隧道工程围岩地质问题研究

(西北大学地质学系 陕西 西安 710069)

我国是个多山的国家，地形呈现西高东低的格局，山地和高原约占60%，随着社会的发展，陆路交通高速化成为必然的需求，全国高速公路建设如火如荼，伴随着南水北调西线工程的开展，以西北地区为主，将大量修建深埋长隧洞。“多、深、长、群”成为现今隧道建设的总特点。

一、围岩大变形的定义及特征

隧洞围岩大变形是围岩岩体在地应力、地下水活动与工程扰动等条件下围岩岩体的一类变形破坏现象，它的实质是由于围岩开挖引起了地应力的重分布超过岩体的屈服强度而使岩体发生塑性变形，围岩自承能力丧失或者部分丧失，变形没有得到有效的约束，使得围岩发生塑性变形破坏，进而使围岩支护遭受到不同程度的破坏。一般具有以下特征：

(1)主要发生于低级变质岩等低强度围岩中,具体岩石类型包括各类片岩、板岩、千枚岩、页岩、断层破碎带、泥岩、砂页岩及泥灰岩等。

(2)变形速度快、变形量大,一般可达每分钟数十厘米甚至数米。

(3)危害性大,严重影响正常掘进,甚至导致卡机事故的发生[4-6]。

(4)初期支护以前,围岩一般能够或经过局部塌方后能够成拱、自稳，变形一般发生于初期支护或永久衬砌完成以后,有的甚至发生于隧道投入运营若干年后,因而明显区别于浅埋隧道的塌方和冒顶。

(5)发生大变形地段的隧道埋深一般在500m以上。

二、围岩大变形的分类

隧道软岩大变形应该是1906年竣工的长19.8km的辛普伦1线隧道，辛普伦隧道的地质情况极其复杂,施工中遇到了前所未有的高地温、高温大涌水和围岩大变形。辛普伦隧道之后,奥地利陶恩公路隧道、奥地利阿尔贝格公路隧道和日本艾那山公路隧道也相继发生软岩大变形。国外水工隧洞建设中,也曾出现过严重的软岩大变形问题,其中以印度北部喜马拉雅地区的水工隧洞大变形最为著名。喜马拉雅地区的主体地层为浅变质岩,如千枚岩、页岩以及各类片岩等,它们的单轴抗压强度一般为一,属于比较典型的软岩或低强度岩石,加之构造运动强烈,围岩破碎程度高,大变形是该地区水工隧洞建设中所面临的重要问题之一[1-3]。

家竹筹隧道位于南昆铁路威舍-红果段的北端，隧道全长4.99km，隧道横穿家竹警煤田,南段为峨眉山玄武岩,北段为永宁镇组灰岩夹砂岩,中部为飞仙关组砂泥岩及龙潭煤系最人埋深。尽管家竹等隧道的长度不是很大,但却发生了严重的软岩大变形,给隧道施工带来了相当人的困难[1-3]。

随着隧道二程的大量修建,其所带来的大变形问题引起人们越来越多关注，根据国内外隧道施工的实践,施工过程中发生大变形工程现象主要有以下几类：

(1)膨胀性软岩的大变形。膨胀性软岩是指含有粘土高膨胀性矿物、在较低应力水平条件下即发生显著变形的工程岩体。产生塑性变形的机理是片架状粘土矿物发生滑移和膨胀,根据其膨胀性大小可以分为强膨胀性软岩、中膨胀性软岩和弱膨胀性软岩。

(2)高地应力条件下的软岩的大变形。围岩初始应力或称为地应力是在自然状态下存在子围岩内部的应力,是客观存在的物理量。坑道开挖后的应力分布,与其有直接的关系。它的量值受到许多因素的影响,如埋深、地质构造运动、地形地貌等。

所谓的高地应力,它是一个相对的概念,是根据围岩强度比提出来的。围岩强度比是岩石的单轴抗压强度与最大地应力的比值,即Rb/emax。也就是说,当这一比值达到某一水平时,才能称为高地应力或极高地应力。

不同的国家，对于高地应力的划分有不同的标准：

极高应力极高应力极高应力法国隧协<22-4>4我国工程岩体分级标准<44-7>7日本新奥法指南<24-6>6日日本仲野分级级<22-4>4

在高地应力的条件下,不同的围岩中开挖以后会出现不同的破坏现象,如果在坚硬岩体中则会发生岩爆,而如果在软岩中则会发生大变形。

(3)节理化软岩大变形。节理化软岩是指含泥质成分少,而节理发育的岩体。一般这种岩体本身岩块的的强度颇高,呈硬岩力学特性,但由于节理的存在,使得整个工程岩体在工程力荷载的作用下发生显著的变形,呈软岩的力学特征。根据结构面组数和结构面间距两个指标,将其细分为级,即较破碎软岩、破碎软岩和极破碎软岩。

(4)断层破碎带松弛大变形。在岩体中,断层破碎带是一个很薄弱的地带,它不能作为一个整体共同承担工程力荷载,因此当原来的三维受压状态一解除,就会出现塑性大变形。其破碎情形与节理化软岩有些近似。

(5)复合型软岩大变形。有时候大变形的发生并不是某一种原因导致的,而是由以上两种或多种原因共同作用而产生的。

三、结语

围岩大变形通过国内外案例可以将形成原因归结为膨胀性、高地应力、节理原因、断层原因以及复合型五种类型，围岩大变形对于隧道工程的影响是重大的，而且一般发育在深埋隧道中，围岩类型多为低级变质岩，易造成卡机造成施工延期，因此在隧道建设过程中对于围岩变形的类别及围岩类型的鉴定有利于安全施工。