基于赤平投影法浅埋洞段的洞顶塌方及围岩应力变形原因分析

张建全 王树奎 高晨飞

摘要：基于小浪底北岸灌区一期工程某隧洞施工过程中失稳地段地质背景，根据影响围岩稳定的地质因素、设计要素，利用赤平投影的方法，结合应力计算分析隧洞洞顶塌方及侧壁变形的原因，结果表明，走向与隧洞轴线夹角较小的构造不利于洞室的稳定，受浅埋洞段的上覆岩土体厚度较薄、岩体风化程度高的影响而成为工程不利地段，断层角砾岩抗剪强度低，在围压作用下易遭剪切破坏。

关键词：浅埋洞段  赤平投影  洞顶塌方  应力

隧洞浅埋洞段在工程实践中多为工程地质不良地段，赤平投影以其简便、直观的计算方法反映线、面的方位以及相互间的角度关系，本文以小浪底北岸一期工程某洞段为例，利用赤平投影结合洞室围岩应力计算的方式分析洞室失稳的原因[1]。

小浪底北岸灌区一期工程主要由隧洞、流槽、渡槽及明渠组成。隧洞为单线隧洞，建筑物等级为3级，洞型为马蹄形，隧洞断面高度5.3m，宽度4.3m，开挖后临时支护采用喷锚支护，衬砌厚度0.3～0.4m。隧洞西南至东北向穿过场区，轴线方位角为47.1°，开挖至桩号11+193时，掌子面坍塌严重，洞室右壁变形。

通过搜集该段地质信息，进行数据分析、计算，得出该隧洞段洞室围岩失稳的主要原因，为类似工程建设提供借鉴[2]。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工程区位于太行山山系王屋山余脉区，地貌单元为基岩丘陵，该段隧洞微地貌属山间洼地。两侧山体高程一般为260～300m，岗间洼地高程一般为210～221m，呈条状南北向分布，经人工改造在隧洞走向上呈台阶状;隧洞进口上游35m处分布有一南北向溪流。

1.2 地层岩性

场区内地层主要为第四系中更新统风积黄土、坡积碎石土、三叠系中统二马营组及断层角砾岩，详见图1所示的工程地质剖面图。

低液限粘土（黄土）（Qeol 2）：褐黄色、浅棕黄色，结构较疏松，针状孔隙发育，具有竖直裂隙;该层一般厚2～5m。

碎石土（Qdl 2）：黄褐色，泥质成分主要为低液限粘土，含15%～25%的碎石，磨圆度差，粒径一般为2～20cm，少量大于20cm，分布不均，整体上中间粒径含量低，整体上结构较疏松;该层一般厚1.4～2.4m。

砂岩夹泥岩（T2 2er）：砂岩呈浅灰白色、浅灰黄色，杂少量紫红色，中厚层至厚层状构造，细粒结构，钙质胶结较好，致密、坚硬，成岩较好。泥岩呈紫红色，单层厚度一般小于0.5m，多呈夹层状分布，成岩相对较差;该层产状一般为20°∠30°，多呈强风化状。

断层角砾岩：紫红色、棕黄色，杂少量灰绿色，母岩成分主要为泥岩，少量砂岩，胶结程度差，结构杂乱，类似呈碎石土;该层为断层F20产生。

1.3 构造与裂隙

工程区位于矿口背斜东北翼，基岩丘陵具单斜地层;在区域上背斜核部沿黄河右岸近东西向延伸，东北翼地层倾向NNE，洞室轴线与背斜轴部小角度相交;受此影响，区域内在隧洞轴线方向上分布多条走向NE的次生断裂（断层），岩层裂隙发育程度较高[3-4]。

隧洞场区内有断层F20穿过，该断层属正断层，产状69°∠80°。节理裂隙主要为走向节理和倾向节理，以张节理为主;该段洞室控制性节理裂隙有4组，其中2组优势节理裂隙，产状分别为275°～300°∠65°～80°、10°～35°∠70°～85°，另外2组产状为110°～135°∠65°～80°、190°～210°∠70°～85°。具体见节理裂隙玫瑰花图2、图3。

