大独山隧道崩塌变形分析

邹 文 龙

(中铁西北科学研究院有限公司西南分院，四川 成都 610031)

大独山隧道崩塌变形分析

邹 文 龙

(中铁西北科学研究院有限公司西南分院，四川 成都 610031)

以大独山隧道为工程背景，对线路D1K859+902.6里程处左右两侧拱腰处发生局部崩塌掉块的情况进行了现场调查，根据国内外的研究成果，从地形环境、地层结构、地质构造、人工开挖、气候条件等因素着手，分析了大独山隧道产生压剪崩塌变形的作用过程，并提出了相应的处理建议，以确保隧道的施工质量。

隧道，地下水，地层结构，压剪崩塌

1 项目概况

沪昆客专是国家规划的“五纵五横”综合运输大通道和“四纵四横”铁路客运专线网的重要组成部分，沿线地形地质情况复杂，技术难点多，施工安全风险高。如大独山隧道，位于关岭—普安区间，为贵州境内控制性工程之一，全长11 882 m。2014年7月，施工沪端正洞掌子面上台阶里程为D1K859+896，线路D1K859+902.6里程处左右两侧拱腰处发生局部崩塌掉块，崩塌体高约3 m～4 m，宽1 m～2.5 m，厚度约1 m～2 m，崩塌情况见图1。

2 崩塌变形区域工程地质条件

2.1 区域地貌

场区地处黔西高原向黔中丘陵过渡地带，属构造剥蚀、溶蚀中低山地貌，总体来看，地势北西高南东低，地面高程一般为1 000 m～1 400 m，坡麓自然斜坡陡峻，坡角25°～50°，个别地段形成陡崖。此外，区内的其余地段溶蚀洼地、漏斗、落水洞等岩溶地貌亦比较常见。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造

隧道D1K859+800～D1K859+950段穿过永宁镇断层。该断层为区域断层，断层在区域内长度约为32 km。断层走向N27°～45°W，倾向NE，倾角60°～65°，断层性质为逆断层，局部具有平移迹象。据区域资料显示，该断层破碎带约8 m。与隧道轴线相交于D1K859+918处。对隧道影响较大。

受地质构造影响，区内岩石中节理裂隙较发育，根据调查观测点统计，主要发育2组～3组节理。J1：节理走向N10°～56°E/41°～70°N；J2：节理走向N5°～45°W/23°～56°S，发育间距0.5 m/条～2.0 m/条；J3：节理走向SN/80°E，发育间距2.0 m/条。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地表水

地表水可分为两个水系：D1K860+050以东，通过地表沟谷和地下暗河排入打邦河，然后汇入北盘江。地表水及地下水向河中排泄，加剧了隧道区地表溶蚀的发育。隧道中部(D1K859+500～D1K862+000段)右侧2.0 km～2.5 km处有一水库——石板桥水库，水库与隧道之间由永宁镇断层相连接。

2.4.2 地下水

本区地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水。1)第四系松散层孔隙水。含水岩层为第四系松散土层，主要为坡残积粘土、含碎石粉质粘土、砂、砾石等。砂、砾石层结构松散，含水性好，因厚度薄，地下水量小，对隧道影响较小。2)碳酸盐岩裂隙溶洞水。含水岩组为永宁镇组三、四段(T1yn3+4)灰岩夹盐溶角砾岩，富水性中等～强，岩溶发育，溶蚀现象以地表岩溶槽谷和串珠状分布的溶蚀洼地、落水洞等垂直溶蚀现象为特征，有利于降雨等进行渗入式或注入式补给。在深部则以网络状岩溶裂隙、岩溶管道以及巨大的溶蚀～侵蚀洞穴为主，对隧道的影响大。3)碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙水。赋存于三叠系下统夜郎组(T1y)、永宁镇组二段(T1yn3+4)灰岩、泥灰岩组成的含水岩组中，由于受相对隔水层限制，地下水获得的补给量受到了一定的限制。该含水岩组地下水接受降雨渗入式补给后，往往沿溶蚀裂隙运移，地下水露头数量较少，对隧道影响较大。

