公路隧道大變形安全事故分析

邱懿

摘要：大變形是隧道施工中最常見的工程事故，為此，本文以公路隧道大變形事故為研究對(duì)象，分析了隧道大變形事故的類型、特點(diǎn)及其主要的影響因素。

關(guān)鍵詞：隧道工程、破壞變形、安全事故、隧道施工

在公路隧道工程施工中，塌方、巖溶塌陷、涌水和突水、洞體縮徑、山體變形和支護(hù)開裂、泥屑流、巖爆是常見的地質(zhì)災(zāi)害問題，而在地質(zhì)災(zāi)害中，大變形破壞發(fā)生的概率較大。隧道圍巖大變形是圍巖一類變形破壞的形式，圍巖體的這種破壞是屬于塑性變形，變形會(huì)逐步擴(kuò)大和具有顯著的時(shí)間效應(yīng)。它與巖爆運(yùn)動(dòng)的脆性破壞不同，也與被周圍巖體限制的松動(dòng)圍巖的滑動(dòng)、坍塌等破壞不同。

圍巖大變形將破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)、侵入斷面限界，若處理不當(dāng)將造成塌方，甚至將隧道完全堵塞，極易造成嚴(yán)重的后果，并且損毀機(jī)械設(shè)備、使得施工人員傷亡、工期延誤，也增加了工程成本。

一、隧道大變形類型

隧道圍巖大、小變形破壞的不同點(diǎn)在于：1.變形量大、小的不同；2.關(guān)鍵是變形破壞機(jī)理的不同：大變形破壞為失穩(wěn)狀態(tài)下的破壞；小變形破壞并非唯一是此狀態(tài)下的破壞，一般來說，由小變形破壞造成的后果較輕。

通常，隧道圍巖大變形根據(jù)形成機(jī)制可以劃分為兩種類型：第一種為隧道開挖后產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)應(yīng)力過大時(shí)會(huì)超過圍巖本身的強(qiáng)度，從而引起塑性變化，若引起的變形較慢，就屬于擠出變形；若變形較快，就可能產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象；第二種為隧道中有大量的水，當(dāng)水與圍巖中的膨脹性礦物反應(yīng)時(shí)，礦物體積會(huì)產(chǎn)生很大變化，膨脹導(dǎo)致變形的發(fā)生。以上所述的一種或多種原因的作用下，導(dǎo)致隧道圍巖的大變形的發(fā)生。前者是物理變形，屬于物理過程，后者是化學(xué)變形，屬于化學(xué)過程。

二、隧道大變形的規(guī)律

圍巖擠壓性變形有變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、變形量大且具有時(shí)效性等特點(diǎn)，在隧道工程施工事故中常常表現(xiàn)為：隧道底鼓的持續(xù)性、側(cè)墻內(nèi)擠和冒頂?shù)痊F(xiàn)象。巨大的變形導(dǎo)致隧道破壞十分嚴(yán)重，會(huì)造成隧道鋼架扭曲或折斷，造成隧道混凝土襯砌的開裂和脫落，造成打入的錨桿徹底失去效力、噴射的混凝土層破裂掉落，也會(huì)造成隧道的混凝土底板受力斷折、擠出等破壞形式。

隧道巖體的主要特征有：

1、隧道圍巖的強(qiáng)度較低，原始地應(yīng)力相對(duì)較高，也就是強(qiáng)度應(yīng)力比小。如某隧道，原始抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到1.7MPa，是相當(dāng)?shù)偷?，煤系地層的圍巖應(yīng)力比為0.14，應(yīng)力比與隧道的變形有很大的關(guān)系，根據(jù)國(guó)際、國(guó)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)其值小于0.5的時(shí)候，隧道支護(hù)大變形就有可能發(fā)生。

