积塌方时，隧道右线处于正常施工状态。7月6日，当开挖至YK95+577时，掌子面左侧拱部及侧墙也出现黄泥软弱夹层，并且夹有少量孤石，同时伴有地下水从岩层中渗出。当时掌子面及侧墙部位开始出现小型塌方。至当天晚上，开挖面出现大面积坍塌，并且掌子面后方2m范围内已施工完毕的初期支护被压垮，开挖台车由于没有来得及退出被塌压变形，如图3所示。图3开挖台车被塌方体压塌变形 图4右洞第二次塌方塌落的碎石土及块石右洞塌方经过处理后，7月26日开始继续向前开挖。从YK95+577-YK95+552的25m变更为W级围岩。从YK95+552开始按原设计III级围岩设计施工。8月18日施工至YK95+536断面时，上台阶掌子面右侧出现与石灰岩层呈角度不整合接触的黑色碳质灰岩层，该岩层厚度在30cm左右，较破碎；拱顶处沿岩层倾向有一40cm厚的黄泥夹层。该夹层贯穿整个上台阶掌子面并向下台阶延伸，且在拱顶处覆盖区域较大。靠近黄泥夹层的岩层均为强风化且极为破碎的石灰岩，灰黑色，用手就可以剥落；地下水在掌子面中心的裂隙中呈线状流出，掌子面前段均以滴状流出。由于破碎岩层极不稳定且随时都会产生掉块，所以在进行爆破钻孔开挖之前施工单位先用挖掘机将上台阶掌子面的松散岩层挖落，施工进度较前几天要慢。8月19日早晨，当爆破开挖至YK95+535时，拱顶处的黄泥夹层和右侧的碳质灰岩层的覆盖范围已经扩大，并且由于黄泥在地下水作用下抗剪强度和自稳能力下降，最终致使拱顶处围岩不能自稳而发生大体积塌方（如图4所示），塌方体为碎石土及小型块石。至上午十点左右，塌方体体积已有30m3左右，并且不时有塌落物从拱顶上部的超前小管棚的缝隙中掉落下来。2塌方原因分析2.1塌方区围岩类型⑵到07年6月8日为止，二道垭隧道右线已经贯通，左线只剩下20米未打通。根据当时已开挖出露的岩层，二道垭隧道段岩层以弱风化石灰岩为主，局部地段含有绿泥钠长片岩和石英岩。勘察与设计的围岩类别大都为I—III级。塌方位置处于I级构造地带，受强烈地质构造作用及侵入活动的影响，断层、褶曲发育。该段地表出露灰色、灰褐色强风化碎石土、石灰岩，沟谷下切较深，地表通过垭口汇集的大气降水极易沿断层裂隙、构造节理面下渗，成为该段大量涌水的主要补给水源。隧道内围岩岩性主要为断层石灰岩、断层泥及紫红色风化泥岩，灰黄色膨胀泥岩及黑色中薄层软弱碳质板岩，节理裂隙十分发育，裂隙中充满泥沙，无粘性，围岩揉皱、错动、破碎严重。掌子面灰黄色断层石灰岩、风化泥岩遇水后迅速软化成泥浆引起围岩剪切强度急剧下降，进而形成突泥。2.2地形地貌对塌方的影响二道垭隧道经过区属构造剥蚀中、低山丘陵地貌单元，地形起伏较大，并且该区域内植被发育。隧道经过区地形标高介于640.0〜910.0m，最高点标高910.0m，相对高差约270m。山体顶部浑圆，区内冲沟多呈北东向发育，冲沟内多为第四系覆盖层。地形坡度一般在25°〜60°，进口段为两山间冲沟，坡度较缓约为25°，出口段坡度较陡，坡度约45°〜50°，坡地植被发育。山脊大部呈狭长、陡峭，或为狭长平缓状。进口段为八斗庄两沟谷交汇处，坡度较缓。出口段坡度较陡，近旁有一河流蜿蜒而过，河流常年有水流。本地区地下水按附存条件可分为松散介质孔隙水、碳酸盐岩溶裂隙水。总体而言，水量不丰富。