某管道隧道隱患形成機制與分析

楊成程， 匡 野

(四川省地質工程勘察院集團有限公司， 四川成都 610072)

某管道隧道修建于2000年左右，隧道僅洞口段采取混凝土支護，洞身未支襯，隧道呈南北走向展布，洞身筆直，隧道內中間略高，兩端略低，高差約1.5m。管道埋置于隧道右側，管溝溝槽寬約1m，管頂距地面深度一般為0.1～0.5m。由于隧道洞身未支襯，隧道內多處漏水、掉塊，局部可能垮塌，威脅管道的正常運營，影響隧道的局部穩定性；加之隧道修建后成為鄉與鄉之間的重要交通便道之一，洞內漏水、積水、圍巖變形塌落威脅行人、行車的安全。

1 研究區地質環境條件

1.1 地形地貌

研究區地處秦嶺西段南支，屬構造侵蝕基巖中—低山山地，境內山脈縱橫，主要山脈走向近似東西向為主，整體地勢西高東低。

隧道穿越區山體整體走向由東向西，研究區內最高海拔1 905m，最低點海拔高程1 050m，相對高差約895m。隧道穿越區整體斜坡坡度30～45 °，局部陡坎地段55～70 °。

1.2 地層巖性

根據地面工程地質測繪，隧道內出露地層巖性為志留系下統碧口群組(Pz1bK13)中厚層狀變質砂巖夾薄層狀砂質板巖，對地層描述如下：

志留系下統碧口群組(Pz1bK13)變質砂巖夾砂質板巖：青灰色，中厚層—薄層構造，淺變質中—細粒結構，巖質新鮮，堅硬，敲擊聲清脆，中等風化狀，薄層狀砂質板巖遇水易軟壞。巖體較完整，受構造的影響局部巖體相對較破碎。

1.3 地質構造

區域上位于楊子板塊北緣西段，西秦嶺褶皺帶的東端，甘孜—松潘褶皺帶北側，為三大構造單元的銜接地區，分屬摩天嶺地塊和文—康構造帶兩個次級構造單元。主體構造線呈NE—SW向展布，由大型褶皺和斷裂組成。而后期小規模斷裂多呈NE、NW及SN向展布，對主體構造線進行了疊加改造，形成了復雜的構造格局。

研究區主要表現為褶皺構造。據勘查實測，區域內產狀190°∠50°，受構造影響發育4組主要裂隙，裂隙產狀：①傾向100～110 °，傾角45～87 °、②傾向255～310 °，傾角45～80 °、③傾向360～24 °，傾角5～30 °、④傾向180～190 °，傾角27～50 °。

1.4 水文地質條件

1.4.1 地下水類型

研究區地下水無承壓性，表現為潛水。地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水兩種種類型。前者主要賦存于松散覆蓋層，而后者則賦存于變質砂巖的構造裂隙和層間裂隙。

(1)第四系松散層孔隙潛水：主要埋藏于表層殘積層內，含水層為含碎石粉質黏土，透水性較弱；同時斜坡坡度較陡，大氣降水主要沿坡面向下排泄，部份下滲至下伏基巖中。

(2)基巖裂隙水：賦存于下伏的基巖的構造裂隙、層間裂隙，含水量受裂隙貫通程度、發育程度的決定。基巖裂隙水主要接受大氣降水、上覆松散層孔隙水補給。受裂隙及巖性的控制區內透水性及富水性較強。

1.4.2 地下水補給、排泄、徑流及水動力條件

研究區地下水的補給主要來自大氣降雨滲入補給。當大氣降雨降落地面后，一部分匯集溝谷之中形成地表逕流；另一部分則通過裸露巖土層孔隙、裂隙滲入地下，形成地下水。地下水在重力作用下，由高處向低處運動，形成地下水逕流。地下水逕流運移過程中，含水層被水文網切割，地下水溢出地表轉化為泉水，有時地下水直接匯入地表水體，構成地下水排泄。

