降雨条件下隧道塌方变形机制分析

康志宇

(中交一公局第五工程有限公司，北京 100024)

0 引 言

塌方变形是隧道最常见的一类地质灾害，造成隧道塌方变形的因素有多种，包括人为因素和自然因素，比如降雨、降雪等[1]。据有关数据显示，隧道塌方变形事故大部分是在雨季发生，为此提出降雨条件下隧道塌方变形机制分析。

1 隧道塌方变形原因

根据隧道施工工作经验以及隧道地质情况分析，造成隧道塌方变形的主要原因包括以下三点：

(1)大部分隧道塌方变形区域隧道土层埋深比较浅，隧道周围的岩石多为黑灰色强风化碳酸盐，该类型岩石虽然硬度较高，但是其同样具有较高的脆性，容易发育裂隙，而且强风化碳酸盐整体结构比较松散，隧道塌方变形区域的围岩整体性比较差[2]。

(2)大多数隧道塌方变形区域地表土层为坡残积土层，该类土层内含多种砂土，且碎石颗粒大小不均匀，级配比较差，经常长时间的风吹雨淋，导致表面出现大量的空隙，为地表水渗入提供良好的条件。

(3)隧道塌方变形事故出现的时期多数为降雨天气，强降雨导致隧道施工过程中地表水经过隧道围岩空隙、裂隙进入内部，导致隧道周围岩土体重力加大，土质材料的粘聚力极大降低，进而造成隧道塌方变形。

以上三点是造成隧道塌方变形的主要原因，其有一个共同点，都是地表水进入隧道围岩内部，形成隧道塌方变形，因此降雨是隧道塌方变形最重要的影响因素。为了更深入地了解到隧道塌方变形机制，下文从降雨条件入手进行进一步分析。

2 降雨条件下隧道塌方变形机制

2.1 建立计算模型

为了更好地分析隧道塌方变形机制，此次利用计算模型，计算出降雨条件下隧道渗流场、位移场、支护结构受气情况，通过该三方面分析出隧道塌方变形机制。首先需要根据隧道实际情况建立计算模型，模型搭建软件选择有限元软件，将隧道断面情况输入有限元软件模型组建单元，确立隧道几何模型[3]。在模型的两侧边界处从隧道拱脚向外各取2.5倍隧道洞宽，模型的其余区域按照隧道实际1∶1的比例设计取值。确立完模型几何边界后，还要对模型的渗流边界条件进行设置，具体设置见表1。

表1 隧道模型参数表

此外，为了简化模型计算过程，假设隧道围岩处于完全饱和状态，结合对隧道塌方变形现场资料，并考虑到隧道围岩的透水特性，将模型地下水深度参数设置为6～8 m，超过该深度的围岩土体处于完全饱和状态。通过以上对模型边界条件和渗流条件等参数的设置，完成计算模型建立。

2.2 模型计算结果分析

将降雨时期隧道实际数据输入到模型中，对隧道的渗流场、位移场受力以及支护结构情况进行计算分析，其分析如下。

降雨条件下隧道渗流场分析：在进行隧道开挖的过程中，由于收到静水压力的作用，渗流场会发生较大的改变，隧道当中的孔隙水向会随着隧道的开挖方向逐渐流动，造成原本呈现出平滑状态的孔隙水压力等值线逐渐向着隧道内部发生弯曲和变形[4]。渗流场的改变造成了动水压力的形成，孔隙当中的细小颗粒填充物会随之冲走，在一定程度上增加了隧道周围岩体的结构面，造成孔隙度增加，通透性增强[5]。降水会对岩土体造成你话和水致弱化反应，当雨水不断入渗，水质弱化的反应将会更加剧烈。隧道掩埋较浅位置，受到雨水的不断冲刷，周围岩土密度降低，在入渗的过程中还会与周围岩土发生物理作用和化学作用，造成岩土土体的力学强度不断阿静地，导致其抗剪强度不断下降，最终造成岁到周围威严的滑动面逐渐向临空方向移动，出现塌方现象，直到冒顶为止。

