不良地質(zhì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

徐慶功，高樹偉

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006）

不良地質(zhì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

徐慶功，高樹偉

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006）

影響洞室圍巖穩(wěn)定性的不良地質(zhì)因素，主要包括構(gòu)造發(fā)育松散破碎帶、富水地層、高地應(yīng)力地層、膨脹巖等，盲目施工導(dǎo)致塌方、涌水事故頻發(fā)。通常根據(jù)已開挖段揭露地質(zhì)條件、前期已有勘察成果，合理選擇開挖支護(hù)方式，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)減少施工造價(jià)，減小對(duì)圍巖擾動(dòng)、適應(yīng)圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征，確保圍巖安全穩(wěn)定。

不良地質(zhì)；隧洞；圍巖穩(wěn)定性

1 不良地質(zhì)影響隧洞開挖圍巖變形特點(diǎn)

影響隧洞開挖不良地質(zhì)因素包括：局部構(gòu)造發(fā)育松散破碎帶、富水帶、高地應(yīng)力地層、膨脹巖等。巖體通常被視為是各向異性彈塑性介質(zhì)，隨洞室開挖發(fā)生不可逆物理力學(xué)變化。當(dāng)巖體發(fā)生彈性變形時(shí)，彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在巖體內(nèi)；而當(dāng)發(fā)生塑性變形時(shí)，彈性應(yīng)變能將全部耗散，且變形不可恢復(fù)。塑性變形越大，對(duì)圍巖擾動(dòng)破壞越大，穩(wěn)定性越差。因此，施工中應(yīng)盡量減小圍巖塑性變形。

1.1 破碎帶洞室開挖

洞室開挖施工前，地下巖土體處于彈性應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨洞室開挖，當(dāng)圍巖所受應(yīng)力超過(guò)表層承受范圍，裂隙變形位移逐步向洞室以外擴(kuò)散，大致可分松弛帶、應(yīng)力升高帶、不受開挖影響原巖應(yīng)力帶。對(duì)于軟弱松散破碎巖體，松弛帶較大，時(shí)效性明顯。隨時(shí)間推移，若支護(hù)方式與圍巖變形特征不相適應(yīng)、裸露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，松弛帶范圍進(jìn)一步加大，應(yīng)力升高帶將向更深部轉(zhuǎn)移。

當(dāng)開挖停止時(shí)，掌子面附近巖體變形減小，即掌子面起虛擬支撐作用，該作用發(fā)生在掌子面約2倍洞徑范圍，當(dāng)繼續(xù)向前開挖時(shí)巖體特有的流變性逐漸顯現(xiàn)，對(duì)于破碎帶，隨開挖進(jìn)行虛擬支撐逐漸消失，引起圍巖荷載釋放，圍巖逐步進(jìn)入黏塑性屈服階段，變形速率進(jìn)一步增大，支護(hù)不及時(shí)極易引發(fā)局部或整體掉塊塌方事故。

軟弱松散破碎帶地下洞室開挖，采用短進(jìn)尺、弱爆破、邊開挖及時(shí)封閉等方式，防止出現(xiàn)塌方事故。開挖過(guò)程中結(jié)合圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)合理安排支護(hù)時(shí)間。輸水隧洞多為小斷面、全斷面開挖方式，應(yīng)盡早封閉底拱，以減小圍巖變形。

1.2 富水帶地下洞室開挖

活動(dòng)地下水對(duì)洞室開挖主要有：動(dòng)水壓力、靜水壓力、可溶巖的溶解、軟弱結(jié)構(gòu)面泥化與軟化等作用。當(dāng)?shù)叵滤趪鷰r中滲透時(shí)，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低、黏聚力減小等引起塑性流變、膨脹等。洞室開挖使?jié)B壓梯度增大，產(chǎn)生指向洞內(nèi)的滲透壓力。滲透壓力因節(jié)理產(chǎn)狀及位置而不對(duì)稱分布，在不對(duì)稱滲壓作用下，洞周分離塊體極易塌落，若地下水沿?cái)鄬悠扑閹B流，則可能產(chǎn)生機(jī)械潛蝕現(xiàn)象。

巖體的含水狀態(tài)影響圍巖穩(wěn)定性，當(dāng)飽和度80%的巖體在浸水后，塑性區(qū)深度約為原來(lái)的2倍，抗剪強(qiáng)度也急速下降。因此在富水地層地下水嚴(yán)重活躍地下洞室開挖，應(yīng)注意避免圍巖直接被水浸泡，遇涌水采用排、截、堵、引等措施，加強(qiáng)錨桿網(wǎng)片支護(hù)，避免圍巖過(guò)度松弛變形。

2 影響洞室圍巖穩(wěn)定性因素

影響洞室圍巖穩(wěn)定性因素主要有：天然地質(zhì)環(huán)境因素，如地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力等；工程因素，如洞室位置、方向、尺寸、形狀、開挖方式、支護(hù)方式、支護(hù)時(shí)間等。

