降雨條件下隧道塌方變形機制分析

康志宇

(中交一公局第五工程有限公司，北京 100024)

0 引 言

塌方變形是隧道最常見的一類地質災害，造成隧道塌方變形的因素有多種，包括人為因素和自然因素，比如降雨、降雪等[1]。據有關數據顯示，隧道塌方變形事故大部分是在雨季發生，為此提出降雨條件下隧道塌方變形機制分析。

1 隧道塌方變形原因

根據隧道施工工作經驗以及隧道地質情況分析，造成隧道塌方變形的主要原因包括以下三點：

(1)大部分隧道塌方變形區域隧道土層埋深比較淺，隧道周圍的巖石多為黑灰色強風化碳酸鹽，該類型巖石雖然硬度較高，但是其同樣具有較高的脆性，容易發育裂隙，而且強風化碳酸鹽整體結構比較松散，隧道塌方變形區域的圍巖整體性比較差[2]。

(2)大多數隧道塌方變形區域地表土層為坡殘積土層，該類土層內含多種砂土，且碎石顆粒大小不均勻，級配比較差，經常長時間的風吹雨淋，導致表面出現大量的空隙，為地表水滲入提供良好的條件。

(3)隧道塌方變形事故出現的時期多數為降雨天氣，強降雨導致隧道施工過程中地表水經過隧道圍巖空隙、裂隙進入內部，導致隧道周圍巖土體重力加大，土質材料的粘聚力極大降低，進而造成隧道塌方變形。

以上三點是造成隧道塌方變形的主要原因，其有一個共同點，都是地表水進入隧道圍巖內部，形成隧道塌方變形，因此降雨是隧道塌方變形最重要的影響因素。為了更深入地了解到隧道塌方變形機制，下文從降雨條件入手進行進一步分析。

2 降雨條件下隧道塌方變形機制

2.1 建立計算模型

為了更好地分析隧道塌方變形機制，此次利用計算模型，計算出降雨條件下隧道滲流場、位移場、支護結構受氣情況，通過該三方面分析出隧道塌方變形機制。首先需要根據隧道實際情況建立計算模型，模型搭建軟件選擇有限元軟件，將隧道斷面情況輸入有限元軟件模型組建單元，確立隧道幾何模型[3]。在模型的兩側邊界處從隧道拱腳向外各取2.5倍隧道洞寬，模型的其余區域按照隧道實際1∶1的比例設計取值。確立完模型幾何邊界后，還要對模型的滲流邊界條件進行設置，具體設置見表1。

表1 隧道模型參數表

此外，為了簡化模型計算過程，假設隧道圍巖處于完全飽和狀態，結合對隧道塌方變形現場資料，并考慮到隧道圍巖的透水特性，將模型地下水深度參數設置為6～8 m，超過該深度的圍巖土體處于完全飽和狀態。通過以上對模型邊界條件和滲流條件等參數的設置，完成計算模型建立。

2.2 模型計算結果分析

將降雨時期隧道實際數據輸入到模型中，對隧道的滲流場、位移場受力以及支護結構情況進行計算分析，其分析如下。

降雨條件下隧道滲流場分析：在進行隧道開挖的過程中，由于收到靜水壓力的作用，滲流場會發生較大的改變，隧道當中的孔隙水向會隨著隧道的開挖方向逐漸流動，造成原本呈現出平滑狀態的孔隙水壓力等值線逐漸向著隧道內部發生彎曲和變形[4]。滲流場的改變造成了動水壓力的形成，孔隙當中的細小顆粒填充物會隨之沖走，在一定程度上增加了隧道周圍巖體的結構面，造成孔隙度增加，通透性增強[5]。降水會對巖土體造成你話和水致弱化反應，當雨水不斷入滲，水質弱化的反應將會更加劇烈。隧道掩埋較淺位置，受到雨水的不斷沖刷，周圍巖土密度降低，在入滲的過程中還會與周圍巖土發生物理作用和化學作用，造成巖土土體的力學強度不斷阿靜地，導致其抗剪強度不斷下降，最終造成歲到周圍威嚴的滑動面逐漸向臨空方向移動，出現塌方現象，直到冒頂為止。