位移场受力情况分析：隧道拱顶沉降时态变化曲线如图1所示。

图1 隧道拱顶沉降时态变化曲线示意图

由图1可以看出，隧道拱顶沉降时态可划分为三个不同的变化区域，当进行开挖时，拱顶沉降会骤然增长，造成拱顶的沉降值逐渐超过其他位置的沉降变化值，并且呈现出持续的增长趋势，如图1中A区域所示。当完成开挖后，拱顶的沉降会出现较为平缓的上升，并且沉降幅度不会出现明显的增加，如图1中B区域所示。当达到拱顶可承受的最大承受能力后，隧道拱顶的沉降累积值又会随着计算时步的增加呈现出上升的趋势，此时上升幅度不会如A区域明显，但与B区域相比幅度更大。

支护结构受力情况分析：当进行对隧道周围岩土的渗流量计算时，作用在隧道支护结构上的围岩压力会逐渐呈现出上升的趋势[6]。初期隧道支护结构主要以负弯矩为主，说明从隧道的拱顶到拱腰结构上的围岩与地面垂直方向上的位移增加更加明显，具备隧道拱顶塌落的明显特征。在进行对隧道上台阶开挖的过程中，支护结构经过了稳步增长的变化趋势，说明支护结构逐渐发挥着拉拔的作用，将隧道整体向四周延伸。

2.3 分析隧道塌方变形机制

从计算模型分析到的降雨条件下隧道渗流场、位移场以及支护结构情况，了解到降雨条件下隧道塌方变形机理与上述三方面有直接关系，具体关系以下将结合根据上述的计算结果，本章将持续对隧道塌方变形机理展开分析。根据相关统计数据，在降雨的影响作用下，隧道塌方的速度将集聚加快。在自然状态下，隧道结构于地下水呈现一种相对平衡的状态，当对隧道进行开挖施工时，由于隧道顶部的支撑作用力发生改变，重力的分布逐步分散，地下水的水流方向也发生改变。此种变化趋势不仅对隧道的纹理产生恶劣影响，也在一定程度上腐蚀了隧道结构。由于渗流作用，隧道周边的岩层结构也发生改变，裂缝中的填充物，随着水流带走，因此隧道缝隙的导水性增强，水流动力也同步提升。此时隧道内软土层加剧额软化，在降雨过程中，岩层也将进一步泥土化，使隧道岩土之间的自然凝聚力降低。

对隧道塌方段进行实地调查，在调查中发现，塌方处的隧道内不仅存在积水现象，堆积在地表层的雨水也正在不断渗入隧道中，这种现象是隧道岩土自重增加的关键原因。受到降雨的影响，围岩自重力、顶层压力、渗流作用力、支护结构的负载力也显著增加，这些作用力进一步催化了隧道的塌方。此外，在实地勘察中发现，隧道周围存在一些被风化的花岗岩石，这些岩石以夹层的方式出现隧道顶层与地层。地层岩石受到地下水的侵蚀作用，顶层岩石受到降雨及外界环境的风化作用，均呈现显著的软化趋势。此种结构一旦外界对其施加的作用力，极易造成结构剪应力的降低，从而影响隧道整体结构的稳定性与安全性。

此外，在降雨条件下隧道塌方会经历一系列的组织结构弹性形变，这一过程可表示为：隧道结构出现裂纹-发生弹性形变-组织松动-岩石掉落。倘若隧道需无法承受这种可塑化形变，便会出结构性破坏，此时隧道支护结构、隧道限制围岩等均出现不同的异向变化趋势，集中的应力也发生部位的转移，从而出现连锁的坍塌反应，这些反应逐步累计，最终导致隧道无法承受形变，出现坍塌。因此可以得出一个结论：隧道塌方变形主要原因在于降雨，降雨条件是隧道出现塌方变形的主导因素。所以对于隧道塌方变形事故的预防需要从隧道渗流场、位移场以及支护结构入手最为合理，以此完成降雨条件下隧道塌方变形机理分析。

3 结束语

本文利用计算模型对降雨条件下隧道的渗流场、位移场以及支护结构受力情况进行了分析，最终总结了降雨条件下隧道塌方变形机制。此次研究为隧道塌方变形事故预测和预防提供了理论依据，在雨季时，需要准确分析隧道渗流场、位移场等地质参数的变化，注意渗流场对隧道周围岩石结构位移以及支护结构变形的影响，准确判断隧道塌方变形程度，采取相应的应对措施。此次研究虽然取得了一定的研究成果，但是在研究内容方面仍存在一些不足之处，针对隧道塌方变形预防措施和策略没有进行深入研究，因此今后仍会在该方面进行进一步的研究和探讨。