断层F20影响带内分布多条次生小断层，宽度较窄，产状类似，在断层及其次生构造附近岩体破碎程度较高，多呈散粒状、碎块状;受其影响，砂岩夹泥岩节理裂隙发育程度较高，组内同一条裂隙多有变形、偏转，局部洞段由于应力集中使岩体呈碎裂结构。

1.4 水文地质条件

场区内小溪常年流水，流量随降雨量而变化。场区内地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。第四系松散层孔隙水主要赋存于低液限粘土（黄土）及碎石土中，水位随地形起伏而变化;基岩裂隙水主要来源为大气降水，在入渗过程中形成脉状裂隙水和风化壳裂隙水。场区内地下水与岗间洼地上游的地表水水力联系密切，互为补排关系[5]。

2 洞室开挖情况

洞室開挖采用光面爆破、机械开挖的形式进行，具体与围岩类别相关。对于Ⅲ类围岩，主要采用光面爆破的方式;对于Ⅳ类围岩，主要采用爆破与机械开挖相结合的方式;对于Ⅴ类围岩，主要采用机械开挖的方式。

2.1 各土体物理力学性质

场区内黄土天然密度1.78g/cm3，压缩模量4.6MPa，抗剪强度20kPa，内摩擦角18°;碎石土天然密度2.15g/cm3，抗剪强度8kPa，内摩擦角28°;砂岩夹泥岩天然密度2.45g/cm3，变形模量6.0GPa，抗剪断强度900kPa;断层角砾岩天然密度2.20g/cm3，抗剪强度15kPa，内摩擦角22°。

2.2 洞室围岩类别

桩号11+157～11+178段岩性主要为砂岩夹泥岩，洞室轴线与岩层走向呈大角度斜交;砂岩属硬岩，泥岩属较硬岩，受节理、裂隙影响，岩体呈层状碎裂结构，风化状态为强风化，开挖过程中有线状滴水。桩号11+178～11+193段为断层及其影响带，岩性主要为断层角砾岩，局部为砂岩、泥岩;断层角砾岩呈散体结构，类似碎石土，工程性质差。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）中附录N“围岩工程地质分类”，判定桩号11+157～11+178段洞室围岩为Ⅳ类，桩号11+178～11+193段洞室围岩类别为Ⅴ类【6】。

2.3 洞室开挖及围岩失稳

在桩号11+157～11+178段采用爆破结合机械开挖的施工的方式进行，钢拱架结合拱顶挂钢网片的方法支护;桩号11+178～11+193段施工坍塌多次，主要采用机械开挖的方式进行，用减小钢拱架间距并全断面挂网的方式支护。开挖至桩号11+193时掌子面坍塌极为严重，连续施工不见成效，见图4。施工期间经历多次降雨，停止施工后发现部分已支护洞段洞室右壁及洞顶出现变形，见图5;在洞段两侧5～10m范围内产生裂缝。

3 洞室失稳及变形分析

3.1 洞段布置分析

该段地面高程210～221m，洞顶高程213m。依据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）第6.2节、附录D“浅埋隧道围岩压力计算方法”，对埋置深度最大地段进行判别：该段岩性主要为低液限粘土（黄土）、碎石土、断层角砾岩，洞室围岩类别为Ⅴ类。根据公式6.2.2（系列）、D.0.1-2，对洞室上覆荷载等效高度进行计算，结果见表1。

该段洞室走向西南至东北，与场区内岩层走向大角度相交，倾角较缓;断层F20走向北西至南东向，倾向北东，倾角较陡，在平面布置上洞室与之呈64°斜交;从产状上岩层与断层的走向对洞室围岩的稳定是有利的。

采用钻爆法或浅埋暗挖法施工条件下，Ⅳ～Ⅵ类围岩浅埋分界深度为2.5倍的荷载等效高度，即该洞段浅埋分界深度为13.5m;但该洞段最大埋置深度为8m左右，小于分界深度，故该洞段属浅埋洞段。由于岩、土层存在荷载的扩散角，随着上覆岩、土层厚度的增加，沿扩散角扩散的范围相应增大，支撑覆盖层正面压力面积较广，反之，支撑正面压力的面积越小，压强越大;同时，浅埋洞段风化程度较高，岩土自身的粘聚力降低，因此，浅埋洞段一般为工程不利地段[7]。

