分析影響隧道圍巖穩(wěn)定性因素

1、分析影響隧道圍巖穩(wěn)定性因素習(xí)小華摘要:主要對(duì)影響隧道圍巖穩(wěn)定性的自然因素如巖石性質(zhì)及巖體的結(jié)構(gòu)、巖體的天然應(yīng)力 狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水進(jìn)行了詳細(xì)的分析。關(guān)鍵詞:圍巖穩(wěn)定性;天然應(yīng)力狀態(tài);地質(zhì)構(gòu)造毫無(wú)疑問(wèn)，隧道圍巖的穩(wěn)定性對(duì)隧道的正常運(yùn)營(yíng)是至關(guān)重要的。從許多隧道發(fā)生的交通 事故中可以知道，隧道圍巖的穩(wěn)定性不僅與巖石的性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地下水、巖體 的天然應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造等自然因素有關(guān)，而且還與隧道的開(kāi)挖方式及支護(hù)的形式和時(shí)間 等因素有關(guān)。但其中起主導(dǎo)作用的還是巖石性質(zhì)及巖體的結(jié)構(gòu)、巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì) 構(gòu)造、地下水等自然因素。因此了解這些因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響和機(jī)理才能夠客觀實(shí)際 的

2、采取相應(yīng)的維護(hù)隧道圍巖穩(wěn)定的措施。巖石性質(zhì)及巖體的結(jié)構(gòu)圍巖的巖石性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)通過(guò)圍巖的強(qiáng)度來(lái)影響圍巖的穩(wěn)定性，是影響圍巖穩(wěn)定性的基 本因素。從巖性的角度，可以將圍巖分為塑性圍巖和脆性圍巖，塑性圍巖主要包括各類粘土質(zhì) 巖石、粘土巖類、破碎松散巖石以及吸水易膨脹的巖石等，通常具有風(fēng)化速度快，力學(xué)強(qiáng)度低 以及遇水軟化、崩解、膨脹等不良性質(zhì)，故對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定最為不利;脆性圍巖主要各類堅(jiān) 硬體，由于這類巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面巖石的強(qiáng)度，故這類圍巖的強(qiáng)度主要取決于巖 體的結(jié)構(gòu),巖性本身的影響不是很顯著。從圍巖的完整性（圍巖完整性可以用巖石質(zhì)量指標(biāo) RQD、節(jié)理組數(shù)J n、節(jié)理面粗糙程度J y、節(jié)理

3、變質(zhì)系數(shù)Ja、裂隙水降低系數(shù)Jw、應(yīng)力降低 系數(shù)SRF八類因素進(jìn)行定量分析）角度，可以將圍巖分為五級(jí)即:完整、較完整、破碎、較破 碎、極破碎。如果隧道圍巖的整體性質(zhì)良好、節(jié)理裂隙不發(fā)育（如脆性圍巖）即圍巖為完整 或較完整，那么，隧道開(kāi)挖后，圍巖產(chǎn)生的二次應(yīng)力一般不會(huì)使巖體發(fā)生破壞，即使發(fā)生破壞， 變形的量值也是較少的。這種情況下，圍巖巖性對(duì)圍巖的穩(wěn)定性的影響是很微弱的，即一般是 穩(wěn)定的，可以不采取支護(hù),能適應(yīng)各種斷面形狀及尺寸的隧道。如果隧道圍巖的整體性質(zhì)差、 強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育或圍巖破碎（如塑性圍巖）即圍巖為破碎、較破碎或極破碎，則圍巖的二 次應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形或破壞區(qū)域，同時(shí)節(jié)理裂

4、隙間的巖層錯(cuò)動(dòng)會(huì)使滑移變形增大， 勢(shì)必給圍巖的穩(wěn)定帶來(lái)重大的影響，不利于隧道洞室穩(wěn)定;軟硬相間的巖體，由于其中軟巖層 強(qiáng)度低，有的因?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)成為軟弱圍巖而對(duì)圍巖的穩(wěn)定性不利。從巖體的結(jié)構(gòu)角度,可將巖體結(jié)構(gòu)劃分為整體塊狀結(jié)構(gòu)（整體結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)）、層狀結(jié)構(gòu) （薄層狀結(jié)構(gòu)和厚層狀結(jié)構(gòu)）、碎裂結(jié)構(gòu)（構(gòu)鑲嵌結(jié)構(gòu)和層狀碎裂結(jié)構(gòu)）、散體結(jié)構(gòu)（破碎結(jié) 構(gòu)和松散結(jié)構(gòu)）。松散結(jié)構(gòu)及破碎結(jié)構(gòu)巖體的穩(wěn)定性最差;薄層狀結(jié)構(gòu)巖體次之;厚層狀塊體 最好。對(duì)于脆性的厚層狀和塊狀巖體，其強(qiáng)度主要受軟弱結(jié)構(gòu)面的分布特點(diǎn)和較弱夾層的物 質(zhì)成分所控制，結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的影響，不僅取決于結(jié)構(gòu)面的本身特征，還與結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系 及這種組合