2 隧道隱患特征分析與評價

隧道為已建隧道，根據現場工程地質測繪，隧道內及隧道進出口段外圍共發育漏水點(段)及圍巖變形塌落三種隱患，共計65處。其中漏水點(段)發育43處，圍巖變形塌落點(帶)發育22處，漏水帶與圍巖變形塌落點(帶)伴生發育13處，漏水點(段)均伴有掉塊現象。

2.1 圍巖變形塌落隱患的形成條件分析

隧道為已建隧道，隧道開挖時進出口段分別用混凝土支襯，支襯段效果較好。隧道內共發育圍巖變形塌落22處，其中圍巖變形塌落點發育10處，圍巖變形塌落帶發育12處。隧道內多處有掉塊現象，但塊體方量一般很小。

隧道內洞身段發現圍巖變形塌落點(帶)共計22處，其中單體方量較小的圍巖變形塌落點11處，呈帶狀分布的發育11處，點(帶)狀發育均占總數量的50 %。對22處圍巖變形塌落點(帶)隱患的裂隙發育情況進行了統計，其中控制圍巖變形塌落點(帶)發育程度、規模的主要裂隙有4組。

通過對隧道內洞身段圍巖變形塌落的工程地質測繪、裂隙統計等手段，對其進行綜合分析，總結出影響圍巖變形塌落形成的條件，具體如下。

2.1.1 巖性條件

隧道內出露地層巖性為志留系下統碧口群組(Pz1bK13)中厚層變質砂巖夾薄層砂質板巖。變質砂巖巖體屬較軟巖，巖質較脆，在構造作用下巖體易破碎；砂質板巖，層理發育，層薄，巖體屬較軟巖，遇水易軟壞，抗風化能力差。

2.1.2 構造條件

康縣位于秦嶺山脈西端南支，區域內構造線呈近似東西向展布，具有向東收斂，向西張開的特點。受區域構造的影響，區域內出露地層巖性為中厚層狀變質砂巖夾薄層狀砂質板巖，巖層的厚度對不穩定巖塊塊體的大小，也起著決定性的作用。

隧道位于萬家大梁南側，受構造的影響，區域內構造裂隙發育，裂隙一般延展性較好，最長可達30m，裂隙一般呈微張～閉合狀，寬度一般1～10mm，最寬可達2cm，裂隙一般泥質、石英巖脈充填，裂隙貫通性相對較差。構造裂隙、層理面及隧道開挖形成的人工臨空面的共同切割下形成不穩定巖體，表現為單體掉塊圍巖變形塌落點(帶)。

受巖性及構造的雙重控制下，巖體層間裂隙發育，主要表現在中厚層變質砂巖與薄層狀砂質板巖、砂質板巖與砂質板巖的接觸帶處，砂質板巖屬較軟巖，厚度一般2～5cm，巖體抗風化能力差，遇水易軟壞，地下水在長期運移過程中，帶走裂隙中的細顆粒，導致層間裂隙的貫通性較好。

2.1.3 人為因素條件

隧道開挖，山體內部形成人工臨空面，為圍巖剝離、掉塊及崩塌創造了人為的條件。隧道開挖后對山體原本平衡的應力進行破壞，導致圍巖形成3～6倍洞徑的應力松弛圈，應力松弛形成新的裂縫，加之巖體屬較軟巖，巖質較脆，更易形成裂縫，新裂縫再與節理裂隙、層理面的切割，加劇了圍巖的剝落、掉塊及崩塌。

綜上所述：受區域地質構造的影響下，隧址區發育的4組裂隙，在與層理面、裂隙的切割和隧道開挖形成人為臨空面的條件下形成了圍巖變形塌落隱患，在巖層構造的控制下，單體不穩定巖體方量一般較小，隧道內存在大范圍的掉塊現象。

