隧道开挖围岩稳定性分析

隧道开挖围岩稳定性分析

发表时间：2020-04-03T01:52:44.878Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年24期作者：马智勇[导读] 我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。

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摘要：我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。如果处理不当，可能造成重大事故，造成人员和财产损失。在开挖过程中，不同的开挖方法对隧道围岩的影响也会不同，导致隧道围岩应力重分布的差异很大。围岩应力应变随开挖断面的变化而变化。目前，对围岩稳定性的判断方法主要有理论分析、工程类比和数值分析，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法。

关键词：隧道开挖；围岩；稳定性

1地形地貌

隧道高程93.05m～640.1m，相对高差547.05m，地层岩性主要为中侏罗统自流井组（J2Z）和沙溪庙组、下侏罗统和上三叠统香溪组（t3-j1x）。岩性为砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含薄层炭质页岩、炭质泥岩。

2软弱岩群稳定性

2.1软岩地层工程地质特征

单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩。软岩地层具有强度低、孔隙率低、胶结程度高、受构造面切割和风化影响大等特点。在隧道围岩压力的作用下，工程岩体具有明显的变形。软岩隧道围岩具有强度低、结构软弱、易吸水膨胀等特点，隧道围岩变形较大。

2.2软岩地层围岩变形分析

对于围岩是否会发生较大变形及变形量，支护压力和地应力作用下隧道围岩相对变形及掌子面变形预测公式如下：式中:εt一一隧道径向相对变形，指径向挤压变形量和隧道半径或者跨度之比;

εf一一隧道掌子面相对变形，指掌子面挤压变形量和隧道半径或者跨度之比;

σcm一一岩体单轴抗压强度;

σci一一岩石单轴抗压强度;

Pi一一支护压力;

Po一一隧道中的原岩应力，取3σ1–σ3，即σmax。

3坚硬岩组围岩稳定性分析

根据切向应力准则，将围岩的切向应力(σo)与岩石的抗压强度(σc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆等级划分原则，结果表明:

σo/σc<0.30一一一一一一一一一一一无岩爆

σo/σc介于0.30～50一一一一一一一轻微岩爆

σo/σc介于0.50～0.70一一一一一一中等岩爆

σo/σc>0.70一一一一一一一一一一一强烈岩爆

由于地下洞室的开挖，原地应力状态将受到一定程度的扰动，在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中。应力集中的结果，使得洞壁附近的切向应力有可能超过其临界值，从而产生岩爆。为了计算围岩的切向应力(σ0)，首先需要作一定假设，将隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv);其二维水平向正应力(σn)，它是根据实测的原地应力状态(SH、Sh以及SH的方向)利用线弹性理论公式计算得出，其计算公式如下:

式中：σn一一是作用于隧洞横截面方向的水平正应力；

SH、Sh一一分别为原地水平最大、最小主应力时丑0隧洞轴线法方向与水平最大主应力方向的夹角。利用公式（5）计算隧洞洞壁处的最大切向应力σ0，最后根据己有的岩石抗压强度值(σc)计算出σ0/σc，据此对该处的岩爆危险性做出初步的分析和判断。针对本组钻孔，进行隧道开挖围岩稳定性分析时，相关计算参数的取值如下:

3.1地应力数值

最大(SH)、最小(Sh)水平主应力值，取组钻孔在测试深度范围内实测水平主应力均值，而垂向应力(Sv)值按照上覆岩层的重度计算，如上所述，本次分析中上覆岩石平均密度取2.65g/cm3。

3.2地应力方向

取钻孔在测试深度范围内实测最大水平主压应力方向的测量结果，最大水平主应力方向平均值取为N470W。

3.3隧道埋深与轴线方位

隧道测量区垂直埋深为470m，隧道轴线方位NWW，取为N71W;隧道横断面形状为直5m圆形条件进行分析。

3.4岩石力学参数

根据钻孔岩芯情况，发现隧道围岩埋深以玄武岩为主，属中硬岩。地应力测量时，由于钻芯岩石物理力学性能试验处于取样阶段，因此所选岩石的单轴抗压强度分别为3045mpa、4565mpa、65-110mpa、>110mpa。根据工程地质勘察资料，根据地应力资料和岩石单轴抗压强度计算，找出相应的区间，验证岩爆发生的可能性和严重性。根据上述参数，采用公式-2和公式-3分析了隧道开挖条件下岩爆的可能性。

