裂隙－地下水相互作用對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究

聶毓斌 杜園園 徐中衛(wèi)

摘要 文章對(duì)青海省海東市在建樂化隧道角閃巖洞段的圍巖地質(zhì)特征及工程性質(zhì)分析基礎(chǔ)上，研究裂隙、地下水之間的相互作用及對(duì)圍巖失穩(wěn)的影響，得出以下結(jié)論：角閃巖洞段滑塌往往發(fā)育于節(jié)理、裂隙密集帶、強(qiáng)（全）風(fēng)化帶，圍巖穩(wěn)定主要受組合裂隙控制，主要失穩(wěn)破壞模式有張裂塌落和剪切滑移兩類。在施工過程中，若圍巖出現(xiàn)裂隙密集帶、隧道股狀出水等單個(gè)或多個(gè)現(xiàn)象，應(yīng)考慮掌子面前方屬地質(zhì)異常帶，及時(shí)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及調(diào)整工藝工法及支護(hù)參數(shù)工作。

關(guān)鍵詞 角閃巖;裂隙-地下水;圍巖穩(wěn)定性

中圖分類號(hào) U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）01-0097-03

0 引言

青海海東市角閃巖分布較廣泛，通過調(diào)繪判斷為寒武系上統(tǒng)六道溝組上段（ε31d2）角閃巖，灰色，綠灰色，中粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，受地質(zhì)構(gòu)造影響較重（地震烈度VII），與加里東期侵入花崗閃長(zhǎng)巖（γδ3）、正長(zhǎng)巖（ζ3）、上第三系中新統(tǒng)西寧組（N1X）泥質(zhì)砂巖相互侵?jǐn)_、共生，屬于地質(zhì)多階段構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿侵入的產(chǎn)物。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于青海省角閃巖物理、力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)特征方面研究不多，如劉顯凡、汪靈、李慧（2015）認(rèn)為角閃石普遍存在于變質(zhì)巖及火成巖中，多由富含鐵鎂礦物的巖石變質(zhì)而成，鎂、鐵、鈣、鈉、鋁等的硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，單斜晶系，長(zhǎng)柱狀，等粒、片理顯著。該文結(jié)合在建樂化隧道、香草隧道開挖揭示角閃巖的地質(zhì)特征及工程性質(zhì)，分析角閃巖隧道圍巖失穩(wěn)破壞的特征及模式，進(jìn)一步分析風(fēng)化特征、裂隙、地下水之間的相互作用及對(duì)圍巖失穩(wěn)的影響。

1 地質(zhì)條件

1.1 角閃巖主要地質(zhì)特征

根據(jù)前期勘察階段工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭示情況，在建樂化隧道出露寒武系上統(tǒng)六道溝組上段（ε31d2）角閃巖，強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化發(fā)育厚度大小不均，強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在3.9～5.8 m，灰色，綠灰色，中粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物蝕變強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化呈散體狀、碎塊狀;中風(fēng)化層厚度一般在12.3～238.5 m（未揭穿），灰色，綠灰色，中粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分以角閃石為主，角閃石具綠泥石化蝕變，巖性軟硬不均，大多較硬，局部較軟～極軟。隧址區(qū)局部充斥加里東期侵入花崗閃長(zhǎng)巖（γδ3）、正長(zhǎng)巖（ζ3）、上第三系中新統(tǒng)西寧組（N1X）泥質(zhì)砂巖[1]。

從現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖情況分析，在不同埋深洞段，隧道圍巖風(fēng)化程度不均，巖質(zhì)軟硬不均，裂隙發(fā)育不均，裂隙面多為平直光滑，膠結(jié)較差，組合裂隙切割形成楔形掉塊、滑塌現(xiàn)象很普遍。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)在大地構(gòu)造單元上位于新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏高原東北緣，大地構(gòu)造位置屬于祁連加里東褶皺系，自西向東跨祁連加里東褶皺系南祁連冒地槽帶、中祁連中間隆起帶與北祁連優(yōu)地槽褶皺帶、區(qū)域構(gòu)造線以北西向?yàn)橹?，深大斷裂、褶皺?gòu)造發(fā)育，沿區(qū)域斷裂有大量侵入巖分布，具長(zhǎng)期多次活動(dòng)的特點(diǎn)。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 地表水

隧址區(qū)屬黃河流域，地表水主要為黃河流域一級(jí)支流湟水河及沿線發(fā)育的崗子溝河、瞿曇河、山間溪流等，主要接收大氣降水補(bǔ)給，地區(qū)年降雨量分布不均，非汛期水量較小。

