不良地質構造對隧道工程的影響

余淑德，余華明

(1.江西省公路工程監理有限公司，江西 南昌 330003；2.江西省路港工程有限公司，江西 南昌 330008)

0 引 言

當前我國已成為世界上地下工程及隧道修建數量最多的國家[1]，并且我國也是地質最復雜的國家之一，同時我國的施工技術水平與外國相比，還相差較多。我國地質構造的探測及災害的預測還不夠深入準確。隨著隧道工程建設不斷擴大，涉及到超挖深超長的隧道，對此類超長隧道不僅要考慮工期的影響，還要考慮由于技術方面的不完善而帶來的問題，例如涌水、涌泥等。這些地質災害嚴重的威脅著人們的安全，對此國內外許多學者開始對不良地質問題進行研究。其中彭建兵[2]就地球變化中所產生的構造及各類效應進行研究,結果表明：不良的地質問題可能帶來的地質災害除了與工程本身所在的外部環境有關，還與地質構造的應力場及結構面等的變化有關;韓行瑞[3]提出當前的研究還應主要放在與隧道工程相關的地質問題上，主要是要做到能夠對工程地質問題進行預制及評價，提前發現問題，暴露出隱患，并能夠提前進行預防。

本文主要是通過對隧道中的不良地質構造問題進行研究，通過地質學的相關知識判識富水帶、破碎帶以及斷成的地質構造，對工程作出預警，最終為隧道工程施工提供借鑒作用。

1 節理對隧道施工的影響

地質工程中的節理一共可以分為四個級別，包括很發育、發育、較發育及不發育四個，巖石在構造應力的作用下，節理集中密集的發育而形成節理破碎帶，行成破碎巖體帶[4]。

本文根據實際某隧道所穿越的巖石節理進行分析，巖層的產狀及巖層單層的厚度如表1所示。

表1 隧道巖層節理統計表

從表1中可以得知，本工程中的巖層節理面有6～8個組，其中255°∠84°組為優勢的節理組，節理的間距在65～85 cm之間，平均值為75 cm，本組的隧道拱頂部位結構穩定性的關鍵面。

通過研究發現，節理在巖體中容易形成應力集中，并且對存在節理的巖體，其應力的傳遞路徑和分布情況存在不均變化性。當隧道的圍巖初始應力場的水平方向應力大于垂直方向應力時，隧道在開挖時所導致的圍巖位移與變形，垂直向應力均比水平向的應力小。因此在隧道開挖過程中水平向構造應力的存在對穩定拱頂起著至關重要的作用。在本案例中，巖體容易沿著開挖后的凌空面發生順層的坍塌，這主要是由于案例中的巖層產狀角度較大，并且傾角也較大而造成的。因此，當隧道開挖穿越節理的密集破碎帶時，巖層的位移與應力都將大大增加，從而導致塌方或涌水兩種地質災害。

2 巖溶對隧道施工的影響

在我國的南方地區存在較多的巖溶地質，巖溶的發育在區域分布及垂直剖面分布兩個方面上具有一定的規律性，它的發育受巖石的性質、地質的構造及地下水和氣候等因素的控制，根據相關研究發現當隧道穿越富有巖溶地區時，有可能會導致涌水、涌泥及洞內泥石流等地質災害[5]。

本文基于具體的實例分析巖溶的發育情況對隧道工程的影響，本案例的隧道及巖層參數如表2所示。

表2 隧道及巖層參數表

本文對其中的兩個施工段進行分析，其中一段為ZK21+877，本段為連洞型巖溶，該段的掌子面巖性為中層狀淺灰色灰巖，寬度3～5 m，拱頂向上延伸5～7 m，其內充填含水的粉質黏土；在左側拱腰位置為2 m×2 m的溶洞，其內充填少量黏土，該段的隧道埋深為50 m，主要處于單層斜巖層，巖性主要為泥盆系中統古木組灰巖，并測得該巖體的巖層產狀為180°∠37°，節理為裂隙發育。另外一段為ZK21+958溶縫，本段內隧道的埋深為88 m，在該段內掌子面的左側挖空處與隧道的軸線大角度相交貫穿的黏土內填型溶縫，在溶縫內存在地下水流出，到ZK21+960時，溶縫沿著掌子面右側延伸，并沿著拱頂向上延伸，順溶縫不斷有黏土涌出，在ZK21+960后上方地表出現地面塌陷和多條寬度為21～32 cm裂縫，之所以出現裂縫主要是因為在隧道洞內的溶縫不斷的發生涌泥現象。

經過分析發現，溶縫的發育與節理的裂隙有關，例如上述案例中ZK21+958處的溶縫，該溶縫的產生是由貫穿性節理表面所發育而來的，并且溶縫的發育還和大氣及降水有相關，例如ZK21+960處的溶縫。當大氣降水滲入地表的覆蓋層并攜帶著覆蓋層的物質沿著溶縫進入到充填溶縫，隧道的洞內因為一直發生的涌泥導致地面的覆蓋層底面失去支撐，進而導致地表產生裂縫，嚴重則導致地表發生塌方。

