基于赤平投影法淺埋洞段的洞頂塌方及圍巖應力變形原因分析

張建全 王樹奎 高晨飛

摘要：基于小浪底北岸灌區一期工程某隧洞施工過程中失穩地段地質背景，根據影響圍巖穩定的地質因素、設計要素，利用赤平投影的方法，結合應力計算分析隧洞洞頂塌方及側壁變形的原因，結果表明，走向與隧洞軸線夾角較小的構造不利于洞室的穩定，受淺埋洞段的上覆巖土體厚度較薄、巖體風化程度高的影響而成為工程不利地段，斷層角礫巖抗剪強度低，在圍壓作用下易遭剪切破壞。

關鍵詞：淺埋洞段? 赤平投影? 洞頂塌方? 應力

隧洞淺埋洞段在工程實踐中多為工程地質不良地段，赤平投影以其簡便、直觀的計算方法反映線、面的方位以及相互間的角度關系，本文以小浪底北岸一期工程某洞段為例，利用赤平投影結合洞室圍巖應力計算的方式分析洞室失穩的原因[1]。

小浪底北岸灌區一期工程主要由隧洞、流槽、渡槽及明渠組成。隧洞為單線隧洞，建筑物等級為3級，洞型為馬蹄形，隧洞斷面高度5.3m，寬度4.3m，開挖后臨時支護采用噴錨支護，襯砌厚度0.3～0.4m。隧洞西南至東北向穿過場區，軸線方位角為47.1°，開挖至樁號11+193時，掌子面坍塌嚴重，洞室右壁變形。

通過搜集該段地質信息，進行數據分析、計算，得出該隧洞段洞室圍巖失穩的主要原因，為類似工程建設提供借鑒[2]。

1 地質概況

1.1 地形地貌

工程區位于太行山山系王屋山余脈區，地貌單元為基巖丘陵，該段隧洞微地貌屬山間洼地。兩側山體高程一般為260～300m，崗間洼地高程一般為210～221m，呈條狀南北向分布，經人工改造在隧洞走向上呈臺階狀;隧洞進口上游35m處分布有一南北向溪流。

1.2 地層巖性

場區內地層主要為第四系中更新統風積黃土、坡積碎石土、三疊系中統二馬營組及斷層角礫巖，詳見圖1所示的工程地質剖面圖。

低液限粘土（黃土）（Qeol 2）：褐黃色、淺棕黃色，結構較疏松，針狀孔隙發育，具有豎直裂隙;該層一般厚2～5m。

碎石土（Qdl 2）：黃褐色，泥質成分主要為低液限粘土，含15%～25%的碎石，磨圓度差，粒徑一般為2～20cm，少量大于20cm，分布不均，整體上中間粒徑含量低，整體上結構較疏松;該層一般厚1.4～2.4m。

砂巖夾泥巖（T2 2er）：砂巖呈淺灰白色、淺灰黃色，雜少量紫紅色，中厚層至厚層狀構造，細粒結構，鈣質膠結較好，致密、堅硬，成巖較好。泥巖呈紫紅色，單層厚度一般小于0.5m，多呈夾層狀分布，成巖相對較差;該層產狀一般為20°∠30°，多呈強風化狀。

斷層角礫巖：紫紅色、棕黃色，雜少量灰綠色，母巖成分主要為泥巖，少量砂巖，膠結程度差，結構雜亂，類似呈碎石土;該層為斷層F20產生。

1.3 構造與裂隙

工程區位于礦口背斜東北翼，基巖丘陵具單斜地層;在區域上背斜核部沿黃河右岸近東西向延伸，東北翼地層傾向NNE，洞室軸線與背斜軸部小角度相交;受此影響，區域內在隧洞軸線方向上分布多條走向NE的次生斷裂（斷層），巖層裂隙發育程度較高[3-4]。