1.3.2 地下水

隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水和碎屑巖類孔隙水，含水巖組為寒武系上統(tǒng)六道溝組上段（ε31d2）角閃巖、加里東期侵入花崗閃長(zhǎng)巖（γδ3）、正長(zhǎng)巖（ζ3）、斷層破裂帶及上第三系中新統(tǒng)西寧組（N1X）泥質(zhì)砂巖，水量貧乏。埋深1.8～19.6 m，地下水的補(bǔ)給方式主要為大氣降水，排泄方式以垂直蒸發(fā)和地下徑流形式排泄，受大氣降水影響，呈季節(jié)性變化。年平均降水量隨地勢(shì)增高而增大，年平均氣溫7.3℃，年平均降雨量329.6 mm，隧址區(qū)海拔3 000～4 000 m，地下水凍融循環(huán)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)存在顯著影響。

2 角閃巖裂隙發(fā)育特征

樂化隧道左幅ZK38+809處，左側(cè)拱頂-右側(cè)邊墻處發(fā)育1條斜向貫穿型裂隙（圖1a），節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面微張，產(chǎn)狀約呈70°。YK38+710處，掌子面揭示為寒武系上統(tǒng)六道溝組上段（ε31d2）中～強(qiáng)風(fēng)化角閃巖，受地下水侵蝕，巖體較破碎，裂隙較發(fā)育，右側(cè)拱部-軸線底板處發(fā)育1條貫穿型裂隙（圖1b），寬約0.5 m。ZK38+809處，進(jìn)洞方向右側(cè)為中風(fēng)化角閃巖，受地下水侵蝕較重，左側(cè)為碳質(zhì)泥巖，巖質(zhì)較軟，存在小型塌方或滑塌的可能（圖1c）。YK38+813.5處，掌子面揭示為寒武系上統(tǒng)六道溝組上段（ε31d2）中～強(qiáng)風(fēng)化角閃巖，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，裂隙較發(fā)育，膠結(jié)較好，自穩(wěn)能力一般（圖1d）。

3 圍巖失穩(wěn)破壞模式

在建隧道圍巖角閃巖為塊狀結(jié)構(gòu)的脆性巖石，從施工過程塌方特征分析，主要以張裂塌落和剪切滑移兩種失穩(wěn)破壞模式為主[2]。

3.1 張裂塌落失穩(wěn)破壞模式

張裂塌落主要發(fā)生于洞室頂拱，當(dāng)隧道開挖后，拱頂易產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，當(dāng)其值超過圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞，尤其是發(fā)育有近垂直的構(gòu)造裂隙時(shí)且有近水平方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育時(shí)，巖體在垂直方向的抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，往往造成頂供的塌落。如圖2所示，兩組裂隙面相較于隧道拱頂以上，形成三角楔形體，隧道開挖后，楔形體下部臨空，在自重應(yīng)力及水壓作用下，易出現(xiàn)張裂塌落，對(duì)施工有一定的影響。

如圖3所示，兩組豎向裂隙面與拱頂以上近水平向裂隙面組合形成方形楔形體，隧道開挖后，楔形體下部臨空，在自重應(yīng)力及水壓作用下，易出現(xiàn)張裂塌落。

3.2 剪切滑移失穩(wěn)破壞模式

剪切滑移可能發(fā)生于拱腰或邊墻，也可能發(fā)生于拱頂，當(dāng)巖體或裂隙面的剪切應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)剪切破壞，沿裂隙滑動(dòng)失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示情況，在建興隆隧道角閃巖裂隙面一般平直稍粗糙或光滑，膠結(jié)較差，因此裂隙面抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力及內(nèi)摩擦角）較低，在裂隙發(fā)育部位一般會(huì)有滲水，可能對(duì)其參數(shù)進(jìn)一步弱化，因此隧道開挖過程中剪切滑移破壞的隧道失穩(wěn)現(xiàn)象較為常見。如圖4所示，兩組裂隙面相較于隧道拱腰或邊墻外側(cè)，形成三角楔形體，隧道開挖后，楔形體在自重應(yīng)力及水壓作用下剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力大于裂隙面L1的抗剪強(qiáng)度時(shí)，易出現(xiàn)沿裂隙面L1的剪切滑移失穩(wěn)破壞。

如圖5所示，三組裂隙面相較于隧道拱腰或邊墻外側(cè)，形成楔形體，隧道開挖后，楔形體在自重應(yīng)力及水壓作用下剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力大于裂隙面L1的抗剪強(qiáng)度時(shí)，易出現(xiàn)沿裂隙面L1的剪切滑移失穩(wěn)破壞。