由式3可以看出，根据隧道的总体走向，通过计算可以得到隧道埋深σO/σC的范围，从地应力的角度看，隧道围岩的单轴抗压强度在30-45mpa之间，存在应力场背景隧道开挖过程中的岩爆，隧道开挖过程中存在强烈岩爆的可能性：（1）单轴抗压强度强度在45-65mpa之间，开挖过程中岩爆的可能性中等。（2）当单轴抗压强度在65-110mpa之间时，开挖过程中发生岩爆的可能性很小。（3）当单轴抗压强度大于110MPa时，开挖过程中发生岩爆的概率很小。

4隧道开挖支护的安全技术措施

3.1隧道开挖的安全技术措施

为保证隧道开挖的安全和秩序，应采取以下技术措施：（1）严格执行交接班制度，交接班人员向接班人员详细说明本班施工及安全情况，并做好记录。安全管理人员应经常检查换班情况。（2）隧道施工现场作业人员必须佩戴齐全的安全防护用品，按照技术规范的要求进行施工，杜绝违章作业。在施工过程中，操作人员之间应保持一定的安全操作距离。（3）施工前应检查工作面是否安全，支管是否牢固，拱顶是否稳定。检查中发现结构松动或裂缝时，必须及时采取有力的支护措施。操作人员在进行渣土桩施工时，必须保证渣土桩的稳定性，避免塌方事故的发生。（4）在不良地质条件下施工时，应采取弱爆破、强支护、早衬砌等施工措施，避免隧道危险。遇有险情，应立即停止施工，并向有关部门报告险情，及时疏散危险区域及周边地区的施工人员。（5）使用气钻前，应检查气钻本体、弹簧、螺栓、钻杆、支架等是否有异常现象，并检查管接头是否漏气，以免气钻作业中发生故障。如有卡钻问题，用板钳拔出钻杆。（6）爆破施工中要做好技术交底，树立安全第一的思想。盲目缩短工期，风险隐患不容忽视。爆破过程中，应将所有人员疏散至距爆破点不小于400米的安全区域，避免爆破产生飞石和有害气体威胁作业人员的人身安全。

3.2隧道支护安全技术措施

在隧道支护施工中，为避免安全事故的发生，可采取以下技术措施：（1）隧道支护施工前进行施工技术交底。在施工过程中，应定期检查各部位的支护情况，特别是在不良地质条件地段，必须派专人负责日常支护巡查。如果在检查过程中发现支架损坏，则必须进行修理。支架损坏严重时，应先疏散作业人员，然后采取支护加固措施。（2）洞门与水平导板连接处，必须采取支护措施，保证支护质量满足设计要求。（3）施工过程中，若发现喷锚段出现锚杆破坏、围岩变形等问题，必须对该段采取加固措施。如果围岩变形不超过设计允许值，则增加长度大于原锚杆长度1.5倍的新锚杆即可。超过设计允许值时，采用钢拱架和新锚杆加固。（4）隧道支护出现位移超过设计允许值、喷层裂缝、地表裂缝等险情时，应及时疏散作业人员，并向主管部门报告险情，采取有效措施消除险情后，方可恢复施工。

结论

综上所述,在隧道工程建设的过程中,受到地质条件的影响,常常会在开挖时遇到软弱围岩,由于此类围岩的结构稳定性较差,若是以常规的方法进行开挖可能会导致围岩变形,并且还有可能引起坍塌,由此会对隧道的施工安全、进度造成影响。对此应当结合软弱围岩的性质,岩变我变,采取合理可行的开挖支护措施,从而确保隧道施工安全、有序进行。