位移場受力情況分析：隧道拱頂沉降時態變化曲線如圖1所示。

圖1 隧道拱頂沉降時態變化曲線示意圖

由圖1可以看出，隧道拱頂沉降時態可劃分為三個不同的變化區域，當進行開挖時，拱頂沉降會驟然增長，造成拱頂的沉降值逐漸超過其他位置的沉降變化值，并且呈現出持續的增長趨勢，如圖1中A區域所示。當完成開挖后，拱頂的沉降會出現較為平緩的上升，并且沉降幅度不會出現明顯的增加，如圖1中B區域所示。當達到拱頂可承受的最大承受能力后，隧道拱頂的沉降累積值又會隨著計算時步的增加呈現出上升的趨勢，此時上升幅度不會如A區域明顯，但與B區域相比幅度更大。

支護結構受力情況分析：當進行對隧道周圍巖土的滲流量計算時，作用在隧道支護結構上的圍巖壓力會逐漸呈現出上升的趨勢[6]。初期隧道支護結構主要以負彎矩為主，說明從隧道的拱頂到拱腰結構上的圍巖與地面垂直方向上的位移增加更加明顯，具備隧道拱頂塌落的明顯特征。在進行對隧道上臺階開挖的過程中，支護結構經過了穩步增長的變化趨勢，說明支護結構逐漸發揮著拉拔的作用，將隧道整體向四周延伸。

2.3 分析隧道塌方變形機制

從計算模型分析到的降雨條件下隧道滲流場、位移場以及支護結構情況，了解到降雨條件下隧道塌方變形機理與上述三方面有直接關系，具體關系以下將結合根據上述的計算結果，本章將持續對隧道塌方變形機理展開分析。根據相關統計數據，在降雨的影響作用下，隧道塌方的速度將集聚加快。在自然狀態下，隧道結構于地下水呈現一種相對平衡的狀態，當對隧道進行開挖施工時，由于隧道頂部的支撐作用力發生改變，重力的分布逐步分散，地下水的水流方向也發生改變。此種變化趨勢不僅對隧道的紋理產生惡劣影響，也在一定程度上腐蝕了隧道結構。由于滲流作用，隧道周邊的巖層結構也發生改變，裂縫中的填充物，隨著水流帶走，因此隧道縫隙的導水性增強，水流動力也同步提升。此時隧道內軟土層加劇額軟化，在降雨過程中，巖層也將進一步泥土化，使隧道巖土之間的自然凝聚力降低。

對隧道塌方段進行實地調查，在調查中發現，塌方處的隧道內不僅存在積水現象，堆積在地表層的雨水也正在不斷滲入隧道中，這種現象是隧道巖土自重增加的關鍵原因。受到降雨的影響，圍巖自重力、頂層壓力、滲流作用力、支護結構的負載力也顯著增加，這些作用力進一步催化了隧道的塌方。此外，在實地勘察中發現，隧道周圍存在一些被風化的花崗巖石，這些巖石以夾層的方式出現隧道頂層與地層。地層巖石受到地下水的侵蝕作用，頂層巖石受到降雨及外界環境的風化作用，均呈現顯著的軟化趨勢。此種結構一旦外界對其施加的作用力，極易造成結構剪應力的降低，從而影響隧道整體結構的穩定性與安全性。

此外，在降雨條件下隧道塌方會經歷一系列的組織結構彈性形變，這一過程可表示為：隧道結構出現裂紋-發生彈性形變-組織松動-巖石掉落。倘若隧道需無法承受這種可塑化形變，便會出結構性破壞，此時隧道支護結構、隧道限制圍巖等均出現不同的異向變化趨勢，集中的應力也發生部位的轉移，從而出現連鎖的坍塌反應，這些反應逐步累計，最終導致隧道無法承受形變，出現坍塌。因此可以得出一個結論：隧道塌方變形主要原因在于降雨，降雨條件是隧道出現塌方變形的主導因素。所以對于隧道塌方變形事故的預防需要從隧道滲流場、位移場以及支護結構入手最為合理，以此完成降雨條件下隧道塌方變形機理分析。

3 結束語

本文利用計算模型對降雨條件下隧道的滲流場、位移場以及支護結構受力情況進行了分析，最終總結了降雨條件下隧道塌方變形機制。此次研究為隧道塌方變形事故預測和預防提供了理論依據，在雨季時，需要準確分析隧道滲流場、位移場等地質參數的變化，注意滲流場對隧道周圍巖石結構位移以及支護結構變形的影響，準確判斷隧道塌方變形程度，采取相應的應對措施。此次研究雖然取得了一定的研究成果，但是在研究內容方面仍存在一些不足之處，針對隧道塌方變形預防措施和策略沒有進行深入研究，因此今后仍會在該方面進行進一步的研究和探討。