某管道隧道隐患形成机制与分析

杨成程， 匡 野

(四川省地质工程勘察院集团有限公司， 四川成都 610072)

某管道隧道修建于2000年左右，隧道仅洞口段采取混凝土支护，洞身未支衬，隧道呈南北走向展布，洞身笔直，隧道内中间略高，两端略低，高差约1.5m。管道埋置于隧道右侧，管沟沟槽宽约1m，管顶距地面深度一般为0.1～0.5m。由于隧道洞身未支衬，隧道内多处漏水、掉块，局部可能垮塌，威胁管道的正常运营，影响隧道的局部稳定性；加之隧道修建后成为乡与乡之间的重要交通便道之一，洞内漏水、积水、围岩变形塌落威胁行人、行车的安全。

1 研究区地质环境条件

1.1 地形地貌

研究区地处秦岭西段南支，属构造侵蚀基岩中—低山山地，境内山脉纵横，主要山脉走向近似东西向为主，整体地势西高东低。

隧道穿越区山体整体走向由东向西，研究区内最高海拔1 905m，最低点海拔高程1 050m，相对高差约895m。隧道穿越区整体斜坡坡度30～45 °，局部陡坎地段55～70 °。

1.2 地层岩性

根据地面工程地质测绘，隧道内出露地层岩性为志留系下统碧口群组(Pz1bK13)中厚层状变质砂岩夹薄层状砂质板岩，对地层描述如下：

志留系下统碧口群组(Pz1bK13)变质砂岩夹砂质板岩：青灰色，中厚层—薄层构造，浅变质中—细粒结构，岩质新鲜，坚硬，敲击声清脆，中等风化状，薄层状砂质板岩遇水易软坏。岩体较完整，受构造的影响局部岩体相对较破碎。

1.3 地质构造

区域上位于杨子板块北缘西段，西秦岭褶皱带的东端，甘孜—松潘褶皱带北侧，为三大构造单元的衔接地区，分属摩天岭地块和文—康构造带两个次级构造单元。主体构造线呈NE—SW向展布，由大型褶皱和断裂组成。而后期小规模断裂多呈NE、NW及SN向展布，对主体构造线进行了叠加改造，形成了复杂的构造格局。

研究区主要表现为褶皱构造。据勘查实测，区域内产状190°∠50°，受构造影响发育4组主要裂隙，裂隙产状：①倾向100～110 °，倾角45～87 °、②倾向255～310 °，倾角45～80 °、③倾向360～24 °，倾角5～30 °、④倾向180～190 °，倾角27～50 °。

1.4 水文地质条件

1.4.1 地下水类型

研究区地下水无承压性，表现为潜水。地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水两种种类型。前者主要赋存于松散覆盖层，而后者则赋存于变质砂岩的构造裂隙和层间裂隙。

(1)第四系松散层孔隙潜水：主要埋藏于表层残积层内，含水层为含碎石粉质黏土，透水性较弱；同时斜坡坡度较陡，大气降水主要沿坡面向下排泄，部份下渗至下伏基岩中。

(2)基岩裂隙水：赋存于下伏的基岩的构造裂隙、层间裂隙，含水量受裂隙贯通程度、发育程度的决定。基岩裂隙水主要接受大气降水、上覆松散层孔隙水补给。受裂隙及岩性的控制区内透水性及富水性较强。

1.4.2 地下水补给、排泄、径流及水动力条件

研究区地下水的补给主要来自大气降雨渗入补给。当大气降雨降落地面后，一部分汇集沟谷之中形成地表迳流；另一部分则通过裸露岩土层孔隙、裂隙渗入地下，形成地下水。地下水在重力作用下，由高处向低处运动，形成地下水迳流。地下水迳流运移过程中，含水层被水文网切割，地下水溢出地表转化为泉水，有时地下水直接汇入地表水体，构成地下水排泄。

