不良地質對圍巖穩定性的影響

徐慶功，高樹偉

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006）

不良地質對圍巖穩定性的影響

徐慶功，高樹偉

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006）

影響洞室圍巖穩定性的不良地質因素，主要包括構造發育松散破碎帶、富水地層、高地應力地層、膨脹巖等，盲目施工導致塌方、涌水事故頻發。通常根據已開挖段揭露地質條件、前期已有勘察成果，合理選擇開挖支護方式，優化支護參數減少施工造價，減小對圍巖擾動、適應圍巖應力應變特征，確保圍巖安全穩定。

不良地質；隧洞；圍巖穩定性

1 不良地質影響隧洞開挖圍巖變形特點

影響隧洞開挖不良地質因素包括：局部構造發育松散破碎帶、富水帶、高地應力地層、膨脹巖等。巖體通常被視為是各向異性彈塑性介質，隨洞室開挖發生不可逆物理力學變化。當巖體發生彈性變形時，彈性應變能儲存在巖體內；而當發生塑性變形時，彈性應變能將全部耗散，且變形不可恢復。塑性變形越大，對圍巖擾動破壞越大，穩定性越差。因此，施工中應盡量減小圍巖塑性變形。

1.1 破碎帶洞室開挖

洞室開挖施工前，地下巖土體處于彈性應力平衡狀態。隨洞室開挖，當圍巖所受應力超過表層承受范圍，裂隙變形位移逐步向洞室以外擴散，大致可分松弛帶、應力升高帶、不受開挖影響原巖應力帶。對于軟弱松散破碎巖體，松弛帶較大，時效性明顯。隨時間推移，若支護方式與圍巖變形特征不相適應、裸露時間過長，松弛帶范圍進一步加大，應力升高帶將向更深部轉移。

當開挖停止時，掌子面附近巖體變形減小，即掌子面起虛擬支撐作用，該作用發生在掌子面約2倍洞徑范圍，當繼續向前開挖時巖體特有的流變性逐漸顯現，對于破碎帶，隨開挖進行虛擬支撐逐漸消失，引起圍巖荷載釋放，圍巖逐步進入黏塑性屈服階段，變形速率進一步增大，支護不及時極易引發局部或整體掉塊塌方事故。

軟弱松散破碎帶地下洞室開挖，采用短進尺、弱爆破、邊開挖及時封閉等方式，防止出現塌方事故。開挖過程中結合圍巖收斂變形監測合理安排支護時間。輸水隧洞多為小斷面、全斷面開挖方式，應盡早封閉底拱，以減小圍巖變形。

1.2 富水帶地下洞室開挖

活動地下水對洞室開挖主要有：動水壓力、靜水壓力、可溶巖的溶解、軟弱結構面泥化與軟化等作用。當地下水在圍巖中滲透時，導致巖石強度降低、黏聚力減小等引起塑性流變、膨脹等。洞室開挖使滲壓梯度增大，產生指向洞內的滲透壓力。滲透壓力因節理產狀及位置而不對稱分布，在不對稱滲壓作用下，洞周分離塊體極易塌落，若地下水沿斷層破碎帶滲流，則可能產生機械潛蝕現象。

巖體的含水狀態影響圍巖穩定性，當飽和度80%的巖體在浸水后，塑性區深度約為原來的2倍，抗剪強度也急速下降。因此在富水地層地下水嚴重活躍地下洞室開挖，應注意避免圍巖直接被水浸泡，遇涌水采用排、截、堵、引等措施，加強錨桿網片支護，避免圍巖過度松弛變形。

2 影響洞室圍巖穩定性因素

影響洞室圍巖穩定性因素主要有：天然地質環境因素，如地層巖性、地質構造、地下水、地應力等；工程因素，如洞室位置、方向、尺寸、形狀、開挖方式、支護方式、支護時間等。

對于堅硬圍巖，主要結構面產狀、分布特征、變形特征等是影響穩定性的主要因素；對較軟弱圍巖，則巖體變形特征、強度特性和流變性等是主要影響因素。當洞室穿越區域性斷層破碎帶、節理密集帶或富水巖層時，圍巖穩定性較差，應加以區別對待。巖體的力學特征、強度差異，通常對圍巖穩定性起決定作用。

