淺析隧道修建的工程地質(zhì)條件

摘要：本文以工程地質(zhì)的類別為基礎，重點對隧道設計與建設過程中需要著重關注的工程地質(zhì)條件進行了分析，研究了黃土地層、膨脹土地層、高低溫地層、松散地層對隧道的影響。

關 鍵 詞：復雜地質(zhì) ；隧道建設；特殊地層

1、前言

隧道從位置選擇到具體設計，直到施工，均與地質(zhì)條件有密切關系地質(zhì)條件包括巖層、地質(zhì)構造、巖層產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育程度及風化程度，隧道所處深度及其與地形起伏的關系，地層含水程度、地溫及有害氣體情況，有無不良地質(zhì)現(xiàn)象及其影響等。基于此，在隧道的勘察設計中，應十分注意工程地質(zhì)工作。對重點隧道或工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復雜的隧道，應進行區(qū)域性的工程地質(zhì)調(diào)查、測繪，并加強地質(zhì)勘探和試驗工作當?shù)叵滤畬λ淼烙绊戄^人時，應進行地下水動態(tài)觀測，并計算隧道涌水量隧道工程地質(zhì)勘探通常采用以鉆探為主，輔以電探或震探的方法。隧道勘探中主要關注的地質(zhì)問題有:隧道位置與洞口位置的選擇;地下水、地溫及有害氣體;隧道圍巖的穩(wěn)定性。

隧道一般修建遇到的不良地質(zhì)類別為黃土地層、膨脹土地層、松散地層、高地溫地層等。本文以復雜工程地質(zhì)的類別為基礎，研究了黃土地層、膨脹土地層、高低溫地層、松散地層對隧道的影響。

2、黃土地層

黃土隧道具有明顯的黃土工程特性，顆粒組成、含水量、微觀結(jié)構、孔隙比(率)、粘粒含量、人工活動等是決定黃土的基本工程地質(zhì)特征的基本因素。水膠聯(lián)合是黃土顆粒之間的主要聯(lián)結(jié)形式，在干燥時賦予黃土相當高的強度，但遇水后聯(lián)結(jié)削弱強度降低，使得黃土具有濕陷性等特殊工程地質(zhì)特性;物理地質(zhì)作用、地震作用、水作用和綜合作用產(chǎn)生黃土隧道主要工程地質(zhì)災害；水對黃土具有特殊的意義。

黃土的基本物理力學性質(zhì)由西面東、由北面南有規(guī)律變化:容重逐漸增大、含水量增高，孔隙比降低、濕陷性減弱;隨深度的變化規(guī)律一般是:比重變化不大，容重和干密度隨深度面變大，孔隙比隨深度面變小。孔隙比和干密度的大小對黃土壓縮性和濕陷性有很大影響，干密度呈反相關，孔隙比呈正相關;含水量的大小對黃土的濕陷性有很大影響，含水量大，黃土的是現(xiàn)行相對較弱。

黃土的疏松多孔結(jié)構，尤其是結(jié)構性孔隙是黃土濕陷性的必要條件；黃土中的不抗水粒問膠結(jié)是黃土濕陷性的充分條件；水膠聯(lián)合是黃土顆粒之問的主要聯(lián)結(jié)形式，在干燥時賦予黃土相當高的強度，但遇水后聯(lián)結(jié)削弱強度降低，并且其削弱程度隨水量的大小成比例變化，這是黃土濕陷性的本質(zhì)。另外可溶鹽等對黃土濕陷性也有一定程度的影響。

3、膨脹土地層

因為膨脹土質(zhì)自身所具有的一些特性，在隧道施工的過程中其穩(wěn)定性與安全性會受到一定程度的影響，從而造成膨脹土隧道工程的結(jié)構失穩(wěn)、成本增加等問題的出現(xiàn)。所以，合理科學的施工可以有效地維護圍巖自身的穩(wěn)定性和支護結(jié)構的安全性，還能保證施工順利地進行，從而達到縮短工期，降低工程成本的目標。

膨脹土指的是土中的粘土礦物成分大多由親水性礦物組成的，在吸水后具有顯著膨化、軟化以及失水收縮硬裂等特點的高塑性的粘土，同時這種粘土還具有濕脹干縮往復變形的特點。決定其膨脹性的親水礦物大多以蒙脫石的粘土礦物為主。

在膨脹土所在的地層中，隧道開挖一段時間后，經(jīng)常能夠發(fā)現(xiàn)其中的圍巖因為開挖面產(chǎn)生了一定的變形，或者是因為浸水面導致了膨脹，再或者是因為風化面導致開裂等現(xiàn)象。這樣就使隧道自身的頂部與兩側(cè)共同向內(nèi)擠入，底部也逐漸鼓起，這樣如果時間久了就可能出現(xiàn)支撐破壞或者襯砌變形等現(xiàn)象。從這些現(xiàn)象中可以看出來，膨脹土圍巖自身的性質(zhì)是非常復雜的。因為膨脹土圍巖具有特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)和圍巖壓力相關特性，所以會使隧道中存在非常普遍的開裂和內(nèi)擠以及局部坍塌等一些變形現(xiàn)象。面膨脹土隧道中圍巖的變形有著速度快和破壞性大以及延續(xù)時間長等特點。在施工的過程中較為常見的情況有以下幾種：圍巖裂縫情況、隧道下沉的現(xiàn)象、圍巖的膨脹突出與坍塌現(xiàn)象、隧道底部底鼓、襯砌變形與破壞。