5、與臨空面的交切關(guān)系密切相關(guān)。一般情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的傾角30。時(shí)，就會(huì)出現(xiàn) 不利于圍巖穩(wěn)定的分離體，特別是當(dāng)分離體的尺寸小于隧道洞跨徑時(shí),就有可能向洞內(nèi)產(chǎn)生 滑移，造成局部失穩(wěn);當(dāng)傾角 30時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)不利于圍巖穩(wěn)定性的分離體。而軟弱夾層 對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響主要取決于它的性狀和分布。一般認(rèn)為軟弱夾層的礦物成分、粗細(xì)顆粒 含量、含水量、易溶鹽和有機(jī)質(zhì)等的含量是決定其性質(zhì)的主要因素，對(duì)不同類型的軟弱夾層， 這些因素是不大相同的。由于軟弱夾層的抗強(qiáng)度較低，故它不利與隧道圍巖的穩(wěn)定。圍巖巖體的變形和破壞的形式特點(diǎn)，不僅與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)和隧道形狀有關(guān)，而且 還與圍巖的巖性及巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)，但主要的是

6、和圍巖的巖性及結(jié)構(gòu)有關(guān)（見(jiàn)表1）。巖石性質(zhì)旨體結(jié)構(gòu)變形破壞形式產(chǎn)生機(jī)M張裂火落校應(yīng)力集中造岱的弗裂破壞壓成力集中造庶的壓我技裂塊狀結(jié)茂1、哼胞廈狀結(jié)曲最整事切尚移及壓應(yīng)力集中造成的剪切破裂魂It體塊結(jié)構(gòu)剪切破裂圍者爆壓應(yīng)力棠中造成突然血折刮的 脆性破壞中薄且狀非物彎折或曲 折內(nèi)鼓卸荷同彈或壓應(yīng)力集中造成的 彎曲電碎裂結(jié)構(gòu)碑裂松馳壓成力集中造成由弟切樞動(dòng)塑性折出壓成力集中作川下的塑性流動(dòng)塑性圍狀結(jié)構(gòu)膨賬內(nèi)鼓水分甫分布的吸水膨脹塑性擠出壓應(yīng)力作川下的塑It流動(dòng)欹體結(jié)構(gòu)塑性并出擔(dān)歆詢北宕體的懸淬塑流重力坍塌審力作作下的坍塌表1 圍巖的變形破壞的形式及其與巖石性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的關(guān)系巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)巖體的天

7、然應(yīng)力是巖體的自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、變異及殘余應(yīng)力在某一個(gè)具體地區(qū)以特定 方式作用的結(jié)果。已經(jīng)有大量的實(shí)踐資料證明，大多數(shù)地區(qū)的巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)是以水平 方向?yàn)橹鞯募此綉?yīng)力通常大于垂直應(yīng)力。一般情況下，隧道軸向與水平主應(yīng)力垂直,以改善 隧道周邊的應(yīng)力狀態(tài)。但水平應(yīng)力很大時(shí)，則隧道方向最好與之平行以保證邊墻的穩(wěn)定性。 然而，巖體的天然應(yīng)力對(duì)隧道的影響主要取決于垂直于隧道軸向水平應(yīng)力的大小與天然應(yīng)力 的比值(z )，它們是圍巖內(nèi)應(yīng)力重分布狀態(tài)的主要因素。例如，圓形隧道，當(dāng)z = 1時(shí)，圍巖 中不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，壓應(yīng)力分布也比較均勻，圍巖穩(wěn)定性最好;當(dāng)z W1/ 3時(shí)圍巖出現(xiàn) 拉應(yīng)力，壓應(yīng)力集中

8、也較大，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。最大天然主應(yīng)力的數(shù)量級(jí)及隧道軸向的關(guān)系, 對(duì)隧道圍巖的變形特征有明顯的影響，因?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向圍巖破壞的概率及嚴(yán)重程度比其 它方向大。因此，估算這種應(yīng)力的大小并設(shè)法消除或利用非常重要的。地質(zhì)構(gòu)造褶曲和斷裂破壞了巖層的完整性降低了巖體的力學(xué)強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō),巖體經(jīng)受的構(gòu)造變動(dòng) 的次數(shù)愈多,愈強(qiáng)烈，巖層的節(jié)理裂隙就愈發(fā)育，巖體的穩(wěn)定性也就愈差。例如圍巖巖石強(qiáng)度 不等的堅(jiān)硬和軟弱巖層相間的巖體在構(gòu)造變動(dòng)中，堅(jiān)硬和軟弱巖層常會(huì)在接觸處發(fā)生觸動(dòng)， 形成厚度不等的層間破碎帶，極大的破壞了巖體的完整性。由于隧道通過(guò)堅(jiān)硬和軟弱相間層 狀巖體時(shí)，易在接觸面處發(fā)生變形或塌落，因此，隧道應(yīng)盡可