隧道线路经过区域的冲沟与隧道相交，隧道受冲沟地质条件和渗透的裂隙水影响较大，易发生塌方和变形等地质灾害。具体分析如下：地表陡缓直接影响降水渗入量的大小。在比较平缓的地段，降水渗入量较大，将有利于对破坏围岩的稳定性。地形较陡的地段，地表径流较快，降水渗入量较小，对围岩的影响也相对较小［3。2.2.1垭口对隧道的影响从二道垭隧道所在区域的地形图可以看出，该区域有七个垭口与隧道相交，出现了不少地质问题。垭口与隧道相交使得隧道的埋深变浅，地表水会通过裂隙迅速到达隧道施工区域，造成岩体软化，降低了围岩的承载能力，进而产生变形甚至塌方等事故。下面就二道垭隧道YK95+577和ZK95+567两处的塌方来进行地形地貌对隧道围岩稳定性影响的讨论。隧道在何家沟垭口段埋深较浅，垭口地势险峻，外呈一深切的V字形峡谷。该垭口沟底宽度约为20〜25m，沟底有小股水流，并且水流中夹带有黄泥。沟底有孤石林立，另外地表主要分布的是土层。其中沟边靠进口侧分布的是荒地，从地形地貌上来看，该处为一小型的梯田状荒地。沟两边的山坡都较陡。垭口沟底标高为710m左右，而隧道右线右侧的郧漫公路路面标高约为780m，上下标高相差约70m。图5显示了该垭口的地形与地貌。从地形上看，隧道左线与该垭口山谷约成30°左右斜交，隧道中线桩号为ZK95+567对应的地面点在山坡上，山势陡峭，倾角约为50°。山上长着一般灌木，其地表主要是松散土层，厚度不大。在发生塌方的ZK95+567对应的地面点附近外露有弱风化的碳质灰岩，节理裂隙发育，破碎分层严重，表面长满青苔。周围各处分布有孤立破碎的碳质灰岩石块。隧道右线YK95+577中线对应的地表处于沟底的正中央，线路走向与峡谷夹角约50°。沟底有水流，水底有黄泥沉积层，沟边（隧道进口侧）有荒地，荒地地表为黄土层，土层厚度约2〜3m。沟内到处分散着大小不一的孤石。图5峡谷地形地貌该垭口的冲沟内主要上覆土层为第四系（Q）覆盖层（粘土及碎石土Q4）），厚度大约为2.0〜3.0m。垭口两侧山坡上的外露岩体主要震旦系陡山沱组（Z2d）石灰岩，岩层产状角度较大，总体倾向北东，颜色为黑褐色。微风化，中厚层状构造，节理、裂隙发育，微张一密闭型，片理胶结一般。设计围岩类别为II—III级。因此，该垭口区段内围岩整体性与稳定性一般。从地表情况看，该垭口常年有地表流水，地表流水可能通过石灰岩节理裂隙下渗，导致岩石软化和岩石结构面的软化，雨水冲刷黄土沉积层，并渗入岩体结构面内，从而降低岩石整体性和稳定性。从地质纵断面图来看，塌方段地表正位于两山峰之间的垭口处。垭口处有一断层（F3）经过，位于垭口处的岩层受水平地应力作用挤压严重，致使岩石破碎，岩体内部节理裂隙被两侧地表冲积土所充填。同时，塌方发生时正值雨季，地表水丰富且沿垭口地势较低的破碎岩缝、节理裂隙中渗流。垭口地势较低处距离隧道的拱顶只有25m左右，地表水可以较快地到达隧道围岩，因此隧道洞内渗水较大，夹在岩石间的黄泥软弱夹层及其它松散岩体受渗水作用迅速软化，岩体抗剪强度大大降低，岩石间的摩擦力不能支撑上部岩体重量从而导致隧道拱顶围岩发生重力坍塌。二道垭隧道于2005年7月6日分别在左线ZK95+567断面、右线YK95+577断面发生塌方事故，塌方主要原因是因垭口下方岩石破碎，夹杂黄泥，地表渗水，使围岩之间的抗剪强度急剧下降所致。