裂隙－地下水相互作用對隧道圍巖穩定性的影響研究

聶毓斌 杜園園 徐中衛

摘要 文章對青海省海東市在建樂化隧道角閃巖洞段的圍巖地質特征及工程性質分析基礎上，研究裂隙、地下水之間的相互作用及對圍巖失穩的影響，得出以下結論：角閃巖洞段滑塌往往發育于節理、裂隙密集帶、強（全）風化帶，圍巖穩定主要受組合裂隙控制，主要失穩破壞模式有張裂塌落和剪切滑移兩類。在施工過程中，若圍巖出現裂隙密集帶、隧道股狀出水等單個或多個現象，應考慮掌子面前方屬地質異常帶，及時做好超前地質預報及調整工藝工法及支護參數工作。

關鍵詞 角閃巖;裂隙-地下水;圍巖穩定性

中圖分類號 U451.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0097-03

0 引言

青海海東市角閃巖分布較廣泛，通過調繪判斷為寒武系上統六道溝組上段（ε31d2）角閃巖，灰色，綠灰色，中粒變晶結構，塊狀構造，受地質構造影響較重（地震烈度VII），與加里東期侵入花崗閃長巖（γδ3）、正長巖（ζ3）、上第三系中新統西寧組（N1X）泥質砂巖相互侵擾、共生，屬于地質多階段構造運動及巖漿侵入的產物。目前國內關于青海省角閃巖物理、力學性質、工程地質特征方面研究不多，如劉顯凡、汪靈、李慧（2015）認為角閃石普遍存在于變質巖及火成巖中，多由富含鐵鎂礦物的巖石變質而成，鎂、鐵、鈣、鈉、鋁等的硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，單斜晶系，長柱狀，等粒、片理顯著。該文結合在建樂化隧道、香草隧道開挖揭示角閃巖的地質特征及工程性質，分析角閃巖隧道圍巖失穩破壞的特征及模式，進一步分析風化特征、裂隙、地下水之間的相互作用及對圍巖失穩的影響。

1 地質條件

1.1 角閃巖主要地質特征

根據前期勘察階段工程地質測繪及鉆探揭示情況，在建樂化隧道出露寒武系上統六道溝組上段（ε31d2）角閃巖，強風化、中風化發育厚度大小不均，強風化層厚度一般在3.9～5.8 m，灰色，綠灰色，中粒變晶結構，塊狀構造，礦物蝕變強烈，巖體風化呈散體狀、碎塊狀;中風化層厚度一般在12.3～238.5 m（未揭穿），灰色，綠灰色，中粒變晶結構，塊狀構造，礦物成分以角閃石為主，角閃石具綠泥石化蝕變，巖性軟硬不均，大多較硬，局部較軟～極軟。隧址區局部充斥加里東期侵入花崗閃長巖（γδ3）、正長巖（ζ3）、上第三系中新統西寧組（N1X）泥質砂巖[1]。

從現場隧道開挖情況分析，在不同埋深洞段，隧道圍巖風化程度不均，巖質軟硬不均，裂隙發育不均，裂隙面多為平直光滑，膠結較差，組合裂隙切割形成楔形掉塊、滑塌現象很普遍。

1.2 地質構造

隧址區在大地構造單元上位于新構造活動強烈的青藏高原東北緣，大地構造位置屬于祁連加里東褶皺系，自西向東跨祁連加里東褶皺系南祁連冒地槽帶、中祁連中間隆起帶與北祁連優地槽褶皺帶、區域構造線以北西向為主，深大斷裂、褶皺構造發育，沿區域斷裂有大量侵入巖分布，具長期多次活動的特點。