2、圍巖級(jí)別較低，完整性差。巖體結(jié)構(gòu)類型是圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，其完整程度對(duì)圍巖變形有很大的影響。通常，隨著圍巖巖體結(jié)構(gòu)的變差，圍巖彈性模量也相應(yīng)地降低，圍巖變形位移量則依次增大。如某隧道，所有變形洞段均為千枚巖夾板巖、砂頁(yè)巖及斷層破碎帶等軟弱巖層段。而較完整的砂巖、安山巖、閃長(zhǎng)巖層段均未產(chǎn)生明顯變形。

3、變形量大。如某隧道，拱頂下沉150cm以上，邊墻內(nèi)擠70cm。變形過程中是圍巖系的整體擠壓，此過程中圍巖系松弛較少，基本不會(huì)出現(xiàn)松弛壓力。

膨脹巖脹縮特性的實(shí)質(zhì)是巖石由于吸水和脫水作用而發(fā)生的體積變化，對(duì)于膨脹性圍巖的大變形有如下的變形特征：

1、巖性特征：為灰白色、灰綠色、灰黃色、紫紅色和灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂、頁(yè)巖、風(fēng)化的泥灰?guī)r、風(fēng)化的基性巖漿巖、蒙脫石化的凝灰?guī)r等。

2、結(jié)構(gòu)特征：巖層多為中厚層或薄層，裂隙發(fā)育，隙壁周圍常有異種灰白、灰綠色物質(zhì)充填或替代，巖體中的波狀結(jié)構(gòu)面光滑且有擦痕。

軟巖隧道中會(huì)產(chǎn)生膨脹變形和擠出變形，兩種變形常常同時(shí)存在著，都具有明顯的時(shí)效性的特點(diǎn)。大變形巖體具有連續(xù)性的特點(diǎn)，使得膨脹形變和擠壓形變對(duì)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上主要作用力就是形變壓力，相對(duì)較小的是松弛壓力。

三、隧道大變形的影響因素

隧道的圍巖體會(huì)在工程擾動(dòng)、地應(yīng)力發(fā)生變化、隧道內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)等情況下，發(fā)生大變形破壞。施工中，隧道的開挖會(huì)引起隧道內(nèi)地應(yīng)力的新重分布，若應(yīng)力超過了巖體所能承受的強(qiáng)度時(shí)，圍巖就會(huì)發(fā)生變形，其變形一旦得不到有效的約束，變形會(huì)進(jìn)一步增大，巖體逐漸失去承載能力，進(jìn)而對(duì)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。根據(jù)資料分析和參考已有研究成果可以得到影響大變形的主要有工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素、應(yīng)力條件、設(shè)計(jì)施工因素。下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1、地質(zhì)因素

①巖體質(zhì)量。隧道收斂變形與圍巖特性緊密相關(guān)，巖體的質(zhì)量好壞決定了巖體彈性模量大小，質(zhì)量好的巖體變形量小，反之則變形量大。隧道施工中的施工擾動(dòng)對(duì)質(zhì)量差的巖體影響較大。質(zhì)量好的巖體變形持續(xù)時(shí)間短，反之則變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

②地質(zhì)構(gòu)造。隧道中有斷層的存在，形成破碎帶，破碎帶的巖體發(fā)生了不同程度張拉破壞或剪切破壞，破壞的方向是沿著巖體的弱面進(jìn)行的，斷層破碎帶的變形具有顯著的流變性，一般最大水平收斂量為50mm至70mm。此類地質(zhì)構(gòu)造的變形一般有兩類，一是壓密變形，二是彈、塑性變形（巖塊變形）。且變形的時(shí)間一般比較長(zhǎng)。

③隧道的埋置深度。隧道埋置深度的不同，隧道周邊圍巖的狀態(tài)不同。一定深度范圍內(nèi)的隧道周圍巖體處于彈性變形狀態(tài)中，隧道開挖時(shí)，此類巖體的位移變形也屬于彈性變形。隧道埋置深度超過一定深度以后，其周圍巖體就會(huì)處于塑性變形狀態(tài)，就會(huì)形成一定的圍巖塑性區(qū)。因此，隧道圍巖的變形與埋深具有較好的一致性。