3.2 岩体结构面稳定分析

岩体结构面分为原生结构面（岩层面）、构造结构面（断层面、节理裂隙面）。该洞段主要结构面为：岩层产状20°∠30°，断层产状69°∠80°。综合分析将2组优势节理裂隙面简化，第一组裂隙面产状为290°∠72°，第二组裂隙面产状为25°∠78°。Ⅳ类围岩洞段的3组结构面做赤平投影稳定分析，洞室轴线与结构面的关系见图6，将洞顶视为平面，中心点为极点，各结构面与洞壁的关系见图7。

从图6可以看出，场区内岩层面、第二组裂隙面走向与洞轴线夹角为63°、68°，第一组裂隙面与洞轴线夹角27°。第一组裂隙面与洞轴线夹角较小，对洞室稳定不利。岩层在垂直于洞室轴线方向上的视倾角β1为15°，倾角较小，对于洞壁稳定有利;两组裂隙面在垂直于洞轴线方向视倾角β2、β3分别为60°、70°，倾角较陡，对洞壁稳定不利。

从图7可以看出，场区内岩层面、第二组裂隙面与洞壁夹角γ1、γ3夹角分别为81°、78°，夹角较大，接近垂直状，对洞壁稳定有利;第一组裂隙面与洞壁夹角γ2为32°，倾角较小，对洞壁稳定不利。

总之，岩层面走向与洞轴线夹角大，岩层倾角小，倾向左壁，整体上利于洞壁稳定，对洞顶稳定不利;第一组裂隙走向同洞轴线夹角较小，与洞壁夹角较小，对洞壁稳定不利，该组裂隙与岩层夹角较小，易形成楔体，对洞顶稳定不利;同时，第一组裂隙倾向北西，与岩层、第二组裂隙形成的斜向棱形体易失稳，是洞室右壁产生侧向变形的重要因素。

3.3 洞室应力分析

該洞段在垂直于洞轴线方向上地形较平缓，洞段属浅埋洞段，不考虑偏压作用;上覆地层为第四系松散土层，Ⅳ类围岩洞段岩层产状较平缓，岩体呈强风化状;Ⅴ类围岩洞段的断层角砾岩呈散粒状，自身粘聚力差;按太沙基（K·Terzaghi）关于隧洞理论模型，可将隧洞围岩视为散粒体，因此垂直压力与上覆岩土层的重量一致。根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）附录D中公式D.0.2（系列），对不同围岩洞段岩体进行侧压力系数（λ=σh/σv）计算，结果见表2。

计算结果表明，断层角砾岩侧压力系数λ值为0.24，同碎石土的经验范围值较为符合，也与现场状况一致。

隧洞洞型为圆拱直墙型断面，洞径远小于洞轴线长度，不考虑掘进影响，按平面应变问题进行考虑，引用基尔西（G·Kirsh）解的公式，在洞顶时（θ=90°，r=a），该点剪应力（τrθ）、径向应力（σr）为零，主应力为切向应力（σθ），即σθ=P（3λ-1），P为该点的垂直应力。

该段洞室岩体侧压力系数λ为0.16～0.24，小于0.33，洞顶切向应力为负值，即隧道开挖后拱顶产生拉应力;相应的，边墙则产生高的压应力。如果岩体抗压强度较高，则边墙仍属稳定状态，而拱顶有可能产生坍塌、掉块。

对于马蹄形洞室，昆明水电勘察设计院根据光弹实验结果，提出洞室周边关键点切向应力经验公式：σt=α·λ·σv+β·σv，式中α、β为关键点位的应力系数，σv为该点的垂直应力。根据上述公式，对各围岩洞段洞室顶点、边墙中点切向应力进行计算，结果见表3。