從上述情況可以發現受地質構造影響的巖溶發育規律，在ZK21+877～ZK21+963施工段內，隧道工程在開挖過程中不僅會導致連洞巖溶和溶縫產生，還會出現眾多的小規模溶縫，呈現出串珠狀。

在所開挖的巖溶中，發現會存在無填充或底部有少量填充物又或者是全填充的現象，主要是開挖的過程中，有可能將地表的覆蓋層物質帶入而導致。

簡而言之，在季節換帶時，巖溶的發育規律主要體現為以下兩點。第一，大氣的降水會順著巖層面滲入到水平方向節理裂隙中，控制著巖溶的發育，上部在可溶巖層的作用下，將會形成溶縫，下部在節理的作用下，將會形成朝著水平方向延伸的溶洞。第二，當巖層的層面發育溶縫出現上向延伸時，將會影響溶縫或者溶縫連溶洞內黏土填充量的多少，巖溶的形成受地質構造的影響，而隧道的開挖又受巖溶的影響。

3 斷層破碎帶對隧道施工的影響

在隧道工程開挖的過程中地質的斷層最為常見，隧道周圍的斷層破碎帶是影響隧道施工安全的重要影響因素，本文根據工程案例對逆斷層及正斷層對隧道施工地質災害的影響進行分析。

3.1 逆斷層的影響分析

本案例隧道的一處斷層屬于逆斷層，斷層的設計里程為DK1876+635，產狀為6∠85°，并且在該隧道附近存在一個水庫，水庫內的水量達到30 000 m3，當進行隧道開挖時水庫內的水可能會延裂隙和斷層流入到隧道內，造成隧道突水及突泥。該斷層的地質剖面，在進行隧道開挖前對斷層進行物探預測，預測當隧道穿過該斷層時可能出現的結果，結合TSP掌子面探測，將預測的結果及實際開挖的結果對比分析。

(1)K1876+575～K1876+632段地質存在局部發育的裂隙，但巖體總體較為完整，預測在隧道開挖時若無支護結構，隧道的拱頂會有掉塊，在進行實際隧道開挖時，將有支護結構與無支護結構段進行對比發現，有支護段結構隧道拱頂塊不會掉落，而無支護段隧道拱頂土塊出現掉落，說明預測的結果與實際的結果相近。

(2)K1876+632～K1873+640段地質存在較為嚴重的裂隙，并且巖體破碎較為嚴重，預測如不進行隧道支護隧道將會發生坍塌。在實際進行開挖時，對該段進行的支護結構進行加強，未支護段出現坍塌，滲水等現象。

通過本案例以發現，當隧道開挖遇到斷層破碎帶時，不可冒然前進，應對隧道做好足夠的支護否則容易產生隧道坍塌，之所以能采用物探的方法探測處斷層破碎帶，是由于斷層破碎帶與周邊的巖體有著明顯的物質差異。

3.2 正斷層的影響分析

正斷層是一種較為常見的構造類型，正斷層的斷層面較為粗糙，存在較多的棱角，并且存在較多的暗水，在隧道開挖時不可冒然對正斷層進行揭穿，既有可能會產生地質災害。

本文對馬山隧道進行分析，該隧道的KD181+852～KD181+760段巖體的破碎程度較大，自穩能力較大，預測在進行開挖后容易產生坍塌掉塊，在進行實際的開挖過程中，發現隧道如預測一樣出現坍塌掉塊，在KD181+540～KD181+485段巖體完整性較差，并且受到節理裂隙的影響，圍巖破碎嚴重，已進入斷層影響帶，預測在進行隧道開挖時會導致坍塌并伴有地下水出露，實際在進行開挖時，將支護段與未支護段對比，發現結果與預測相同。在正斷層區域的地應力最主要是自重應力，能決定隧道在開挖時的災害類型。當隧道穿越的巖層存在斷層時，由于斷層區域的巖體完整程度較差，施工中若不及早發現斷層跡象盲目施工極易造成涌水、冒頂坍塌等地質災害事故。

4 結 論

本文為研究不良地質構造對隧道工程的影響，采用歸納總結的研究方法，對實際工程不良地質構造原因而導致隧道工程中發生的地質災害進行研究并歸納規律。研究結果表明：節理破碎帶的存在容易使隧道施工產生圍巖變形、或者失穩、坍塌等現象，巖溶會使隧道施工產生涌突泥、涌沙、涌突水或洞內泥石流等地質災害，斷層破碎帶對隧道施工可能發生壓性斷層帶、圍巖破碎變形、圍巖穩坍方、涌水等地質災害。