2 隧道隐患特征分析与评价

隧道为已建隧道，根据现场工程地质测绘，隧道内及隧道进出口段外围共发育漏水点(段)及围岩变形塌落三种隐患，共计65处。其中漏水点(段)发育43处，围岩变形塌落点(带)发育22处，漏水带与围岩变形塌落点(带)伴生发育13处，漏水点(段)均伴有掉块现象。

2.1 围岩变形塌落隐患的形成条件分析

隧道为已建隧道，隧道开挖时进出口段分别用混凝土支衬，支衬段效果较好。隧道内共发育围岩变形塌落22处，其中围岩变形塌落点发育10处，围岩变形塌落带发育12处。隧道内多处有掉块现象，但块体方量一般很小。

隧道内洞身段发现围岩变形塌落点(带)共计22处，其中单体方量较小的围岩变形塌落点11处，呈带状分布的发育11处，点(带)状发育均占总数量的50 %。对22处围岩变形塌落点(带)隐患的裂隙发育情况进行了统计，其中控制围岩变形塌落点(带)发育程度、规模的主要裂隙有4组。

通过对隧道内洞身段围岩变形塌落的工程地质测绘、裂隙统计等手段，对其进行综合分析，总结出影响围岩变形塌落形成的条件，具体如下。

2.1.1 岩性条件

隧道内出露地层岩性为志留系下统碧口群组(Pz1bK13)中厚层变质砂岩夹薄层砂质板岩。变质砂岩岩体属较软岩，岩质较脆，在构造作用下岩体易破碎；砂质板岩，层理发育，层薄，岩体属较软岩，遇水易软坏，抗风化能力差。

2.1.2 构造条件

康县位于秦岭山脉西端南支，区域内构造线呈近似东西向展布，具有向东收敛，向西张开的特点。受区域构造的影响，区域内出露地层岩性为中厚层状变质砂岩夹薄层状砂质板岩，岩层的厚度对不稳定岩块块体的大小，也起着决定性的作用。

隧道位于万家大梁南侧，受构造的影响，区域内构造裂隙发育，裂隙一般延展性较好，最长可达30m，裂隙一般呈微张～闭合状，宽度一般1～10mm，最宽可达2cm，裂隙一般泥质、石英岩脉充填，裂隙贯通性相对较差。构造裂隙、层理面及隧道开挖形成的人工临空面的共同切割下形成不稳定岩体，表现为单体掉块围岩变形塌落点(带)。

受岩性及构造的双重控制下，岩体层间裂隙发育，主要表现在中厚层变质砂岩与薄层状砂质板岩、砂质板岩与砂质板岩的接触带处，砂质板岩属较软岩，厚度一般2～5cm，岩体抗风化能力差，遇水易软坏，地下水在长期运移过程中，带走裂隙中的细颗粒，导致层间裂隙的贯通性较好。

2.1.3 人为因素条件

隧道开挖，山体内部形成人工临空面，为围岩剥离、掉块及崩塌创造了人为的条件。隧道开挖后对山体原本平衡的应力进行破坏，导致围岩形成3～6倍洞径的应力松弛圈，应力松弛形成新的裂缝，加之岩体属较软岩，岩质较脆，更易形成裂缝，新裂缝再与节理裂隙、层理面的切割，加剧了围岩的剥落、掉块及崩塌。

综上所述：受区域地质构造的影响下，隧址区发育的4组裂隙，在与层理面、裂隙的切割和隧道开挖形成人为临空面的条件下形成了围岩变形塌落隐患，在岩层构造的控制下，单体不稳定岩体方量一般较小，隧道内存在大范围的掉块现象。