3.3 角閃巖風(fēng)化-裂隙（斷層）-地下水相互作用分析

在建隧道角閃巖為侵入巖，屬中粒晶體結(jié)構(gòu)硬質(zhì)巖，主要礦物成分為角閃石、含部分石英和長(zhǎng)石，夾雜少許云母、綠灰石。角閃巖中裂隙一方面形成于巖漿侵入成巖過程中冷凝收縮（原生裂隙），原生裂隙產(chǎn)狀無規(guī)律性，主要受成巖過程環(huán)境影響;另一方面形成于后期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)（構(gòu)造裂隙），構(gòu)造裂隙產(chǎn)狀受構(gòu)造應(yīng)力影響。巖體風(fēng)化主要有物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。風(fēng)化的速度和程度取決于巖石的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文條件、地形條件、人類活動(dòng)的影響等[3]。

角閃巖的風(fēng)化深度不一，差異性較大，風(fēng)化強(qiáng)度主要受裂隙密集帶和地下水滲流影響。裂隙密集帶（斷層）一般巖體較為破碎，完整性較差，更易使得巖體結(jié)構(gòu)破壞，決定了風(fēng)化的深度和范圍;降雨入滲后，一般沿裂隙密集帶滲流通道進(jìn)行滲流，地下水一般賦存于該類破碎巖體中，對(duì)巖體進(jìn)行長(zhǎng)期的溶解、溶蝕、沖刷、軟化，地下水進(jìn)入裂隙面使圍巖產(chǎn)生軟化或泥化，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生塑性變形或泥沙石流塑狀滑塌，地下水的賦存加劇巖體風(fēng)化、軟化，風(fēng)化后的角閃巖工程力學(xué)性質(zhì)較差，極易產(chǎn)生坍塌，裂隙在地下水作用下抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，摩阻力、內(nèi)聚力減小，在組合裂隙面的切割下，開挖易出現(xiàn)塌方等事故。角閃巖中地下水一般賦存于中～強(qiáng)風(fēng)化巖體中，強(qiáng)風(fēng)化線以上為透水層，以下為相對(duì)隔水層，巖體透水性主要受裂隙密度及連通性影響，一般在裂隙密集帶附近往往可能出現(xiàn)小規(guī)模涌水現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）角閃巖洞段塌方往往發(fā)育于裂隙密集帶，圍巖穩(wěn)定主要受組合裂隙控制，主要失穩(wěn)破壞模式有張裂塌落和剪切滑移兩類，主要發(fā)生于掌子面拱頂、拱腰部位;角閃巖風(fēng)化、裂隙、地下水呈現(xiàn)共生共存、相互影響的特點(diǎn)，裂隙密集帶（或斷層）處巖體風(fēng)化一般較強(qiáng)，地下水較為豐富，易出現(xiàn)隧道塌方、小型涌水等地質(zhì)災(zāi)害。

（2）在施工過程中，若圍巖出現(xiàn)強(qiáng)（或全）風(fēng)化、裂隙密集帶（或斷層）、隧道股狀出水等單個(gè)或多個(gè)現(xiàn)象，應(yīng)考慮掌子面前前方屬地質(zhì)異常帶，及時(shí)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及調(diào)整工藝工法及支護(hù)參數(shù)工作。

（3）選擇隧道開挖工法、設(shè)備配備要慎之又慎。洞室開挖必然會(huì)引起一定范圍內(nèi)的地層應(yīng)力和形態(tài)的較大變化。礦山法建立在傳統(tǒng)的荷載與承載“對(duì)等”的理念上。其工程機(jī)理是使用“支撐”來抵御由于地層變化所造成的“松弛荷載”，其工程行為重在支撐效果和對(duì)支撐的處理上。與礦山法對(duì)比，新奧法有著顯著不同的工程機(jī)理、技術(shù)方法和操作內(nèi)容。新奧法認(rèn)為圍巖既形成了荷載、又是承載結(jié)構(gòu)部分，視支護(hù)與圍巖為一體，共同承載地層壓力，角閃巖地段隧道開挖宜采用后者。

（4）施工過程中，應(yīng)重視地下水的疏導(dǎo)、堵排，防止凍融循環(huán)、鎂鐵離子腐蝕對(duì)二次襯砌的破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]劉貽燦，徐樹桐，江來利，等.大別山北部斜長(zhǎng)角閃巖類的地球化學(xué)特征及形成構(gòu)造背景[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，1998（4）：323-331.

[2]蔡克大，袁超，孫敏，等.阿爾泰塔爾浪地區(qū)斜長(zhǎng)角閃巖和輝長(zhǎng)巖的形成時(shí)代、地球化學(xué)特征和構(gòu)造意義[J].巖石學(xué)報(bào)，2007（5）：877-888.

[3]劉顯凡，汪靈，李慧，等.角閃石族和輝石族礦物的系統(tǒng)礦物學(xué)分類命名[J].礦物學(xué)報(bào)，2015（1）：19-28.