1.3 水文地質條件

1.3.1 地表水

隧址區屬黃河流域，地表水主要為黃河流域一級支流湟水河及沿線發育的崗子溝河、瞿曇河、山間溪流等，主要接收大氣降水補給，地區年降雨量分布不均，非汛期水量較小。

1.3.2 地下水

隧址區地下水主要為基巖裂隙水、構造裂隙水和碎屑巖類孔隙水，含水巖組為寒武系上統六道溝組上段（ε31d2）角閃巖、加里東期侵入花崗閃長巖（γδ3）、正長巖（ζ3）、斷層破裂帶及上第三系中新統西寧組（N1X）泥質砂巖，水量貧乏。埋深1.8～19.6 m，地下水的補給方式主要為大氣降水，排泄方式以垂直蒸發和地下徑流形式排泄，受大氣降水影響，呈季節性變化。年平均降水量隨地勢增高而增大，年平均氣溫7.3℃，年平均降雨量329.6 mm，隧址區海拔3 000～4 000 m，地下水凍融循環對隧道結構存在顯著影響。

2 角閃巖裂隙發育特征

樂化隧道左幅ZK38+809處，左側拱頂-右側邊墻處發育1條斜向貫穿型裂隙（圖1a），節理裂隙較發育，裂隙面微張，產狀約呈70°。YK38+710處，掌子面揭示為寒武系上統六道溝組上段（ε31d2）中～強風化角閃巖，受地下水侵蝕，巖體較破碎，裂隙較發育，右側拱部-軸線底板處發育1條貫穿型裂隙（圖1b），寬約0.5 m。ZK38+809處，進洞方向右側為中風化角閃巖，受地下水侵蝕較重，左側為碳質泥巖，巖質較軟，存在小型塌方或滑塌的可能（圖1c）。YK38+813.5處，掌子面揭示為寒武系上統六道溝組上段（ε31d2）中～強風化角閃巖，巖質較堅硬，裂隙較發育，膠結較好，自穩能力一般（圖1d）。

3 圍巖失穩破壞模式

在建隧道圍巖角閃巖為塊狀結構的脆性巖石，從施工過程塌方特征分析，主要以張裂塌落和剪切滑移兩種失穩破壞模式為主[2]。

3.1 張裂塌落失穩破壞模式

張裂塌落主要發生于洞室頂拱，當隧道開挖后，拱頂易產生拉應力集中，當其值超過圍巖的抗拉強度時，頂拱圍巖就將發生張裂破壞，尤其是發育有近垂直的構造裂隙時且有近水平方向的軟弱結構面發育時，巖體在垂直方向的抗拉強度較低時，往往造成頂供的塌落。如圖2所示，兩組裂隙面相較于隧道拱頂以上，形成三角楔形體，隧道開挖后，楔形體下部臨空，在自重應力及水壓作用下，易出現張裂塌落，對施工有一定的影響。

如圖3所示，兩組豎向裂隙面與拱頂以上近水平向裂隙面組合形成方形楔形體，隧道開挖后，楔形體下部臨空，在自重應力及水壓作用下，易出現張裂塌落。

3.2 剪切滑移失穩破壞模式

剪切滑移可能發生于拱腰或邊墻，也可能發生于拱頂，當巖體或裂隙面的剪切應力超過其抗剪強度時，出現剪切破壞，沿裂隙滑動失穩。根據現場開挖揭示情況，在建興隆隧道角閃巖裂隙面一般平直稍粗糙或光滑，膠結較差，因此裂隙面抗剪強度參數（粘聚力及內摩擦角）較低，在裂隙發育部位一般會有滲水，可能對其參數進一步弱化，因此隧道開挖過程中剪切滑移破壞的隧道失穩現象較為常見。如圖4所示，兩組裂隙面相較于隧道拱腰或邊墻外側，形成三角楔形體，隧道開挖后，楔形體在自重應力及水壓作用下剪應力，當剪應力大于裂隙面L1的抗剪強度時，易出現沿裂隙面L1的剪切滑移失穩破壞。

如圖5所示，三組裂隙面相較于隧道拱腰或邊墻外側，形成楔形體，隧道開挖后，楔形體在自重應力及水壓作用下剪應力，當剪應力大于裂隙面L1的抗剪強度時，易出現沿裂隙面L1的剪切滑移失穩破壞。