對(duì)于堅(jiān)硬圍巖，主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、分布特征、變形特征等是影響穩(wěn)定性的主要因素；對(duì)較軟弱圍巖，則巖體變形特征、強(qiáng)度特性和流變性等是主要影響因素。當(dāng)洞室穿越區(qū)域性斷層破碎帶、節(jié)理密集帶或富水巖層時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)加以區(qū)別對(duì)待。巖體的力學(xué)特征、強(qiáng)度差異，通常對(duì)圍巖穩(wěn)定性起決定作用。

地下水是影響洞室圍巖穩(wěn)定的重要因素，在洞室開挖后地下水形成新的排泄通道，滲透壓力使圍巖向洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)，靜水壓力降低了巖體裂隙及母巖有效應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、變形模量、摩擦系數(shù)等而易產(chǎn)生塑性流變，對(duì)圍巖起侵蝕泥化作用。

地應(yīng)力是影響洞室圍巖穩(wěn)定的因素，高地應(yīng)力地下洞室開挖，經(jīng)常發(fā)生巖爆現(xiàn)象。地應(yīng)力指天然狀態(tài)下巖土體所受的應(yīng)力，主要包括上覆巖層的重力、側(cè)向壓力及構(gòu)造應(yīng)力等，在開挖過(guò)程中，巖石處于不斷被加載、卸載狀態(tài)，最終導(dǎo)致圍巖變形破壞。地應(yīng)力引起圍巖失穩(wěn)破壞主要在于開挖施工造成的重分布應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度，產(chǎn)生較大變形。重分布應(yīng)力所能達(dá)到的危險(xiǎn)程度與地應(yīng)力方向、量值、性質(zhì)等有關(guān)。

3 洞室開挖圍巖穩(wěn)定性分析

洞室開挖圍巖穩(wěn)定性是由多種因素共同決定的，規(guī)模和埋深一般的隧洞，所受應(yīng)力較低影響范圍較小，大多失穩(wěn)破壞主要發(fā)生在位移顯著增大、較明顯部位?？赏ㄟ^(guò)一般地質(zhì)評(píng)價(jià)解決；對(duì)于長(zhǎng)距離大埋深隧洞，所受應(yīng)力顯著增加，須進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程地質(zhì)定性與定量分析。

在對(duì)洞室穩(wěn)定性定性分析時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①對(duì)于洞室邊墻，應(yīng)注意走向與洞室平行或銳角小角度相交陡傾角貫通結(jié)構(gòu)面，包括較大斷層破碎帶、軟弱夾層，與側(cè)向陡傾角、上部緩切割節(jié)理組成向洞內(nèi)滑動(dòng)的不穩(wěn)定塊體；②對(duì)于洞室拱頂，應(yīng)注意緩傾角結(jié)構(gòu)面或陡傾角與之相互切割組合形成不利組合，引起拱頂失穩(wěn)掉塊塌方事故；③大型地下隧洞工程地質(zhì)勘察，除沿洞軸線地表地質(zhì)測(cè)繪、合理推測(cè)判斷及必要的鉆探工作外，在洞室縱、橫方向和底板、拱肩等不同高度布置探硐也是有必要的，以查明洞室周圍空間地質(zhì)條件。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)已開挖段揭露地質(zhì)條件，合理選擇開挖支護(hù)方式，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)減少施工造價(jià)，減小對(duì)圍巖擾動(dòng)、適應(yīng)圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征，確保圍巖安全穩(wěn)定。

（2）對(duì)于軟弱松散破碎帶地下洞室開挖圍巖虛擬支撐逐漸消失，荷載逐漸釋放，圍巖進(jìn)入黏塑性屈服階段，此時(shí)圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)及時(shí)支護(hù)。

（3）在富水地層地下水活躍嚴(yán)重段，巖石強(qiáng)度、黏聚力等減小易于引起塑性流變，導(dǎo)致涌水、涌砂，應(yīng)避免圍巖直接被水浸泡，加強(qiáng)支護(hù)、避免圍巖過(guò)度松弛。

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（責(zé)任編輯：尹健婷）

Study on the influence of tunnel construction on the stability of surrounding rock under bad geological condition

XU Qing-gong，GAO Shu-wei
（Investigation and Design Institute ofWater Resources and Hydropower Liaoning Province，Shenyang 110006，China）

There are many unfavorable geological factors affecting the stability of surrounding rock of the cavern，mainly including structural development，loose fracture zone，water rich stratum，high stress stratum，swelling rock and so on. Blind construction leads to frequent occurrence of collapse and water gushing.Usually according to the geological conditions，excavation has revealed the previous survey results，the reasonable selection of excavation method，optimize the support parameters and reduce the construction cost，reduce the disturbance of surrounding rock and adapt to the surrounding rock stress strain characteristics，to ensure the safety and stability of surrounding rock.

bad geology；tunnel；stability of surrounding rock

U455；TU457

：B

：1672-9900（2017）04-0019-02

2017-06-13

徐慶功（1989-），男（漢族），湖北黃岡人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工地質(zhì)工作，（Tel）15040227589。