塌方有先兆，左右洞开始均在侧拱出现小型塌方。同时，当左洞由：掌子面出现夹泥一侧拱小型塌方一大面积塌方以后，在左洞塌方后，右洞又继续重复这一过程。如果以左洞塌方作为右洞的超前预报，及时采取支护措施，则可以避免重蹈覆辙。2.2.2偏压和地应力对隧道的影响通过对地形图的分析和现场实际调查，二道垭隧道所处区域地貌属构造剥蚀中、低山丘陵地貌单元，地形起伏较大，相对高差约270m。沿线地势西北高，东南低，局部由于较强烈的切割而显陡峭区内冲沟多呈东西向发育，沟谷较陡，冲沟内多为第四系残坡堆积物。在YK93+090-YK93+147（此处仅举一处为例）桩号处地形上不对称，存在一定程度的偏压问题。一个地区的地应力高低在地质上是有征兆的，即存在有高地应力地区和低地应力地区的地质标志［4］。这里所谓的高地应力和低地应力是指水平地应力和垂直地应力比较而言。孙广忠在1987年总结提出了高地应力地区和低地应力地区的地质标志如下：高地应力地区地质标志：围岩产生岩爆；收敛变形大；软弱夹层挤出；饼状岩芯；水下开挖无渗水；开挖过程有瓦斯突出。低地应力地区地质标志：围岩松动、塌方、掉块；围岩渗水；节理面内有夹泥；岩脉内岩块松动、强风化；断层或节理面内有次生矿物呈晶簇、孔洞等。陶振宇曾经指出地应力大小与岩石强度有关囱。对轻缓构造作用地区不一定遵循这一规律，轻缓构造作用地区的地应力水平与弹性模量有关系。因此可以认为地应力随深度成线性变化是有条件的。如：地应力随深度分布与地应力场形成过程，特别是构造作用与剥蚀作用有关；在剥蚀作用下在地下不太深处存在一个地应力集中带，接近地面的地方存在一个卸荷应力带，在比较深处才是正常的地应力带，有的地方卸荷应力带比较厚，厚达百米；地应力分布还与岩性密切有关，坚硬岩体内地应力高，软弱岩体内地应力低，它受岩体的弹性模量或岩体强度所控制。在二道垭隧道区域，高地应力还是存在的。但是由于水和岩石条件的变化，地应力对围岩的稳定性存在作用区域、作用时间等一系列不确定的因素。由于二道垭隧道沿线经过两郧断裂影响区，在断裂的形成过程中，附近的地层挤压，积累了较大的地应力，这可以从二道垭隧道经过地区地形较起伏，路线经过处的多个山峰较大高差看出。二道垭隧道埋深最大达到221.4m，沿线还有多处埋深超过150m的地方，在施工到这些地段附近岩层扭曲，反映了历史上曾受较高地应力的作用。高地应力对隧道施工的影响是不可避免的，关键在于设计、施工和监测单位如何采取正确的应对措施对高地应力加以控制，所幸隧道通过区域的高地应力问题还不是很多，主要遇到的是低地应力问题。2.3地下水对隧道围岩稳定性影响地下水对围岩（主要是软弱围岩）的溶解、溶蚀、冲刷、软化，或产生静水压力，或引起膨胀压力等，改变了岩石（体）的物理力学性质，破坏了岩体的完整性，降低了岩石（体）的强度，从而引起围岩的变形破坏、失稳塌方以及由地下水引起的隧道涌水［4、5］。一、 地下水对软弱围岩的影响地下水对软弱围岩的影响，比对完整性较好的硬岩的影响更为显著"I”软岩在地下水的冲刷或进人细微裂隙时，使岩体呈非常不稳定的状态，易产生塑性变形或崩解，引起塌方。对破碎的围岩来说，由于围岩中饱含地下水而裂隙水压力增大，增加了围岩（尤其是拱部围岩）的自重荷载，更促进了破碎围岩发生塌方的可能性。在二道垭隧道的石灰岩区和断层带中，由于地下水的活动，很有可能产生溶蚀，并易形成泥砂石流状的塌方，对施工影响很大。二、 地下水对较弱结构面的影响地下水活动将较弱结构面中的物质软化或泥化，使结构面的抗剪强度降低（c,中值减小），摩阻力和内聚力减小。当存在裂隙水压力时，水压力作用方向与法向力N相反，抵消一部分正压力，其稳定条件如式1：T<（（7-u）tan中+c （1）式中：^——切向力；7 法向力；中——结构面的内摩擦角；