2、水文地質(zhì)。水能夠?qū)D壓性巖體起到軟化效應(yīng)，巖體含水量越高，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)就會(huì)越差。在開挖隧道過程中，地下水的流動(dòng)路徑就會(huì)發(fā)生改變，影響裂隙面的有效應(yīng)力，同時(shí)巖石的抗壓強(qiáng)度和承載能力降低，將導(dǎo)致巖體的穩(wěn)定性降低，甚至產(chǎn)生剪切變形破壞。事實(shí)證明，隧道中的水會(huì)使得隧道圍巖穩(wěn)定性降低，也是隧道圍巖發(fā)生大變形破壞的重要原因之一。當(dāng)為膨脹性變形時(shí)，水的作用是其發(fā)生的必備條件，一般來說，含有膠嶺石，高嶺石和水云母類等礦物質(zhì)成分的粘土巖具有較大的塑性變形能力，它們?cè)谖账趾蟊憩F(xiàn)為體積的膨脹，這是因?yàn)檫@幾種礦物成分本身親水性強(qiáng)，遇水后極易產(chǎn)生膨脹。

3、應(yīng)力條件

在隧道開挖過程中，擾動(dòng)會(huì)引起圍巖體自身所蘊(yùn)含的應(yīng)力釋放出來。因?yàn)樵趪鷰r地質(zhì)構(gòu)造的過程中，有些巖體本身就將較大的地應(yīng)力儲(chǔ)備其中，一旦發(fā)生擾動(dòng)，較高的應(yīng)力得到快速釋放，若圍巖屬于堅(jiān)硬的巖石就可能引發(fā)巖爆現(xiàn)象；若為軟巖體，則會(huì)產(chǎn)生擠壓變形。

此外，軟巖體受到層理比較發(fā)育、巖體組成成分（如泥質(zhì)含量）的影響，其巖體的抗壓強(qiáng)度較低，彈性模量等方面物理力學(xué)參數(shù)較差，同時(shí)，軟巖工程力學(xué)特性也受其結(jié)構(gòu)面的控制。因此，軟巖受力后造成的變形破壞很大。

4、設(shè)計(jì)與施工

隧道初期設(shè)計(jì)時(shí)，由于地質(zhì)勘探資料的匱乏，往往設(shè)計(jì)的開挖方法和支護(hù)形式和實(shí)際開挖揭示的地層出入較大，而不同的開挖工法和斷面形狀對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性有很大的影響。另外在工期緊張的條件下，為提高隧道施工速度，在沒有充分掌握軟弱圍巖特性的情況下就加快隧道開挖進(jìn)度，同時(shí)，與開挖配套的支護(hù)體系也未能及時(shí)實(shí)施，軟巖變形的預(yù)防工作不到位，變形監(jiān)測(cè)沒能發(fā)揮效果，襯砌施工未能及時(shí)跟進(jìn)，等隧道施工時(shí)，勢(shì)必導(dǎo)致大變形的持續(xù)增長(zhǎng)，最終可能造成工程事故。

因此，隧道軟弱圍巖施工遵循“超前探、管超前、短進(jìn)尺、弱（不）爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、緊襯砌”的原則，施工組織圍繞這一原則開展。為防止風(fēng)化作用，盡快使開挖面穩(wěn)定，應(yīng)立即初噴混凝土，隨后打設(shè)錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，再按照設(shè)計(jì)噴射混凝土形成聯(lián)合支護(hù)整體，抑制圍巖變形，達(dá)到圍巖快速穩(wěn)定。同時(shí)考慮到圍巖的特點(diǎn)，選擇正確的施工方法，合理的支護(hù)體系，使支護(hù)強(qiáng)度一次到位，避免后期變形，從而確保隧道工程施工質(zhì)量和施工安全。