2.2 圍巖變形塌落隱患的穩定性評價

通過對隧道內22處圍巖變形塌落點(帶)的構造裂隙統計，控制其形成的主要裂隙有4組，分別是①傾向100～110°，傾角45～87°、②傾向255～310°，傾角45～80°、③傾向360～24°，傾角5～30°、④傾向180～190°，傾角27～50°。圍巖變形塌落受兩組裂隙控制的共14處，受3組裂隙控制的共8處，4組主要裂隙形成了5種圍巖變形塌落破壞方式(即A、B、C、D、E類型)，其中兩組裂隙組合的主要有2種，三組裂隙組合的主要有3種，裂隙的組合方式與人工形成的臨空面位置關系將直接決定巖體的穩定性。隧道呈南北走向展布，隧道筆直，隧道兩端略低于中部，高差約1.5m，為評價影患的穩定性將隧道內除底面外的洞壁理想化成4個臨空面，即臨空面①92°∠80°、②92°∠20°、③268°∠20°、④268°∠80°。通過對主要4組裂隙組合、切割形成的5種類別的圍巖變形塌落隱患各選一處對其進行穩定性判定，從而達到以點帶面的綜合評價。

2.2.1 兩組裂隙組合方式

2.2.1.1 里程K0+164～K0+170(A類型)

K0+164～K0+170圍巖變形塌落帶位于隧道頂部，巖性為中厚層變質砂巖夾薄層砂質板巖，青灰色，巖層產狀190°∠50°，巖層走向與隧道走向近視垂直。巖體內發育2組裂隙：①100°∠45°，裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，部分泥質充填，少量石英巖脈充填，貫通長度一般5.0～10.0m，發育間距0.5～1.5m；②20°∠10°裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，無充填，貫通長度0.5～2.0m，發育間距0.2～0.7m，受層面及裂隙的控制形成圍巖變形塌落帶，其中K0+164～K0+169段圍巖變形塌落帶方量約6m3；K0+170處發育一塊單體不穩定巖體，方量約0.12m3。

根據赤平投影分析，裂隙①與②的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向相反，而傾角小于①、③臨空面的傾角，大于②、④臨空面的傾角，結構面的組合交線在臨空面均有出露，判定該圍巖變形塌落隱患屬不穩定結構。

2.2.1.2 里程K0+697(B類型)

K0+697圍巖變形塌落位于隧道左側頂部，巖性為中厚層變質砂巖夾薄層安山凝灰巖，青灰色，巖層產狀190 °∠50 °，巖層走向與隧道走向近視垂直。巖體內發育2組裂隙：①100 °∠70 °，裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，部分泥質充填，少量石英巖脈充填，貫通長度一般5.0～10.0m，發育間距0.5～0.8m；②310 °∠10 °裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，無充填，貫通長度0.5～2.0m，發育間距0.2～0.7m，受層面及裂隙的控制形成不穩定巖體，方量約0.15m3。

根據赤平投影分析，裂隙①與②的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向一致，而傾角小于①、②、③、④臨空面的傾角，結構面的組合交線在臨空面有出露，判定該圍巖變形塌落隱患屬較穩定結構。

2.2.2 三組裂隙組合方式

2.2.2.1 里程K0+238(C類型)

K0+238圍巖變形塌落位于隧道左側頂部，隧道左側下部有隧道開挖時留下的凹巖腔，巖性為中厚層變質砂巖夾薄層安山凝灰巖，青灰色，巖層產狀190 °∠50 °，巖層走向與隧道走向近視垂直。巖體內發育2組裂隙：①100 °∠80 °，裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，部分泥質充填，少量石英巖脈充填，貫通長度一般5.0～10.0m，發育間距0.5～1.5m；②360 °∠10 °裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，無充填，貫通長度0.5～2.0m，發育間距0.2～0.7m；③180 °∠50 °，裂面粗糙，裂隙微張～閉合狀，貫通長度0.5～1.5m，發育間距0.5～1.5m，受層面、凹巖腔臨空面及裂隙的控制形成不穩定巖體，方量約4.5m3。