隧洞場區內有斷層F20穿過，該斷層屬正斷層，產狀69°∠80°。節理裂隙主要為走向節理和傾向節理，以張節理為主;該段洞室控制性節理裂隙有4組，其中2組優勢節理裂隙，產狀分別為275°～300°∠65°～80°、10°～35°∠70°～85°，另外2組產狀為110°～135°∠65°～80°、190°～210°∠70°～85°。具體見節理裂隙玫瑰花圖2、圖3。

斷層F20影響帶內分布多條次生小斷層，寬度較窄，產狀類似，在斷層及其次生構造附近巖體破碎程度較高，多呈散粒狀、碎塊狀;受其影響，砂巖夾泥巖節理裂隙發育程度較高，組內同一條裂隙多有變形、偏轉，局部洞段由于應力集中使巖體呈碎裂結構。

1.4 水文地質條件

場區內小溪常年流水，流量隨降雨量而變化。場區內地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。第四系松散層孔隙水主要賦存于低液限粘土（黃土）及碎石土中，水位隨地形起伏而變化;基巖裂隙水主要來源為大氣降水，在入滲過程中形成脈狀裂隙水和風化殼裂隙水。場區內地下水與崗間洼地上游的地表水水力聯系密切，互為補排關系[5]。

2 洞室開挖情況

洞室開挖采用光面爆破、機械開挖的形式進行，具體與圍巖類別相關。對于Ⅲ類圍巖，主要采用光面爆破的方式;對于Ⅳ類圍巖，主要采用爆破與機械開挖相結合的方式;對于Ⅴ類圍巖，主要采用機械開挖的方式。

2.1 各土體物理力學性質

場區內黃土天然密度1.78g/cm3，壓縮模量4.6MPa，抗剪強度20kPa，內摩擦角18°;碎石土天然密度2.15g/cm3，抗剪強度8kPa，內摩擦角28°;砂巖夾泥巖天然密度2.45g/cm3，變形模量6.0GPa，抗剪斷強度900kPa;斷層角礫巖天然密度2.20g/cm3，抗剪強度15kPa，內摩擦角22°。

2.2 洞室圍巖類別

樁號11+157～11+178段巖性主要為砂巖夾泥巖，洞室軸線與巖層走向呈大角度斜交;砂巖屬硬巖，泥巖屬較硬巖，受節理、裂隙影響，巖體呈層狀碎裂結構，風化狀態為強風化，開挖過程中有線狀滴水。樁號11+178～11+193段為斷層及其影響帶，巖性主要為斷層角礫巖，局部為砂巖、泥巖;斷層角礫巖呈散體結構，類似碎石土，工程性質差。依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）中附錄N“圍巖工程地質分類”，判定樁號11+157～11+178段洞室圍巖為Ⅳ類，樁號11+178～11+193段洞室圍巖類別為Ⅴ類【6】。

2.3 洞室開挖及圍巖失穩

在樁號11+157～11+178段采用爆破結合機械開挖的施工的方式進行，鋼拱架結合拱頂掛鋼網片的方法支護;樁號11+178～11+193段施工坍塌多次，主要采用機械開挖的方式進行，用減小鋼拱架間距并全斷面掛網的方式支護。開挖至樁號11+193時掌子面坍塌極為嚴重，連續施工不見成效，見圖4。施工期間經歷多次降雨，停止施工后發現部分已支護洞段洞室右壁及洞頂出現變形，見圖5;在洞段兩側5～10m范圍內產生裂縫。

3 洞室失穩及變形分析

3.1 洞段布置分析

該段地面高程210～221m，洞頂高程213m。依據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）第6.2節、附錄D“淺埋隧道圍巖壓力計算方法”，對埋置深度最大地段進行判別：該段巖性主要為低液限粘土（黃土）、碎石土、斷層角礫巖，洞室圍巖類別為Ⅴ類。根據公式6.2.2（系列）、D.0.1-2，對洞室上覆荷載等效高度進行計算，結果見表1。