2.4.3 地下水的补给、径流、排泄

区域内地下水主要接受大气降水补给。地表水也是地下水的补给来源，特别是在可溶岩与非可溶岩接触带尤为明显。由于岩性条件的差异，地下水的径流方式差别也很大，在厚层灰岩分布区，岩溶管道发育，地下水多集中于地下岩溶管道中径流并以岩溶大泉及暗河的形式排泄于河谷中或沿与非可溶岩的接触带排出地表。

2.5 不良地质

事故地段地表岩溶形态主要为岩溶洼地、落水斗、溶沟、溶槽、石芽、溶洞、溶蚀裂隙。另外，可溶岩与非可溶岩接触带也是岩溶强烈发育的重点地段。D1K860+000段上部存在一大型洼地，位于刷马冲，该洼地为永宁镇断层形成的洼地，汇水面积大，存在竖向发育的岩溶管道。该洼地对隧道的影响较大。

3 崩塌成因分析

3.1 不利的地形环境

D1K859+800～D1K860+200里程地表处为一大型岩溶洼地。该岩溶洼地由断层作用形成，该洼地与周边山群相对高差较大，且汇水面积大，为地表水下渗提供丰富的水源，如图2所示，达1.5 km2。永宁镇断层穿过该洼地，为地表水下渗进入围岩提供良好通道，隧道涌水量大，如图3所示。

3.2 特定的岩层结构

D1K859+902.6里程处，即塌方段基岩裸露，节理裂隙发育。加之隧道轴线上部为泥灰岩，灰岩夹盐溶角砾岩，均为可溶岩，地表水沿裸露基岩直接入渗，由于地表与地下水位线间水力梯度大且竖直下渗水力路径短，所以，上部岩体竖向溶蚀管道发育，竖向或近竖向节理发育。隧道下部为泥岩，透水性较差，入渗地下水与隧道出口排泄口水力路径长，水力梯度小，地下水沿灰岩与泥岩岩层分界面、灰岩岩体层面或近水平向径流，加剧隧道围岩(即属于上部灰岩与下部泥岩之间的灰岩体)近水平向节理裂隙发育[1](见图4)，可知，地下水径流主要加剧了隧道围岩横向或近水平向节理裂隙发育，进而减小围岩抗弯折能力。就该工点而言，地下水径流主要作用于隧道围岩的层面，即减弱围岩体层面强度参数。

3.3 特殊的地质构造

D1K859+800～D1K860+950里程段位于永宁镇断层影响带，相交于隧道轴线里程D1K859+918处，与隧道轴线相交成47°。永宁断层为区域性逆断层，岩层受挤压错动破碎，近平行于断层面节理发育，即N27°～45°W/N60°～65°E。隧道围岩产状：N15°W/42°S。根据调查观测点统计，主要发育2组～3组节理。J1：节理走向N10°～56°E/41°～70°N；J2：节理走向N5°～45°W/23°～56°S，发育间距0.5 m/条～2.0 m/条；J3：节理走向SN/80°E，发育间距2.0 m/条。由图5所示的赤平投影可知：5组结构面相互组合，把围岩体切割成10个楔形体，岩体破碎[2]。

受区域性构造影响，小断层及褶曲较发育，小断层破碎带宽度一般1 m～2 m，次生节理发育，岩体破碎，有利于地下水下渗。此为岩体崩塌的根本原因。

3.4 人类工程活动的影响

隧道开挖破坏原岩应力平衡状态，造成围岩应力重分配，同时爆破施工也在一定程度上会影响围岩体完整性。所谓围岩应力，是指在地下洞室开挖后，岩体原有的天然应力平衡状态被打破，洞室开挖导致其周边的围岩卸载，而为达到新的平衡，围岩的应力在大小和方向上都发生了变化，周边围岩应力进行重新分布，这个重新分布后的应力就是围岩应力。岩体应力主要受岩石各向异性的影响，大多数层状岩体在层面方向的刚度比垂直于层面方向的刚度大，并且随深度的增加而增加，岩体受荷载作用后产生变形使得应力按岩体的刚度大小分配[3]。因此，平行或近平行于岩体层面方向应力将大于垂直或近垂直于层面方向的应力。实测表明，坚硬层状岩体在节理不十分发育的情况下，测出的近平行于层面应力常常大于近垂直层面应力。