C——结构面的内聚力；u——裂隙水压力。因此，当存在裂隙水压力时，水压力抵消了一部分法向力，同样也导致内摩擦力减弱，增加了滑动力。裂隙水压力不仅降低了摩擦力，而且会将软弱结构面中的充填物带走或饱水，这就使结构面上的内聚力几乎消失，促使有滑塌趋势的块体发生沿软弱结构面塌方或者是外部的滑坡。2.4围岩应力变化对隧道围岩稳定性影响由于隧道的开挖形成了地下空间，破坏了岩体初始应力场原有的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态6］。当对隧道空间进行支护后，如果稳定则围岩的应力重分布作用将减缓。但是当地下水作用于软弱结构面或软弱泥化夹层后，围岩的自承能力严重下降，围岩的应力可能发生第三次甚至第四次应力的重新分布，造成围岩变形甚至塌方T8］。在如下的示意图6中，在隧道开挖至潜在的塌方区域（即软弱夹层）前，隧道围岩的应力还是均匀分布的。钢拱架可以看作是一个支点在掌子面后方的悬臂梁，显然，钢拱架的支护作用可以满足隧道围岩稳定性的要求。可能使由于水的作用，软弱夹层软化造成围岩跨塌，直至其形成稳定的自然拱（又称坍落拱四）。在示意图7中，拱脚发生应力集中，靠近掌子面的第一棉钢拱架就由当初悬臂梁的一部分变成了后边悬臂梁的支点，显然它不能提供足以支撑围岩稳定的力。这就是发生塌方时，紧邻塌方区域的支护结构会发生破坏的根本原因［10］0图6塌方前应力分布示意图方时，紧邻塌方区域的支护结构会发生破坏的根本原因［10］0图6塌方前应力分布示意图叫图7塌方后、应力分布示意图

图3-8塌万后应力分布示意图2.5时间因素对围岩稳定性的影响现代软岩力学研究也表明，开挖岩体具有“记忆”的特性，下一步开挖岩体对上一步开挖行为存在“记忆”[1。1112]。个人认为在非软岩区域，岩体的记忆特性也是存在且不可忽视的。开挖过程是一个时间与空间不断变化的过程，这一过程往往是不可逆的非线性演化过程，它的最终状态与该开挖过程相关。在二道垭隧道完工后，回头看开挖的情况，隧道大变形并非全发生在刚开挖的掌子面，反而多出现于开挖面后方2。〜50m范围内，滞后掌子面一段距离，说明前步施工对后续掌子面稳定的影响也不容忽视。时间是研究隧道围岩的稳定性一个不可忽视的考虑因素。围岩应力变形状态随时间的恶化主要有两方面的原因：一是岩体的流变性质。许多岩体，特别是粘土质岩、泥岩等软弱岩石有明显的流变性质。二是时间的增长加剧了围岩的弱化过程。如开洞后温度、湿度的变化，气流及地下水的风化侵蚀作用，施工爆破的冲击振动作用或机械振动引起的疲劳作用等都可逐渐或大大地削弱围岩的刚度和强度，从而导致围岩变形的增加、塑性或松动破裂区的扩大等。围岩的流变特征和时间效应是岩体工程中的一种不可忽视的重要特征。随着各种岩体工程的发展，流变已成为工程建设中经常遇到的问题，也是造成灾害性事故的主要原因之一。