淺談工程地質(zhì)因素對地下洞室穩(wěn)定性影響

杜榮祥 趙彥賢 任鑫龍

1 地下洞室的工程地質(zhì)影響因素

地下洞室所處地區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定、山體穩(wěn)定和地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)力等因素都對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，地下洞室的選址應(yīng)充分考慮這些因素。

1.1 區(qū)域穩(wěn)定和山體穩(wěn)定影響

地下洞室區(qū)宜優(yōu)先選擇以下區(qū)域：地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，巖層厚，巖體堅(jiān)硬完整，節(jié)理組數(shù)少、間距大、無區(qū)域性大斷裂通過；附近無發(fā)震構(gòu)造，地震烈度小于Ⅷ度；地形完整，無滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形，巖溶不發(fā)育；地下水影響小且無有害氣體和異常地?zé)釁^(qū)域。

1.2 地形條件影響

要求山體完整，洞室周邊及傍山側(cè)有足夠的山體厚度。洞室進(jìn)出口邊坡下陡上緩，無滑坡和崩塌等現(xiàn)象存在。洞口坡積層薄，巖層傾向山體內(nèi)側(cè)。在地形陡峭的高邊坡開挖洞口時，為保證邊坡穩(wěn)定應(yīng)少削坡。此外，隧洞進(jìn)出口不宜布置在排水困難的低洼處以及沖溝、傍河山嘴等易受沖刷地段。

1.3 巖性條件影響

地下洞室應(yīng)盡量布置在堅(jiān)硬完整的巖石中，有利于圍巖穩(wěn)定，同時施工進(jìn)度快，造價低。而在軟弱、破碎和松散的巖層中，容易產(chǎn)生頂板坍塌、邊墻及底板膨脹擠出等現(xiàn)象，需要邊掘進(jìn)、邊支護(hù)，工期長，造價高。此外，巖層的組合特性對圍巖穩(wěn)定性也有重要影響，如軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，層狀巖體的層次越多、單層厚度越薄，穩(wěn)定性越差。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造條件影響

地質(zhì)構(gòu)造對巖體完整性和滲透性起到重要的控制作用。常見的地質(zhì)構(gòu)造包括褶皺、斷裂及巖層產(chǎn)狀等。

在褶皺核部，巖層完整性最差。在布置地下洞室時，應(yīng)盡量避開褶皺核部，若必須在褶皺巖層地段修建地下工程，應(yīng)將洞室放置于褶皺的兩翼。尤其在向斜核部，巖層呈倒拱形，頂部被張裂隙切割的巖塊呈上窄下寬形式，容易塌落，此外，向斜核部通常是承壓水儲存場所，開挖時易出現(xiàn)突涌水；與向斜核部相比，背斜核部巖層呈上拱形，可將上覆巖石的荷重傳遞至兩側(cè)巖體，有利于洞頂穩(wěn)定，且不易掉塊。

斷裂通常包括斷層、節(jié)理、劈理、原生節(jié)理和次生裂隙等破裂構(gòu)造，易成為地下水的滲流通道，斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)的穩(wěn)定性極差，在選址時應(yīng)盡量避開大斷層。

巖層產(chǎn)狀可分為與洞室軸線垂直和平行兩種。當(dāng)洞室軸線與巖層走向垂直時，圍巖穩(wěn)定性較好，有利于邊墻穩(wěn)定，尤其當(dāng)巖層較陡時，穩(wěn)定性更佳，洞室開挖時，盡量選擇順巖層傾向的方向開挖。當(dāng)洞室軸線與巖層走向平行時，若巖層較薄，彼此間聯(lián)結(jié)性差，開挖洞室時易出現(xiàn)頂板塌陷現(xiàn)象，為減少此現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)盡量將洞室布置于均質(zhì)厚層的堅(jiān)硬巖層中。

1.5 地下水影響

地下洞室施工中的塌方和冒頂事故通常與地下水活動有關(guān)，在地下洞室選址時，應(yīng)盡可能避開富水地層和富水構(gòu)造，或地下水量不大、無高壓含水層的巖體內(nèi)。

1.6 地應(yīng)力影響

初始地應(yīng)力與洞室圍巖穩(wěn)定密切相關(guān)，可通過現(xiàn)場實(shí)測，或者通過區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析和相似工程類比方式得到地應(yīng)力分別情況，并據(jù)此確定地下洞室選線和斷面形狀。