該段洞室走向西南至東北，與場區內巖層走向大角度相交，傾角較緩;斷層F20走向北西至南東向，傾向北東，傾角較陡，在平面布置上洞室與之呈64°斜交;從產狀上巖層與斷層的走向對洞室圍巖的穩定是有利的。

采用鉆爆法或淺埋暗挖法施工條件下，Ⅳ～Ⅵ類圍巖淺埋分界深度為2.5倍的荷載等效高度，即該洞段淺埋分界深度為13.5m;但該洞段最大埋置深度為8m左右，小于分界深度，故該洞段屬淺埋洞段。由于巖、土層存在荷載的擴散角，隨著上覆巖、土層厚度的增加，沿擴散角擴散的范圍相應增大，支撐覆蓋層正面壓力面積較廣，反之，支撐正面壓力的面積越小，壓強越大;同時，淺埋洞段風化程度較高，巖土自身的粘聚力降低，因此，淺埋洞段一般為工程不利地段[7]。

3.2 巖體結構面穩定分析

巖體結構面分為原生結構面（巖層面）、構造結構面（斷層面、節理裂隙面）。該洞段主要結構面為：巖層產狀20°∠30°，斷層產狀69°∠80°。綜合分析將2組優勢節理裂隙面簡化，第一組裂隙面產狀為290°∠72°，第二組裂隙面產狀為25°∠78°。Ⅳ類圍巖洞段的3組結構面做赤平投影穩定分析，洞室軸線與結構面的關系見圖6，將洞頂視為平面，中心點為極點，各結構面與洞壁的關系見圖7。

從圖6可以看出，場區內巖層面、第二組裂隙面走向與洞軸線夾角為63°、68°，第一組裂隙面與洞軸線夾角27°。第一組裂隙面與洞軸線夾角較小，對洞室穩定不利。巖層在垂直于洞室軸線方向上的視傾角β1為15°，傾角較小，對于洞壁穩定有利;兩組裂隙面在垂直于洞軸線方向視傾角β2、β3分別為60°、70°，傾角較陡，對洞壁穩定不利。

從圖7可以看出，場區內巖層面、第二組裂隙面與洞壁夾角γ1、γ3夾角分別為81°、78°，夾角較大，接近垂直狀，對洞壁穩定有利;第一組裂隙面與洞壁夾角γ2為32°，傾角較小，對洞壁穩定不利。

總之，巖層面走向與洞軸線夾角大，巖層傾角小，傾向左壁，整體上利于洞壁穩定，對洞頂穩定不利;第一組裂隙走向同洞軸線夾角較小，與洞壁夾角較小，對洞壁穩定不利，該組裂隙與巖層夾角較小，易形成楔體，對洞頂穩定不利;同時，第一組裂隙傾向北西，與巖層、第二組裂隙形成的斜向棱形體易失穩，是洞室右壁產生側向變形的重要因素。

3.3 洞室應力分析

該洞段在垂直于洞軸線方向上地形較平緩，洞段屬淺埋洞段，不考慮偏壓作用;上覆地層為第四系松散土層，Ⅳ類圍巖洞段巖層產狀較平緩，巖體呈強風化狀;Ⅴ類圍巖洞段的斷層角礫巖呈散粒狀，自身粘聚力差;按太沙基（K·Terzaghi）關于隧洞理論模型，可將隧洞圍巖視為散粒體，因此垂直壓力與上覆巖土層的重量一致。根據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）附錄D中公式D.0.2（系列），對不同圍巖洞段巖體進行側壓力系數（λ=σh/σv）計算，結果見表2。

計算結果表明，斷層角礫巖側壓力系數λ值為0.24，同碎石土的經驗范圍值較為符合，也與現場狀況一致。

隧洞洞型為圓拱直墻型斷面，洞徑遠小于洞軸線長度，不考慮掘進影響，按平面應變問題進行考慮，引用基爾西（G·Kirsh）解的公式，在洞頂時（θ=90°，r=a），該點剪應力（τrθ）、徑向應力（σr）為零，主應力為切向應力（σθ），即σθ=P（3λ-1），P為該點的垂直應力。