岩体的流变力学特征主要包括四个方面：蠕变，在恒定应力的条件下，变形随时间逐渐增长的现象；应力松弛，当应变保持一定时，应力随时间逐渐减小的现象；(3)流动特性，时间一定时，应变速率与应力大小的关系；(4)长期强度，在长期荷载持续作用下围岩的强度。2.6工程施工因素对围岩稳定性的影响一、工程施工方法和施工过程因素隧道施工中开挖方法、炸药用量、支护方式和时机以及时间因素，对围岩特别是对岩体质量较差的围岩影响程度更大。不规范施工也是导致事故发生的重要因素之一。就我国目前的现状来说，施工单位众多，公路隧道施工队伍的技术水平发展很不平衡，管理及施工水平参差不齐，加之一些建设环节的操作不规范，而且有的施工企业及人员对新奥法原理缺乏深入学习、认识、研究和应用，导致不规范施工现象还较为普遍。比如，新奥法之“岩承理论”要求洞室开挖后及时提供支护反力限制围岩的松弛和变形，也正是在此过程中实现围岩的自承和自稳。反之，若在隧道开挖后不能及时地喷射混凝土予以封闭，围岩因为有了新的临空面而应力重分布，使松弛范围逐步扩大，从而不仅加大了荷载，与新奥法理论的初衷相悖，而且极易产生塌方等工程事故。当前在公路隧道施工中，在局部围岩相对较好的情况下，有些施工单位因为疏于管理或麻痹大意，喷射混凝土往往滞后于开挖掌子面数十米甚至上百米，这不仅仅是导致塌方等安全事故的隐患，更对整个支护体系的受力极其不利[12]作为新奥法三大支柱之一的光面爆破，除了在控制隧道的超欠挖所起到的重要作用外，降低对隧道围岩的扰动才是最主要的目的。在二道垭隧道的设计中，设计单位针对隧道围岩变更频繁且其地质条件复杂的具体情况，提出了隧道顶部采用预裂爆破，其余部分采用光面爆破的施工思路。同时指出在围岩级别低于III级时就不再要求半孔率。但是施工单位对于爆破质量的控制十分懈怠。在ZK94+460附近，隧道的围岩为完整性相当好的II级偏I级，但是在整个断面上基本上没有什么半孔，相对光滑的爆破面也就无从谈起。作为施工过程因素的风化作用对围岩稳定性的影响一般不易引起施工者的注意。围岩尤其是软弱破碎且易风化的围岩，风化后其稳定性就会降低。围岩暴露时间越长其稳定性降低越严重。因此，在隧道施工过程中，应尽可能地早封闭围岩表面，缩短围岩暴露时间，避免围岩急剧风化，保持围岩的稳定能力。二、施工中的人为因素按照施工规范同的要求，超挖部分要用同标号混凝土或喷射混凝土回填密实，但有些施工单位只注重表面效应，只在表面用喷射混凝土喷射圆顺，超挖部分并没有回填密实，这使得初期支护与围岩之间产生了空洞，最终导致塌方。另外，对地质情况掌握不够，从而选择了不合适的施工技术，如不恰当地急于进洞、爆破方法选择不当或者选择了不合适的施工方法(如本应台阶法开挖的，采用了大断面开挖，或应先拱后墙法的，而采用了先墙后拱法等)也会引起塌方。不可否认的是，“不塌方，不赚钱”的观念目前还在一定范围内存在。有些施工单位及施工人员甚至期盼着塌方从而增加工程量或者设计变更以带来更大的施工利润。另一方面，“地质工作是设计人员的任务，而不是施工人员的事”这一传统观念致使消弱甚至忽略了施工过程中的地质勘测及预报工作，从而也加大了施工事故产生的可能性。对于塌方事故，重点要“防范于未然”，要全体地下工程建设者切实从思想上对地质勘查及其详尽性与准