地下水作用下近水平岩层隧道塌方机理分析

李 军

(辽宁省第三地质大队，辽宁 朝阳 122000)

0 前言

在地球陆地表面大约3/4 的面积是沉积岩，这些绝大多数是在海洋和湖泊中形成，原始产状大部分呈近似水平状。各岩层之间存在节理和软弱结构面，它们对隧道围岩具有切割作用，因此很大程度上面影响隧道的稳定性［1－3］。地下水也是隧道工程安全性的重要影响因素，可对隧道围岩产生软化、膨胀作用，从而劣化围岩的力学强度，改变围岩的微细观结构［4－8］。本文以万源石塘隧道为工程实例，分析地下水作用下近水平岩层的隧道塌方机理。

1 工程概况

城万快速公路通道石塘隧道位于四川盆地，全长2 730 m(K60+785 ～K63+515)，其水平岩层倾角较缓，具软硬相间，软硬岩层性质差异大，层间结合差，泥岩强度低且遇到水极易软化。区内地下水接受补给的来源单一，主要为大气降水，因此地下水的动态变化受大气降水控制。2012 年12 月7 日晚上十点半，石塘隧道K62+075 处拱顶部位出现坍塌，拱顶坍塌延伸范围约为K62+075 ～K62+085，塌方量约1 000 m3，拱顶坍塌深度不明，宽10 m 左右;此次坍塌致使K62+070 ～K62+075 之间的拱架严重变形，初期支护严重破坏;K62+070 ～K62+075 初期支护混凝土崩裂剥落和掉块的现象较多。隧道塌方现场如图1 所示。

图1 石塘隧道塌方现场

2 地下水破坏节理和软弱结构面

石塘隧道围岩为近水平岩层，各岩层之间存在软弱夹层，对上下岩层具有一定的初始粘合作用。在隧道塌方期间连续下雨，地下水在一定程度上得到补给。随着地下水的侵入，软弱夹层开始软化，上下岩层之间的结合力逐渐降低。另一方面，由于软弱夹层软化，层与层之间如同产生一条裂纹。由于孔隙水压力增大，有效应力降低，孔隙水压力增大，等同于在裂缝上下表面施加了一个均布荷载，其受力见图2。

图2 近水平岩层层间裂纹力学模型(Ⅰ型)

从断裂与损伤力学上来分析，该裂缝属于Ⅰ型－张开型裂纹，其裂纹强度因子为［9］:

式中:KI为I 型张开型裂缝强度因子;r 为径向坐标;μ 为隧道围岩的泊松比;E 为隧道围岩的弹性模量;v 为裂缝面上一点的位移。

强度因子KI是一个度量裂纹端部应力强弱程度的一个参量且有(a 为裂纹长度)，Ⅰ型裂纹扩展的判据为［10］:

式中:KIC为临界应力强度因子;θ 为隧道围岩内摩擦角;其余符号意义同前式。

由上述分析可知，在地下水不断渗入夹层的作用下，造成裂缝长度a 增大，促使裂纹尖端应力强度因子KI也增大，导致裂纹扩展，由于这两方面原因，裂纹不断增大，相邻裂缝贯通，造成多层粘结一起的岩层成为分离的各层。其形式如图3。

图3 粘合和分离岩层简图

在近水平岩层隧道中，围岩的初始水平向应力很小，主要为竖向应力，两种形式的受力简图如图4，从图中可知，A 和B 形式下，B 中应力明显大于A中，在B 中岩层容易断裂，进而使受力岩层减少，对于剩下的岩层受力进一步产生不利影响，其断裂图如图5。由于岩层断裂，岩层整体性受到破坏，岩层自承能力减小，施加在初期支护拱顶上面的竖向荷载也随之增加，拱顶变形增大，拱顶下沉也增大。随着拱顶压力的增大，拱顶初期支护下表面拉应力增大，拱顶混凝土开始出现剥落现象，钢筋开始裸露。初期支护产生间断的纵向裂纹。