2.2 围岩变形塌落隐患的稳定性评价

通过对隧道内22处围岩变形塌落点(带)的构造裂隙统计，控制其形成的主要裂隙有4组，分别是①倾向100～110°，倾角45～87°、②倾向255～310°，倾角45～80°、③倾向360～24°，倾角5～30°、④倾向180～190°，倾角27～50°。围岩变形塌落受两组裂隙控制的共14处，受3组裂隙控制的共8处，4组主要裂隙形成了5种围岩变形塌落破坏方式(即A、B、C、D、E类型)，其中两组裂隙组合的主要有2种，三组裂隙组合的主要有3种，裂隙的组合方式与人工形成的临空面位置关系将直接决定岩体的稳定性。隧道呈南北走向展布，隧道笔直，隧道两端略低于中部，高差约1.5m，为评价影患的稳定性将隧道内除底面外的洞壁理想化成4个临空面，即临空面①92°∠80°、②92°∠20°、③268°∠20°、④268°∠80°。通过对主要4组裂隙组合、切割形成的5种类别的围岩变形塌落隐患各选一处对其进行稳定性判定，从而达到以点带面的综合评价。

2.2.1 两组裂隙组合方式

2.2.1.1 里程K0+164～K0+170(A类型)

K0+164～K0+170围岩变形塌落带位于隧道顶部，岩性为中厚层变质砂岩夹薄层砂质板岩，青灰色，岩层产状190°∠50°，岩层走向与隧道走向近视垂直。岩体内发育2组裂隙：①100°∠45°，裂面较平整，裂隙微张～闭合状，部分泥质充填，少量石英岩脉充填，贯通长度一般5.0～10.0m，发育间距0.5～1.5m；②20°∠10°裂面较平整，裂隙微张～闭合状，无充填，贯通长度0.5～2.0m，发育间距0.2～0.7m，受层面及裂隙的控制形成围岩变形塌落带，其中K0+164～K0+169段围岩变形塌落带方量约6m3；K0+170处发育一块单体不稳定岩体，方量约0.12m3。

根据赤平投影分析，裂隙①与②的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向相反，而倾角小于①、③临空面的倾角，大于②、④临空面的倾角，结构面的组合交线在临空面均有出露，判定该围岩变形塌落隐患属不稳定结构。

2.2.1.2 里程K0+697(B类型)

K0+697围岩变形塌落位于隧道左侧顶部，岩性为中厚层变质砂岩夹薄层安山凝灰岩，青灰色，岩层产状190 °∠50 °，岩层走向与隧道走向近视垂直。岩体内发育2组裂隙：①100 °∠70 °，裂面较平整，裂隙微张～闭合状，部分泥质充填，少量石英岩脉充填，贯通长度一般5.0～10.0m，发育间距0.5～0.8m；②310 °∠10 °裂面较平整，裂隙微张～闭合状，无充填，贯通长度0.5～2.0m，发育间距0.2～0.7m，受层面及裂隙的控制形成不稳定岩体，方量约0.15m3。

根据赤平投影分析，裂隙①与②的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向一致，而倾角小于①、②、③、④临空面的倾角，结构面的组合交线在临空面有出露，判定该围岩变形塌落隐患属较稳定结构。

2.2.2 三组裂隙组合方式

2.2.2.1 里程K0+238(C类型)

K0+238围岩变形塌落位于隧道左侧顶部，隧道左侧下部有隧道开挖时留下的凹岩腔，岩性为中厚层变质砂岩夹薄层安山凝灰岩，青灰色，岩层产状190 °∠50 °，岩层走向与隧道走向近视垂直。岩体内发育2组裂隙：①100 °∠80 °，裂面较平整，裂隙微张～闭合状，部分泥质充填，少量石英岩脉充填，贯通长度一般5.0～10.0m，发育间距0.5～1.5m；②360 °∠10 °裂面较平整，裂隙微张～闭合状，无充填，贯通长度0.5～2.0m，发育间距0.2～0.7m；③180 °∠50 °，裂面粗糙，裂隙微张～闭合状，贯通长度0.5～1.5m，发育间距0.5～1.5m，受层面、凹岩腔临空面及裂隙的控制形成不稳定岩体，方量约4.5m3。