根據赤平投影分析，裂隙①與②的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向一致，而傾角小于①、③臨空面的傾角，大于②、④臨空面的傾角；裂隙①與③的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向相反，而傾角大于①、②、④、③臨空面的傾角，結構面的組合交線在臨空面均有出露，判定該圍巖變形塌落隱患屬不穩定結構。

2.2.2.2 里程K0+704(D類型)

K0+704危巖位于隧道左側頂部，巖性為中厚層變質砂巖夾薄層砂質板巖，青灰色，巖層產狀190 °∠50 °，巖層走向與隧道走向近視垂直。巖體內發育3組裂隙：①100 °∠70 °，裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，部分泥質充填，少量石英巖脈充填，貫通長度一般5.0～10.0m，發育間距0.5～1.5m；②300 °∠10 °裂面較平整，裂隙閉合狀，泥質充填，貫通長度0.5～3.0m，發育間距0.2～0.7m；③180 °∠27 °，裂面粗糙，裂隙微張～閉合狀，貫通長度0.5～2.5m，發育間距0.5～1.5m，受層面及裂隙的控制形成不穩定巖體，方量約4.5m3。

根據赤平投影分析，裂隙①與②的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向一致，而傾角小于①、④臨空面的傾角，大于②、③臨空面的傾角；裂隙①與③的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向相反，而傾角小于①、④臨空面的傾角，大于②、③臨空面的傾角；裂隙②與③的結構面組合交線與臨空面③、④傾向一致，與臨空面①、②傾向相反，而傾角小于①、②、④、③臨空面的傾角，由裂隙切割形成的楔形體被層面進一步切割，進一步影響巖體的穩定性，綜合判定該圍巖變形塌落隱患屬較不穩定結構。

2.2.2.3 里程K0+950～K0+990(E類型)

K0+950～K0+990危巖位于隧道頂部，巖性為中厚層變質砂巖，青灰色，巖層產狀190 °∠50 °，巖層走向與隧道走向近視垂直。巖體內發育3組裂隙：①20 °∠10 °，裂面較平整，裂隙微張～閉合狀，無充填，貫通長度一般0.2～1.0m，發育間距0.1～0.5m；②101 °∠80 °，裂面平整，裂隙閉合狀，泥質充填，貫通長度10～25m，最大可達30m，發育間距1.0～2.0m；③290 °∠78 °，裂面平整，裂隙閉合狀，主要為石英巖脈充填，貫通長度2.5～5.5m，發育間距1.0～2.5m，受層面及裂隙的控制形成圍巖變形塌落帶，方量約70m3。

根據赤平投影分析，裂隙①與②的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向一致，而傾角小于①、④臨空面的傾角，大于②、③臨空面的傾角；裂隙①與③的結構面組合交線與臨空面①、②傾向一致，與臨空面③、④傾向相反，而傾角小于①、④臨空面的傾角，大于②、③臨空面的傾角；裂隙②與③的結構面組合交線與臨空面③、④傾向一致，與臨空面①、②傾向相反，而傾角小于①、④臨空面的傾角，大于②、③臨空面的傾角，由裂隙切割形成的楔形體被層面進一步切割，進一步影響巖體的穩定性，綜合判定該圍巖變形塌落隱患屬較不穩定結構。

通過對上述4組主要裂隙形成的5種方式(A、B、C、D、E類型)圍巖變形塌落的分析，圍巖變形塌落的穩定性為較穩定、較不穩定和不穩定，其中A、C類屬于不穩定結構，D、E類屬于較不穩定結構，B類屬較穩定結構。

2.3 漏水形成條件分析與評價

勘察期間為枯水期，隧道內共發育43處漏水，其中漏水點共27處，漏水段共16處。經過對漏水點(段)的統計分析，漏水點(段)地下水的產出方式主要有兩種，即呈侵潤狀、滴狀產出，偶見小股狀產出，呈侵潤狀產出表現為團塊狀洞壁潮濕。地下水產出位置沿裂隙、層面產出，漏水點一般沿裂隙或者層面產出，而地下水沿層面、裂隙共同產出則形成一個漏水段。

