分析影响隧道围岩稳定性因素

分析影响隧道围岩稳定性因素

习小华

摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。

关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造

毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。

1 岩石性质及岩体的结构

围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。

从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。一般情况下,当结构面的倾角≤30°时,就会出现不利于围岩稳定的分离体,特别是当分离体的尺寸小于隧道洞跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳;当倾角> 30°时,将不会出现不利于围岩稳定性的分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素,对不同类型的软弱夹层,这些因素是不大相同的。由于软弱夹层的抗强度较低,故它不利与隧道围岩的稳定。

围岩岩体的变形和破坏的形式特点,不仅与岩体内的初始应力状态和隧道形状有关,而且还与围岩的岩性及岩体结构有关,但主要的是和围岩的岩性及结构有关(见表1) 。

表1 围岩的变形破坏的形式及其与岩石性质及结构的关系

2 岩体的天然应力状态

岩体的天然应力是岩体的自重应力、构造应力、变异及残余应力在某一个具体地区以特定方式作用的结果。已经有大量的实践资料证明,大多数地区的岩体的天然应力状态是以水平方向为主的即水平应力通常大于垂直应力。一般情况下,隧道轴向与水平主应力垂直,以改善隧道周边的应力状态。但水平应力很大时,则隧道方向最好与之平行以保证边墙的稳定性。然而,岩体的天然应力对隧道的影响主要取决于垂直于隧道轴向水平应力的大小与天然应力的比值(ζ) ,它们是围岩内应力重分布状态的主要因素。例如,圆形隧道,当ζ= 1 时,围岩中不会出现拉应力集中,压应力分布也比较均匀,围岩稳定性最好;当ζ≤1/ 3 时围岩出现拉应力,压应力集中也较大,对围岩稳定不利。最大天然主应力的数量级及隧道轴向的关系,对隧道围岩的变形特征有明显的影响,因为最大主应力方向围岩破坏的概率及严重程度比其它方向大。因此,估算这种应力的大小并设法消除或利用非常重要的。

3 地质构造

褶曲和断裂破坏了岩层的完整性降低了岩体的力学强度,一般来说,岩体经受的构造变动的次数愈多,愈强烈,岩层的节理裂隙就愈发育,岩体的稳定性也就愈差。例如围岩岩石强度不等的坚硬和软弱岩层相间的岩体在构造变动中,坚硬和软弱岩层常会在接触处发生触动,形成厚度不等的层间破碎带,极大的破坏了岩体的完整性。由于隧道通过坚硬和软弱相间层状岩体时,易在接触面处发生变形或塌落,因此,隧道应尽可能避免设在坚硬和软弱岩层之间的岩层破碎带、褶皱或断层带;在无法避免的情况下,隧道应尽量设在坚硬岩层中,或尽量把坚硬岩层作为顶层围岩。褶皱的形式、疏密程度、轴向与隧道轴线的交角不同,围岩的稳定性不同,这是由于褶皱的核部岩层受到强烈的张力和压力的作用,故核部的岩层就比翼部的岩层破碎的多,因此,隧道横穿褶皱翼部比横穿核部有利。在断层附近,因地层的相对位移会使破碎带的宽度很大,若岩层发生倒转,不仅节理裂隙十分发育,而且往往会出现大的逆断层。如果隧道通过断层,断层宽度愈大,走向与隧道轴向交角愈小,在隧道内出露的愈长,对围岩稳定性影响愈大。另外,断层破碎带物质的碎块性质及其胶结情况也都影响围岩的稳定性。

破碎带组成物质如为坚硬岩块,并且挤压紧密或已胶结,比软弱的断层泥组成稀疏的糜棱岩或未胶结的压碎岩要稳定些。因此,可以把构造强烈的程度作为衡量围岩稳定性状况的一个基本因素,其影响程度如表2 。

表2 围岩受地质构造影响程度等级划分

4 地下水

围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况,既影响围岩的应力状态又影响围岩的强度,进而影响隧道围岩的稳定。围岩中地下水状态一般可以分三级,即干燥、有渗水、潮湿。实践证明,只要隧道围岩是干燥的,即便是通过软弱的或破碎的岩层时,围岩的稳定性总是较好的或危害比较微弱,并且易于克服。当隧道处于含水层中或隧道的围岩透水性较强即隧道围岩中的地下水状态为有渗水或潮湿时,地下水对隧道围岩稳定性的影响比较明显,主要表现在静水压力作用、动水压力作用、软化作用和溶解作用、对可溶岩体的溶蚀作用及对滑动面的润滑作用等。它们作用的机理如下:静水压力作用在衬砌上,相当于给衬砌增加了一定的额外荷载,因此,在设计衬砌强度和厚度时,应充分考虑静水压力的影响。另外一方面,静水压力能够使岩体的结构面张开,减少了滑动摩擦力,从而增加了围岩的坍塌和滑落的可能性。动水压力的作用促使岩块沿着水流方向移动的同时也冲刷和带走岩石裂隙中的细少的矿物颗粒,从而增加了围岩的破坏的程度。另外,地下水对岩石的溶解作用和软化作用也有一定的影响。

5 结语

上述因素并不是一成不变的而是在地壳内外营力的作用下不断变化的,例如,岩石结构面的性质可以在风化营力作用下不断恶化,而且有些恶化速度相当快。因此,不论是选择隧道的位置,还是对隧道进行衬砌、考虑隧道的施工方法以及对隧道围岩稳定性进行维护、还是对隧道围岩进行等级划分时,必须从发展的观点考虑岩石的性质、岩体结构、天然应力状态、地下构造、地下水等这些自然因素对隧道围岩稳定性的影响。

参考文献

[1]张倬元. 工程地质分析原理[M] . 北京:地质出版社,1981.

[2]王洪亮. 隧道构造裂隙及其影响带的治理[ J ] . 建材技术与应用, 2001 ,02.

[3]李相然. 城市地下工程实用技术[M] . 北京:中国建材工业出版社, 2000 ,07.

本篇文章选自《西部探矿工程》 2003年第5期