根据赤平投影分析，裂隙①与②的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向一致，而倾角小于①、③临空面的倾角，大于②、④临空面的倾角；裂隙①与③的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向相反，而倾角大于①、②、④、③临空面的倾角，结构面的组合交线在临空面均有出露，判定该围岩变形塌落隐患属不稳定结构。

2.2.2.2 里程K0+704(D类型)

K0+704危岩位于隧道左侧顶部，岩性为中厚层变质砂岩夹薄层砂质板岩，青灰色，岩层产状190 °∠50 °，岩层走向与隧道走向近视垂直。岩体内发育3组裂隙：①100 °∠70 °，裂面较平整，裂隙微张～闭合状，部分泥质充填，少量石英岩脉充填，贯通长度一般5.0～10.0m，发育间距0.5～1.5m；②300 °∠10 °裂面较平整，裂隙闭合状，泥质充填，贯通长度0.5～3.0m，发育间距0.2～0.7m；③180 °∠27 °，裂面粗糙，裂隙微张～闭合状，贯通长度0.5～2.5m，发育间距0.5～1.5m，受层面及裂隙的控制形成不稳定岩体，方量约4.5m3。

根据赤平投影分析，裂隙①与②的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向一致，而倾角小于①、④临空面的倾角，大于②、③临空面的倾角；裂隙①与③的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向相反，而倾角小于①、④临空面的倾角，大于②、③临空面的倾角；裂隙②与③的结构面组合交线与临空面③、④倾向一致，与临空面①、②倾向相反，而倾角小于①、②、④、③临空面的倾角，由裂隙切割形成的楔形体被层面进一步切割，进一步影响岩体的稳定性，综合判定该围岩变形塌落隐患属较不稳定结构。

2.2.2.3 里程K0+950～K0+990(E类型)

K0+950～K0+990危岩位于隧道顶部，岩性为中厚层变质砂岩，青灰色，岩层产状190 °∠50 °，岩层走向与隧道走向近视垂直。岩体内发育3组裂隙：①20 °∠10 °，裂面较平整，裂隙微张～闭合状，无充填，贯通长度一般0.2～1.0m，发育间距0.1～0.5m；②101 °∠80 °，裂面平整，裂隙闭合状，泥质充填，贯通长度10～25m，最大可达30m，发育间距1.0～2.0m；③290 °∠78 °，裂面平整，裂隙闭合状，主要为石英岩脉充填，贯通长度2.5～5.5m，发育间距1.0～2.5m，受层面及裂隙的控制形成围岩变形塌落带，方量约70m3。

根据赤平投影分析，裂隙①与②的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向一致，而倾角小于①、④临空面的倾角，大于②、③临空面的倾角；裂隙①与③的结构面组合交线与临空面①、②倾向一致，与临空面③、④倾向相反，而倾角小于①、④临空面的倾角，大于②、③临空面的倾角；裂隙②与③的结构面组合交线与临空面③、④倾向一致，与临空面①、②倾向相反，而倾角小于①、④临空面的倾角，大于②、③临空面的倾角，由裂隙切割形成的楔形体被层面进一步切割，进一步影响岩体的稳定性，综合判定该围岩变形塌落隐患属较不稳定结构。

通过对上述4组主要裂隙形成的5种方式(A、B、C、D、E类型)围岩变形塌落的分析，围岩变形塌落的稳定性为较稳定、较不稳定和不稳定，其中A、C类属于不稳定结构，D、E类属于较不稳定结构，B类属较稳定结构。

2.3 漏水形成条件分析与评价

勘察期间为枯水期，隧道内共发育43处漏水，其中漏水点共27处，漏水段共16处。经过对漏水点(段)的统计分析，漏水点(段)地下水的产出方式主要有两种，即呈侵润状、滴状产出，偶见小股状产出，呈侵润状产出表现为团块状洞壁潮湿。地下水产出位置沿裂隙、层面产出，漏水点一般沿裂隙或者层面产出，而地下水沿层面、裂隙共同产出则形成一个漏水段。