地下水是影響洞室圍巖穩定的重要因素，在洞室開挖后地下水形成新的排泄通道，滲透壓力使圍巖向洞內運動，靜水壓力降低了巖體裂隙及母巖有效應力、巖石強度、變形模量、摩擦系數等而易產生塑性流變，對圍巖起侵蝕泥化作用。

地應力是影響洞室圍巖穩定的因素，高地應力地下洞室開挖，經常發生巖爆現象。地應力指天然狀態下巖土體所受的應力，主要包括上覆巖層的重力、側向壓力及構造應力等，在開挖過程中，巖石處于不斷被加載、卸載狀態，最終導致圍巖變形破壞。地應力引起圍巖失穩破壞主要在于開挖施工造成的重分布應力超過巖石強度，產生較大變形。重分布應力所能達到的危險程度與地應力方向、量值、性質等有關。

3 洞室開挖圍巖穩定性分析

洞室開挖圍巖穩定性是由多種因素共同決定的，規模和埋深一般的隧洞，所受應力較低影響范圍較小，大多失穩破壞主要發生在位移顯著增大、較明顯部位。可通過一般地質評價解決；對于長距離大埋深隧洞，所受應力顯著增加，須進行巖石力學實驗和工程地質定性與定量分析。

在對洞室穩定性定性分析時，應注意以下幾點：①對于洞室邊墻，應注意走向與洞室平行或銳角小角度相交陡傾角貫通結構面，包括較大斷層破碎帶、軟弱夾層，與側向陡傾角、上部緩切割節理組成向洞內滑動的不穩定塊體；②對于洞室拱頂，應注意緩傾角結構面或陡傾角與之相互切割組合形成不利組合，引起拱頂失穩掉塊塌方事故；③大型地下隧洞工程地質勘察，除沿洞軸線地表地質測繪、合理推測判斷及必要的鉆探工作外，在洞室縱、橫方向和底板、拱肩等不同高度布置探硐也是有必要的，以查明洞室周圍空間地質條件。

4 結語

（1）根據已開挖段揭露地質條件，合理選擇開挖支護方式，優化支護參數減少施工造價，減小對圍巖擾動、適應圍巖應力應變特征，確保圍巖安全穩定。

（2）對于軟弱松散破碎帶地下洞室開挖圍巖虛擬支撐逐漸消失，荷載逐漸釋放，圍巖進入黏塑性屈服階段，此時圍巖穩定性較差，應及時支護。

（3）在富水地層地下水活躍嚴重段，巖石強度、黏聚力等減小易于引起塑性流變，導致涌水、涌砂，應避免圍巖直接被水浸泡，加強支護、避免圍巖過度松弛。

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（責任編輯：尹健婷）

Study on the influence of tunnel construction on the stability of surrounding rock under bad geological condition

XU Qing-gong，GAO Shu-wei
（Investigation and Design Institute ofWater Resources and Hydropower Liaoning Province，Shenyang 110006，China）

There are many unfavorable geological factors affecting the stability of surrounding rock of the cavern，mainly including structural development，loose fracture zone，water rich stratum，high stress stratum，swelling rock and so on. Blind construction leads to frequent occurrence of collapse and water gushing.Usually according to the geological conditions，excavation has revealed the previous survey results，the reasonable selection of excavation method，optimize the support parameters and reduce the construction cost，reduce the disturbance of surrounding rock and adapt to the surrounding rock stress strain characteristics，to ensure the safety and stability of surrounding rock.

bad geology；tunnel；stability of surrounding rock

U455；TU457

：B

：1672-9900（2017）04-0019-02

2017-06-13

徐慶功（1989-），男（漢族），湖北黃岡人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工地質工作，（Tel）15040227589。