通過對隧道內的工程地質測繪及調查，再對漏水點(段)的地下水產出位置、產出方式進行分析及總結，漏水點(段)主要受大氣降水、構造、巖性和人為因素條件的影響。

2.3.1 構造條件

康縣位于秦嶺山脈西端南支，區域內構造線呈近似東西向展布，有向東收斂，向西張開的特點。隧道位于萬家大梁南側，受構造的影響，區域內構造裂隙發育，裂隙一般延展性較好，裂隙一般呈微張—閉合狀，寬度一般1～10mm，裂隙一般泥質、石英巖脈充填，裂隙貫通性相對較差。受巖性及構造等控制下，區內層間裂隙發育，主要表現在中厚層變質砂巖與薄層狀砂質板巖、砂質板巖與砂質板巖的接觸帶，砂質板巖層薄，層理發育，遇水易軟化，地下水在長期運移過程中對層間裂隙內的細顆粒進行搬運，導致層間裂隙的貫通性相對較好。裂隙給予地下水的賦存空間，而裂隙的發育程度、貫通程度直接控制著漏水量的大小。

2.3.2 降水條件

隧道位于萬家大梁南側，區域內雨量充沛，根據氣象統計資料，區內歷年平均年降水量為807.5mm，年降水量最大值1 162.2mm，年降水量最小值535.3mm。從歷年平均情況來看，夏季降水多冬季降水少，夏季平均降水量降水達388.9mm，全年48 %的降雨量集中在夏季。降雨在地形地貌、地層巖層等影響下入滲補給地下水。根據訪問調查，雨季漏水量較大，漏水點多，枯水期漏水量較小，漏水點少。可見降雨量的大小，對漏水量的大小也起著關鍵性的作用。

2.3.3 巖性條件

隧道內出露地層巖性為志留系下統碧口群組(Pz1bK13)中厚層變質砂巖夾薄層砂質板巖。變質砂巖屬較軟巖，巖質 較脆，透水性好，在構造作用下巖體易破碎，也易形成裂隙；砂質板巖，巖體屬較軟巖，遇水易軟壞，抗風化能力差，透水性較強。通過調查，漏水點(段)產出位置大部分沿中厚層變質砂巖與薄層狀砂質板巖、砂質板巖與砂質板巖的接觸帶處產出，少部分沿構造裂隙產出。

2.3.4 人為因素條件

降雨形成地表水，大部分沿坡面由地勢高處向地勢低處徑流；小部分由地表水下滲形成地下水，地下水在巖體裂隙中賦存及運移，在地勢地處或者巖體破碎處以泉的形式排泄。隧道的開挖，形成臨空面，為地下水的排泄提供通道；隧道開挖形成應力松弛圈，應力松弛導致巖體形成新的裂隙，為地下水徑流形成新的通道，加之隧道的開挖人為的形成排泄通道，改變地下水壓力，導致部分地下水運移的方向及速度，形成地下水漏斗，也將增大漏水量。

綜上所述：區域內巖性為較硬質巖易碎，透水性較好，在構造下形成裂隙，降雨部分下滲形成地下水，地下水賦存于裂隙中，人工開挖隧道，人為創造排泄通道，形成了漏水。

2.4 漏水與圍巖變形塌落點(帶)的關系

通過對隱患點的調查及統計，隧道內漏水點(段)發育43處，圍巖變形塌落點(帶)發育22處，圍巖變形塌落點(帶)伴身漏水隱患點共13處，而露出點(段)基本伴隨有掉塊現象。經過對漏水與圍巖變形塌落的形成機制的分析與總結，隧道內兩種隱患均受地層巖性、地質構造及人為因素的控制。漏水將加劇局部圍巖變形塌落，隧道開挖為地下水人為形成排泄通道，改變原有地下水壓力，導致部分地下水的運移方向及速度，地下水運移過程中將帶走裂隙中的細顆粒，加劇裂隙的貫通性，加快導圍巖變形塌落的速度。