9、能避免設(shè)在堅(jiān)硬和軟弱巖層之間 的巖層破碎帶、褶皺或斷層帶;在無(wú)法避免的情況下，隧道應(yīng)盡量設(shè)在堅(jiān)硬巖層中，或盡量把 堅(jiān)硬巖層作為頂層圍巖。褶皺的形式、疏密程度、軸向與隧道軸線的交角不同圍巖的穩(wěn)定 性不同，這是由于褶皺的核部巖層受到強(qiáng)烈的張力和壓力的作用，故核部的巖層就比翼部的 巖層破碎的多，因此，隧道橫穿褶皺翼部比橫穿核部有利。在斷層附近，因地層的相對(duì)位移會(huì) 使破碎帶的寬度很大，若巖層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，不僅節(jié)理裂隙十分發(fā)育，而且往往會(huì)出現(xiàn)大的逆斷 層。如果隧道通過(guò)斷層，斷層寬度愈大，走向與隧道軸向交角愈小，在隧道內(nèi)出露的愈長(zhǎng)，對(duì)圍 巖穩(wěn)定性影響愈大。另外，斷層破碎帶物質(zhì)的碎塊性質(zhì)及其膠結(jié)情況也都影響圍巖

10、的穩(wěn)定性。破碎帶組成物質(zhì)如為堅(jiān)硬巖塊，并且擠壓緊密或已膠結(jié)，比軟弱的斷層泥組成稀疏的糜棱巖 或未膠結(jié)的壓碎巖要穩(wěn)定些。因此，可以把構(gòu)造強(qiáng)烈的程度作為衡量圍巖穩(wěn)定性狀況的一個(gè) 基本因素，其影響程度如表2。等級(jí)地質(zhì)構(gòu)造作川精征#篇圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)很小一無(wú)斷型A垃.壬狀S f 呈單.斜構(gòu)造一節(jié)理七國(guó)翹隙發(fā)育微鞘或不發(fā)育.就圍巖地質(zhì)物造變動(dòng)大.但干匿啪H或折白哦的鄰近段.近匿裂A散附詛可能:利小匿房發(fā)育.節(jié)理.裂隙轎為發(fā)育“E節(jié)圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)劑-位于斷贈(zèng)甥侑帶內(nèi)或折召毗的毗部用取巖.有掃召最拖校觀象發(fā)現(xiàn)一節(jié)理裂隙寂為發(fā)育：很即重恒干斷裂被碎卅內(nèi).節(jié)理鄰隙+分貧育W體破辭呈碎石.布禰狀表2圍巖受地質(zhì)

11、構(gòu)造影響程度等級(jí)劃分地下水圍巖巖體中地下水賦存條件與活動(dòng)狀況,既影響圍巖的應(yīng)力狀態(tài)又影響圍巖的強(qiáng)度，進(jìn)而 影響隧道圍巖的穩(wěn)定。圍巖中地下水狀態(tài)一般可以分三級(jí),即干燥、有滲水、潮濕。實(shí)踐證 明，只要隧道圍巖是干燥的，即便是通過(guò)軟弱的或破碎的巖層時(shí),圍巖的穩(wěn)定性總是較好的或 危害比較微弱，并且易于克服。當(dāng)隧道處于含水層中或隧道的圍巖透水性較強(qiáng)即隧道圍巖中 的地下水狀態(tài)為有滲水或潮濕時(shí)，地下水對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響比較明顯,主要表現(xiàn)在靜 水壓力作用、動(dòng)水壓力作用、軟化作用和溶解作用、對(duì)可溶巖體的溶蝕作用及對(duì)滑動(dòng)面的潤(rùn) 滑作用等。它們作用的機(jī)理如下:靜水壓力作用在襯砌上，相當(dāng)于給襯砌增加了一定的額外荷 載，因此，在設(shè)計(jì)襯砌強(qiáng)度和厚度時(shí)，應(yīng)充分考慮靜水壓力的影響。另外一方面，靜水壓力能夠 使巖體的結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，減少了滑動(dòng)摩擦力，從而增加了圍巖的坍塌和滑落的可能性。動(dòng)水壓力 的作用促使巖塊沿著水流方向移動(dòng)的同時(shí)也沖刷和帶走巖石裂隙中的細(xì)少的礦物顆粒從而 增加了圍巖的破壞的程度。另外，地下水對(duì)巖石的溶解作用和軟化作用也有一定的影響。結(jié)語(yǔ)上述因素并不是一成不變的而是在地殼內(nèi)外營(yíng)力的作用下不斷變化的，例如，巖石結(jié)構(gòu)面 的性質(zhì)可以在風(fēng)化營(yíng)力作用下不斷惡化，而且有些惡化速度相當(dāng)快。因此，不論是選擇隧道的 位置,還是對(duì)隧道進(jìn)行襯砌、考慮隧道的施工方法以及對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行維護(hù)、還是對(duì) 隧道圍巖進(jìn)行等