3.3 角閃巖風化-裂隙（斷層）-地下水相互作用分析

在建隧道角閃巖為侵入巖，屬中粒晶體結構硬質巖，主要礦物成分為角閃石、含部分石英和長石，夾雜少許云母、綠灰石。角閃巖中裂隙一方面形成于巖漿侵入成巖過程中冷凝收縮（原生裂隙），原生裂隙產狀無規律性，主要受成巖過程環境影響;另一方面形成于后期地質構造活動（構造裂隙），構造裂隙產狀受構造應力影響。巖體風化主要有物理風化和化學風化。風化的速度和程度取決于巖石的性質和結構、地質構造、氣象水文條件、地形條件、人類活動的影響等[3]。

角閃巖的風化深度不一，差異性較大，風化強度主要受裂隙密集帶和地下水滲流影響。裂隙密集帶（斷層）一般巖體較為破碎，完整性較差，更易使得巖體結構破壞，決定了風化的深度和范圍;降雨入滲后，一般沿裂隙密集帶滲流通道進行滲流，地下水一般賦存于該類破碎巖體中，對巖體進行長期的溶解、溶蝕、沖刷、軟化，地下水進入裂隙面使圍巖產生軟化或泥化，導致巖體強度降低，產生塑性變形或泥沙石流塑狀滑塌，地下水的賦存加劇巖體風化、軟化，風化后的角閃巖工程力學性質較差，極易產生坍塌，裂隙在地下水作用下抗剪強度參數降低，摩阻力、內聚力減小，在組合裂隙面的切割下，開挖易出現塌方等事故。角閃巖中地下水一般賦存于中～強風化巖體中，強風化線以上為透水層，以下為相對隔水層，巖體透水性主要受裂隙密度及連通性影響，一般在裂隙密集帶附近往往可能出現小規模涌水現象。

4 結論

（1）角閃巖洞段塌方往往發育于裂隙密集帶，圍巖穩定主要受組合裂隙控制，主要失穩破壞模式有張裂塌落和剪切滑移兩類，主要發生于掌子面拱頂、拱腰部位;角閃巖風化、裂隙、地下水呈現共生共存、相互影響的特點，裂隙密集帶（或斷層）處巖體風化一般較強，地下水較為豐富，易出現隧道塌方、小型涌水等地質災害。

（2）在施工過程中，若圍巖出現強（或全）風化、裂隙密集帶（或斷層）、隧道股狀出水等單個或多個現象，應考慮掌子面前前方屬地質異常帶，及時做好超前地質預報及調整工藝工法及支護參數工作。

（3）選擇隧道開挖工法、設備配備要慎之又慎。洞室開挖必然會引起一定范圍內的地層應力和形態的較大變化。礦山法建立在傳統的荷載與承載“對等”的理念上。其工程機理是使用“支撐”來抵御由于地層變化所造成的“松弛荷載”，其工程行為重在支撐效果和對支撐的處理上。與礦山法對比，新奧法有著顯著不同的工程機理、技術方法和操作內容。新奧法認為圍巖既形成了荷載、又是承載結構部分，視支護與圍巖為一體，共同承載地層壓力，角閃巖地段隧道開挖宜采用后者。

（4）施工過程中，應重視地下水的疏導、堵排，防止凍融循環、鎂鐵離子腐蝕對二次襯砌的破壞。

參考文獻

[1]劉貽燦，徐樹桐，江來利，等.大別山北部斜長角閃巖類的地球化學特征及形成構造背景[J].大地構造與成礦學，1998（4）：323-331.

[2]蔡克大，袁超，孫敏，等.阿爾泰塔爾浪地區斜長角閃巖和輝長巖的形成時代、地球化學特征和構造意義[J].巖石學報，2007（5）：877-888.

[3]劉顯凡，汪靈，李慧，等.角閃石族和輝石族礦物的系統礦物學分類命名[J].礦物學報，2015（1）：19-28.