由表3可以看出：在Ⅳ类围岩洞段洞顶切向应力为5.0kPa，洞壁中点切向应力167.0kPa。该洞段岩性以砂岩为主，强度较高，单轴抗压强度可达90MPa，而岩石的抗拉强度一般为抗压强度的3%～5%，岩体抗剪断强度建议值为900kPa，上述指标远大于上述关键点切向应力，洞室围岩自稳能力较好;但岩层中泥岩结构面强度低，且岩体呈强风化状，尤其是泥岩抗风化能力差，在洞顶、洞壁局部会出现剪切破坏。在Ⅴ类围岩洞段洞顶切向应力40.0kPa，洞壁中点切向应力200kPa，岩性为断层角砾岩，泥质弱胶结，成岩差，结构杂乱，类似于碎石土，抗剪强度低（抗剪强度15kPa），因此洞室围岩自稳能力极差，极易产生剪切破坏。

3.4 洞室塌方及变形分析

该洞段属浅埋洞室，洞室上覆岩性主要为低液限粘土（黄土）、碎石土，洞室围岩岩性主要为砂岩夹泥岩、断层角砾岩。黄土结构疏松，原先含水量低，且具竖直裂隙，是良好的水力通道;碎石土缺少中间粒径，含水量较低;砂岩夹泥岩构造较发育，其中第一组裂隙面走向同洞轴线夹角较小，倾向为洞轴线垂直方向，与洞壁夹角较小;断层角砾岩结构杂乱，性质类似于碎石土。整体上，在Ⅳ类围岩洞段低于隧道围岩等级的软弱层、风化破碎层厚度大而等同级别的覆盖厚度薄，在Ⅴ类围岩洞段洞室围岩及洞顶覆盖层均为强度较低的松散体。由于洞室坍塌，造成断层角砾岩、强风化岩体的结构面破坏，形成地下水渗水通道;在降雨后黄土、碎石土达到饱和，造成自重增加、抗剪强度变低，断层角砾岩或泥岩结合面强度进一步降低，渗透—破坏—渗透的反复影响，致使洞室围岩产生变形、塌方，使地表产生裂缝;同时，第一组裂隙、岩层倾向左壁方向，且该组裂隙与洞壁夹角较小，在上覆荷载增加的情况下，致使洞室右壁向临空面变形。

4 结语

（1）洞线与岩层走向和F20呈大角度相交，断层角砾岩呈散体结构，胶结程度差;洞室最大埋深8.0m左右，小于分界深度，为浅埋洞段，属工程不利地段。

（2）Ⅳ类围岩洞段洞顶岩性为砂岩夹泥岩，具层状碎裂结构，根据岩层产状和两组优势裂隙面在洞壁面上赤平投影法分析，洞室右壁岩体多为楔形体和棱形体，易在右壁临空面发生失稳变形。Ⅴ类围岩洞室段洞顶岩性为断层角砾岩成岩差、抗剪强度低，在围压作用下易产生塌方、冒顶现象。

（3）不良地质条件是隧洞发生塌方和大变形的主要原因，人为活动和降雨加强了浅埋隧洞围岩的不稳定性。基于前期勘察资料和实际开挖情况，作出地质预报分析，对于提高围岩稳定评估、安全可靠施工是非常重要的。

参考文献

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[3] 程宏光，吴明亮.赤平投影法在岩质边坡稳定性分析中的应用[J].西部资源，2020（4） ：117-119.

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[5]马行东，黎昌有.双江口电站高地应力区地下厂房系统第Ⅰ层开挖岩爆发育规律和岩爆预测初步研究[J].岩石力学与工程学报.2020，39（S1）：2964-2965.

[6]冯德润.基于赤平投影-强度折减法的露天矿边坡稳定性研究[J].有色金属（矿山部分），2021，73（5）：52-57.

[7]孙铭辰，孙厚广.齐大山露天矿高陡边坡动态预警方法研究[J].矿业安全与环保. 2020，47（6）：85-88.

作者简介：张建全（1974—），男，本科，高级工程师，研究方向为水利水电工程。

王树奎（1980—），男，本科，高级工程师，研究方向为水利水电工程。

高晨飞（1985—），男，本科，高级工程师，研究方向为水利水电工程。