4、高地溫地層

在設計地下工程時，必須考慮在施工實施時大員和機具的工作條件，首先要解決的問題是所有的工程地質(zhì)問題，面天然地溫便是一個比較突出的地質(zhì)問題。地溫超過30℃時，便稱為高地溫。隧道工程中若發(fā)生高地溫問題，一方面會惡化作業(yè)環(huán)境，降低勞動生產(chǎn)率，并嚴重威脅到施工大員的生命安全;另一方面將影響到施工材料的選取(如耐高溫炸藥)和混凝土的耐久性。面且由于產(chǎn)生的附加溫度應力還將引起襯砌開裂，嚴重影響隧道的穩(wěn)定性。

地熱的形成按熱源不同，可分為三大類:即地球的地慢對流、火山巖漿集中處的熱源及放射性元素的裂變熱成為熱源。其中，對隧道工程施工造成影響的主要是火山的熱源和放射性元素的裂變熱源。

由于火山供給的熱是地下的巖漿集中處的熱能面產(chǎn)生熱水，這種熱水(泉水)成為熱源，又將熱供給周圍的巖層。當隧道或地下工程穿過這種巖層，就有發(fā)生高溫、高熱的現(xiàn)象。

5、松散土地層

在公路、鐵路和既有建筑物等結(jié)構物下面修建公路、鐵路、地鐵，在軟弱地層或不良地質(zhì)條件下修建山嶺隧道等工程時，在目前的技術條件下多采用暗挖施工的方法。當隧道的覆蓋層較薄且地面荷載較大時，為了保持隧道掌子面、地表的穩(wěn)定、支撐荷載及防比隧道開挖面因崩塌面影響到地表的工程，一般采用超前支護的方法對開挖面前方的土體進行預加固。因此，探尋松散地層對隧道預支護工程影響，具有重要的理論意義和實際工程意義。

松散地層是指粘結(jié)性差、強度低、易風化、有時遇水膨脹、自穩(wěn)能力差的巖層，它具有破碎、軟弱、松散、膨脹、流變、強風化蝕變等特點。國內(nèi)外學術上，對松散地層的認識存在差別，缺乏充分科學的統(tǒng)一的標準，但其特征都是相對于致密、堅硬、支護容易的巖體面言的松、散、軟、弱。松散地層是一種典型軟弱圍巖之一，結(jié)理和裂隙比較發(fā)育，巖體被切割得很破碎，結(jié)構面對巖體的變形和破壞不起作用，其圍巖可分為工程軟巖和地質(zhì)軟巖。

根據(jù)對松散地層性質(zhì)和機理的分析，可以看出在這種地質(zhì)條件下進行隧道的開挖，需要在掌子面之前對巖體或者土體進行預支護，以保證施工中圍巖或土體的穩(wěn)定和施工的安全，是十分必要的。根據(jù)預支護對周圍地層的影響，地層改良法相對預支護加固法就是通過提高掌子面周圍巖體的物理特性來提高圍巖的強度和穩(wěn)定性的方法。這種方法主要有:圍巖加固、注漿、射流注漿、排水和地層凍結(jié)等方法。預支護加固法就是在隧道掌子面開挖前，先對圍巖進行超前支護，增加周圍巖體的強度和穩(wěn)定性，使開挖面周圍應力盡可能不受隧道開挖的干擾，防比掌子面施工時圍巖參數(shù)降低過多發(fā)生意外的方法。

6、小結(jié)

水膠聯(lián)合是黃土顆粒之問的主要聯(lián)結(jié)形式，在干燥時賦予黃土相當高的強度，但遇水后聯(lián)結(jié)削弱強度降低，并且其削弱程度隨水量的大小成比例變化;黃土中含有相當數(shù)量的粘土和鹽類，使黃土顆粒有一定程度的膠結(jié)，從而具有相當?shù)脑純?nèi)聚力; 黃土地區(qū)的工程地質(zhì)災害主要由物理地質(zhì)作用、地震作用、水作用和綜合作用產(chǎn)生，以水作用與物理地質(zhì)作用的綜合效應對隧道的威脅最大。

松散地層地質(zhì)條件較差，其破壞主要是由于其自身的地層構造和圍巖的結(jié)構特點導致的。地層中含有軟弱夾層，圍巖較為破碎，結(jié)構面大量發(fā)育，整體強度低，穩(wěn)定性差，是工程中較難支護的一種情況。松散地層有著其獨特的特征，主要是其圍巖自穩(wěn)時間短，應力釋放速度快，變形量大，持續(xù)時間長，隧道四周均存在較人圍壓等，這些特點導致了其在工程中難以支護。