具体而言，即随着自由表面(隧道周边)的接近，径向应力逐渐减小，至洞壁处减为零；而切向应力则逐渐增大，至洞壁处达到最大值。同时，隧道开挖造成卸荷回弹，围岩体变形。因为隧道采用台阶法开挖，事故点只开挖上台阶部分，已开挖隧道断面近乎矩形断面，转角处即拱腰处应力集中效应明显，特别是切向压应力。隧道开挖造成S80°E向临空面，岩层产状N15°W/42°S，岩层在拱腰处与临空面斜交，具有临空变形条件。又因为在地下水径流作用下，岩体层面强度最低，即为最不利结构面，所以在切向压应力作用下，左右两侧拱腰处围岩沿岩层层面发生压剪崩塌破坏，而破坏体周界为岩体节理切割成的楔形体，如图6所示。同时，在对称平面内，隧道左右两侧切向压应力正对称，受岩层产状影响，隧道两侧破坏体位置不同，左侧破坏体位置偏下，如图1所示。此为围岩崩塌的直接原因。

3.5 近期暴雨是诱发因素

水是影响岩体稳定性的重要因素，其作用表现为增大岩体的容重，增大下滑力；软化结构面降低岩体强度参数；产生静水压力与动水压力等方面。近来，正值雨季，据关岭布依族苗族自治县气象局关于永宁镇降水量资料，2014年6月20日，2014年6月29日两日降雨量大，分别达132.8 mm，98.4 mm，大部分降雨汇聚溶蚀洼地，地表水随断层破碎带、岩体节理裂隙下渗至隧道围岩，加大拱腰处应力集中程度(特别是切向压力)，降低岩体抗剪参数，增大下滑力，促使拱腰处发生压剪崩塌破坏。此为隧道岩体崩塌诱因。

4 结论及建议

1)结论。a.岩溶作用、断层作用与其地层结构面组合切割作用，构成围岩体压剪崩塌破坏的基本条件。b.隧道围岩受开挖扰动，拱腰处切向压应力集中，加之降水影响，产生压剪崩塌破坏。

2)建议。a.隧道开挖后应及时支护，严格控制掌子面与钢拱架支护距离，同时注意周边岩体变形情况，有异常情况应及时撤离人员设备，通知相关人员查看现场后确定处置方案。b.爆破施工对围岩扰动影响大，会破坏岩体完整性。建议复查炮眼位置，严格控制炸药量，采取合适的爆破方式。c.D1K859+800～D1K859+950段处于永宁镇断层影响带，岩体破碎。建议加强施工过程中隧道超前地质预报；增加地表监测点，增加地表、洞内监测频率。d.加强隧道开挖过程中排水工作。

[1] 张倬元，王士天.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，2009.

[2] 卢 达.基于赤平投影法的岩质边坡稳定性分析[J].铁道建筑，2010(11)：5.

[3] 丁 智，夏唐代，陈春来，等.公路隧道开挖应力变化及锚杆受力影响研究[J].现代隧道技术，2003(6)：37-38.

AnalysisonDadushantunnelcollapsedeformation

ZOUWen-long

(SouthwestBranch,ChinaRailwayNorthwestResearchInstituteLimitedCompany,Chengdu610031,China)

Taking the Dadushan tunnel as the engineering background, this paper made site investigation to local collapse off block situation of line D1K859+902.6 mileage section left and right sides haunches, according to the research results at home and abroad, from the terrain environment, geological structure, geological structure, artificial excavation, climatic conditions and other factors, analyzed the process of Dadushan tunnel generating of compression shear collapse deformation, put forward corresponding processing suggestions, ensure the tunnel construction quality.

tunnel, groundwater, geological structure, compression shear collapse

1009-6825(2014)33-0177-03

2014-09-15

邹文龙(1987- )，男，硕士，助理工程师

U458.3

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