图4 两种形式应力图

图5 岩层断裂图示

裂纹产生之后，地下水侵入裂纹，由于水对钢筋混凝土存在腐蚀作用，因此地下水的渗入一定程度影响初期支护的受力。同时，地下水顺着裂缝渗入隧道，从拱顶滴落在隧道里面。另一方面，拱顶初期支护在竖向荷载作用下，拱顶下表面为拉应力，水平岩层的侧向压力小，因此纵向裂纹属于Ⅰ型张开型裂纹，在拉应力的作用下，裂纹不断扩展［11］。之前间断的裂纹贯通，最终在两个相邻钢拱架之间的拱顶形成一条纵向裂纹，其形式见图6。由于相邻拱架之间的初期支护在拱顶出现整条纵向裂纹，初期支护在拱顶不再闭合，整体受力形式被破坏，在竖向荷载作用下，下沉进一步加大，尤其当裂纹左右两侧压力不均匀时候，造成左右两边初期支护变形不协调，对初期支护不利。在拱顶下沉的同时，拱顶上腹断裂的松散堆积体与完整岩层之间存在空隙，同时由于堆积体的重力以及初级支护抗压能力下降，空隙不断向两侧发展，与两侧围岩开始脱离，其力学机理，形同Ⅰ型裂纹的发展。空隙的形成，很大程度决定了隧道坍塌的部位及其轮廓线。由于裂隙存在，初期支护与围岩之间不再密贴，支护与围岩的联合作用消失，支护变形加大，拱顶裂纹宽度也加大，极易失稳破坏。

图6 裂纹扩展图示

3 环向裂纹产生、发展及钢拱架失稳

拱顶在荷载压力下，纵向裂纹沿轴向扩展时，不可无限制的发展，当裂纹扩展到钢拱架时候，由于钢架的刚度，纵向裂纹不再扩展，即裂纹跨不过钢拱架(见图7)。

图7 钢架的阻裂墙作用

但是由于拱架在拱顶部位未开裂断裂，仍然是闭合拱结构，而刚度很大，但是初期支护拱顶出现裂纹，在相同的竖向压力作用下，由于拱架和初期支护混凝土变形的不协调，竖向变形不统一，钢拱架和初期支护混凝土之间存在剪切力，这一现象在钢拱架与纵向裂纹交界处尤为明显，就可能产生环向裂纹，由于竖向变形的不统一，即存在竖向剪切力，则裂纹形式如同Ⅱ型裂纹(面外剪切)［12］，见图8。Ⅱ型裂纹同Ⅰ型裂纹一样，裂纹端部应力强度因子KⅡ=，随着a 加大，应力强度因子也加大，裂纹扩展到大部分拱圈，如果拱架两侧均存在很大纵向裂纹，则拱架两侧均出现环向裂纹，拱架和初期支护混凝土开始脱离，联合受力作用减小。

图8 Ⅱ型裂纹面外剪切

由于初期支护存在，根据达西定律，初期支护犹如一条流线，地下水在隧道初期支护拱脚和仰拱部位聚集，另外，由于拱顶裂纹，地下水渗入隧道内部，在隧道底部聚集。导致隧道基地围岩承载力不足，引起拱脚沉陷或初期支护沉降，由于沉降发生，纵向各拱圈沉降不一致，进而存在剪切力，造成剪切裂纹，造成结果是隧道侵限以及相邻拱圈不能共同受力，最终发生整体破坏。

4 地下水影响隧道围岩剪切强度

根据土力学有效应力原理知道，土中总应力等于有效应力和孔隙水压力之和，即:

式中:σ 为总应力;σ'为有效应力;u 为孔隙水压力。

因此，地下水作用下，渗流加剧，孔隙水压力增大，相应σ'降低。根据摩尔库伦强度理论，岩土体的抗剪强度为:

式中:τf表示抗剪强度;φ'、c'表示有效应力强度参数。

由式(4)可知，地下水作用下围岩的抗剪强度降低，也是影响隧道围岩稳定的一个重要原因。

5 结论

综上，根据分析水平岩层受力特点、地下水作用、隧道纵向和环向裂纹的发展，以及摩尔库伦理论，初步获得了该隧道塌方的机理。由于塌方前连续的降雨，地下水补给，水平岩层软弱夹层粘结减弱，受力急剧变化，产生纵向裂纹，同时由于纵向裂纹产生，拱顶沉降加大，另一方面由于基础沉降，造成各种环向裂纹，尤其在钢拱架边上环向裂纹，从现场的实际情况看，隧道塌方时从局部到整体的失稳过程，刚支撑屈曲失稳。由于纵横向裂纹以及围岩自承力下降，隧道初期支护被破坏，在连续降雨后发生大规模坍塌。

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