2 圍巖穩(wěn)定分析

地下洞室開挖前，巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)洞室開挖后，由于周圍巖體失去了原有支撐，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位移，從而引起洞室周圍一定范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重分布的范圍一般大約為3倍洞徑，也即通常意義上的圍巖范圍，在此范圍外，巖體仍處于或接近初始應(yīng)力狀態(tài)，不會受到開挖影響。圍巖應(yīng)力狀態(tài)直接影響了圍巖穩(wěn)定，若洞室周邊應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，則圍巖穩(wěn)定，否則會發(fā)生較大塑性變形甚至破壞，破壞形式如表1所示。

表1 圍巖破壞形式

3 圍巖穩(wěn)定防護(hù)措施

為保證地下洞室的安全和正常運(yùn)行，應(yīng)針對不同巖體條件，采用適宜的施工方法和防護(hù)措施，以提高圍巖穩(wěn)定性。

3.1 支撐與襯砌

支撐是指在洞室開挖過程中，用以穩(wěn)定圍巖的暫時性結(jié)構(gòu)，按照選材不同包括木支撐、鋼支撐和混凝土支撐等。目前，采用噴射混凝土取代支撐的方法已經(jīng)較為普遍，但在嚴(yán)重破碎巖體中仍需采用支撐方法。

襯砌是一種應(yīng)用廣泛的永久性加固圍巖的結(jié)構(gòu)。通過采用條石、混凝土或鋼筋混凝土等砌筑而成的拱形結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到承受圍巖壓力、內(nèi)水壓力以及封閉巖體中的裂隙防止?jié)B漏的效果。當(dāng)圍巖自穩(wěn)能力較高時，可不做襯砌。

3.2 噴錨支護(hù)

噴錨支護(hù)是噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、錨桿噴混凝土或錨桿鋼筋網(wǎng)噴混凝土等柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。噴錨支護(hù)允許圍巖發(fā)生適度變形，減小作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，可最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力。

在噴錨支護(hù)中，噴混凝土可以起到支撐圍巖、避免掉塊、卸載、填平補(bǔ)強(qiáng)圍巖和分配外力的作用。由于噴層能與圍巖緊密貼合，并給圍巖表面以抗力和剪力，從而使圍巖處于三向受力的狀態(tài)，同時，能有控制地使圍巖在不出現(xiàn)有害變形的前提下，產(chǎn)生一定程度的塑性變形，從而使得圍巖“卸載”。此外，噴射混凝土可進(jìn)入圍巖裂隙中，填充表面凹穴，提高凝聚力、摩阻力，防止圍巖松動和避免應(yīng)力集中。

錨桿種類可分為楔縫式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、普通砂漿錨桿等。錨桿通過錨固于穩(wěn)定巖層中產(chǎn)生錨固力，結(jié)合網(wǎng)噴支護(hù)可有效控制洞壁淺層巖石坍塌。在水平層狀巖體中，能將數(shù)層薄層聯(lián)成整體結(jié)構(gòu)，從而提高巖體整體的抗震、抗剪、抗彎能力。錨入圍巖的錨桿，可將臨近的巖體連在一起，從而阻止滑移，使圍巖形成具有承載能力的巖拱。

此外，在大跨度地下工程中，多采用聯(lián)合鋼筋網(wǎng)錨桿、噴混凝土的支護(hù)型式，鋼筋網(wǎng)可使混凝土應(yīng)力均勻分布，加強(qiáng)噴射混凝土的整體工作性能和抗震能力；同時可承受混凝土的收縮壓力，阻止因收縮產(chǎn)生的裂縫；此外，在噴混凝土與圍巖的組合拱中，鋼筋網(wǎng)可承受拉應(yīng)力。

4 結(jié)語

地下工程作為水利水電工程的重要組成部分，隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展，其規(guī)模和技術(shù)水平也得到了長足發(fā)展。但是，由于地質(zhì)條件等限制，地下工程在設(shè)計(jì)和施工過程中存在許多偶然性和不可抗力。因此，地下工程的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行慎重的論證和規(guī)劃，并且在施工過程中及時采取適宜的防護(hù)措施，是保證工程項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量和成本的關(guān)鍵課題。