通过对隧道内的工程地质测绘及调查，再对漏水点(段)的地下水产出位置、产出方式进行分析及总结，漏水点(段)主要受大气降水、构造、岩性和人为因素条件的影响。

2.3.1 构造条件

康县位于秦岭山脉西端南支，区域内构造线呈近似东西向展布，有向东收敛，向西张开的特点。隧道位于万家大梁南侧，受构造的影响，区域内构造裂隙发育，裂隙一般延展性较好，裂隙一般呈微张—闭合状，宽度一般1～10mm，裂隙一般泥质、石英岩脉充填，裂隙贯通性相对较差。受岩性及构造等控制下，区内层间裂隙发育，主要表现在中厚层变质砂岩与薄层状砂质板岩、砂质板岩与砂质板岩的接触带，砂质板岩层薄，层理发育，遇水易软化，地下水在长期运移过程中对层间裂隙内的细颗粒进行搬运，导致层间裂隙的贯通性相对较好。裂隙给予地下水的赋存空间，而裂隙的发育程度、贯通程度直接控制着漏水量的大小。

2.3.2 降水条件

隧道位于万家大梁南侧，区域内雨量充沛，根据气象统计资料，区内历年平均年降水量为807.5mm，年降水量最大值1 162.2mm，年降水量最小值535.3mm。从历年平均情况来看，夏季降水多冬季降水少，夏季平均降水量降水达388.9mm，全年48 %的降雨量集中在夏季。降雨在地形地貌、地层岩层等影响下入渗补给地下水。根据访问调查，雨季漏水量较大，漏水点多，枯水期漏水量较小，漏水点少。可见降雨量的大小，对漏水量的大小也起着关键性的作用。

2.3.3 岩性条件

隧道内出露地层岩性为志留系下统碧口群组(Pz1bK13)中厚层变质砂岩夹薄层砂质板岩。变质砂岩属较软岩，岩质 较脆，透水性好，在构造作用下岩体易破碎，也易形成裂隙；砂质板岩，岩体属较软岩，遇水易软坏，抗风化能力差，透水性较强。通过调查，漏水点(段)产出位置大部分沿中厚层变质砂岩与薄层状砂质板岩、砂质板岩与砂质板岩的接触带处产出，少部分沿构造裂隙产出。

2.3.4 人为因素条件

降雨形成地表水，大部分沿坡面由地势高处向地势低处径流；小部分由地表水下渗形成地下水，地下水在岩体裂隙中赋存及运移，在地势地处或者岩体破碎处以泉的形式排泄。隧道的开挖，形成临空面，为地下水的排泄提供通道；隧道开挖形成应力松弛圈，应力松弛导致岩体形成新的裂隙，为地下水径流形成新的通道，加之隧道的开挖人为的形成排泄通道，改变地下水压力，导致部分地下水运移的方向及速度，形成地下水漏斗，也将增大漏水量。

综上所述：区域内岩性为较硬质岩易碎，透水性较好，在构造下形成裂隙，降雨部分下渗形成地下水，地下水赋存于裂隙中，人工开挖隧道，人为创造排泄通道，形成了漏水。

2.4 漏水与围岩变形塌落点(带)的关系

通过对隐患点的调查及统计，隧道内漏水点(段)发育43处，围岩变形塌落点(带)发育22处，围岩变形塌落点(带)伴身漏水隐患点共13处，而露出点(段)基本伴随有掉块现象。经过对漏水与围岩变形塌落的形成机制的分析与总结，隧道内两种隐患均受地层岩性、地质构造及人为因素的控制。漏水将加剧局部围岩变形塌落，隧道开挖为地下水人为形成排泄通道，改变原有地下水压力，导致部分地下水的运移方向及速度，地下水运移过程中将带走裂隙中的细颗粒，加剧裂隙的贯通性，加快导围岩变形塌落的速度。