該段洞室巖體側壓力系數λ為0.16～0.24，小于0.33，洞頂切向應力為負值，即隧道開挖后拱頂產生拉應力;相應的，邊墻則產生高的壓應力。如果巖體抗壓強度較高，則邊墻仍屬穩定狀態，而拱頂有可能產生坍塌、掉塊。

對于馬蹄形洞室，昆明水電勘察設計院根據光彈實驗結果，提出洞室周邊關鍵點切向應力經驗公式：σt=α·λ·σv+β·σv，式中α、β為關鍵點位的應力系數，σv為該點的垂直應力。根據上述公式，對各圍巖洞段洞室頂點、邊墻中點切向應力進行計算，結果見表3。

由表3可以看出：在Ⅳ類圍巖洞段洞頂切向應力為5.0kPa，洞壁中點切向應力167.0kPa。該洞段巖性以砂巖為主，強度較高，單軸抗壓強度可達90MPa，而巖石的抗拉強度一般為抗壓強度的3%～5%，巖體抗剪斷強度建議值為900kPa，上述指標遠大于上述關鍵點切向應力，洞室圍巖自穩能力較好;但巖層中泥巖結構面強度低，且巖體呈強風化狀，尤其是泥巖抗風化能力差，在洞頂、洞壁局部會出現剪切破壞。在Ⅴ類圍巖洞段洞頂切向應力40.0kPa，洞壁中點切向應力200kPa，巖性為斷層角礫巖，泥質弱膠結，成巖差，結構雜亂，類似于碎石土，抗剪強度低（抗剪強度15kPa），因此洞室圍巖自穩能力極差，極易產生剪切破壞。

3.4 洞室塌方及變形分析

該洞段屬淺埋洞室，洞室上覆巖性主要為低液限粘土（黃土）、碎石土，洞室圍巖巖性主要為砂巖夾泥巖、斷層角礫巖。黃土結構疏松，原先含水量低，且具豎直裂隙，是良好的水力通道;碎石土缺少中間粒徑，含水量較低;砂巖夾泥巖構造較發育，其中第一組裂隙面走向同洞軸線夾角較小，傾向為洞軸線垂直方向，與洞壁夾角較小;斷層角礫巖結構雜亂，性質類似于碎石土。整體上，在Ⅳ類圍巖洞段低于隧道圍巖等級的軟弱層、風化破碎層厚度大而等同級別的覆蓋厚度薄，在Ⅴ類圍巖洞段洞室圍巖及洞頂覆蓋層均為強度較低的松散體。由于洞室坍塌，造成斷層角礫巖、強風化巖體的結構面破壞，形成地下水滲水通道;在降雨后黃土、碎石土達到飽和，造成自重增加、抗剪強度變低，斷層角礫巖或泥巖結合面強度進一步降低，滲透—破壞—滲透的反復影響，致使洞室圍巖產生變形、塌方，使地表產生裂縫;同時，第一組裂隙、巖層傾向左壁方向，且該組裂隙與洞壁夾角較小，在上覆荷載增加的情況下，致使洞室右壁向臨空面變形。

4 結語

（1）洞線與巖層走向和F20呈大角度相交，斷層角礫巖呈散體結構，膠結程度差;洞室最大埋深8.0m左右，小于分界深度，為淺埋洞段，屬工程不利地段。

（2）Ⅳ類圍巖洞段洞頂巖性為砂巖夾泥巖，具層狀碎裂結構，根據巖層產狀和兩組優勢裂隙面在洞壁面上赤平投影法分析，洞室右壁巖體多為楔形體和棱形體，易在右壁臨空面發生失穩變形。Ⅴ類圍巖洞室段洞頂巖性為斷層角礫巖成巖差、抗剪強度低，在圍壓作用下易產生塌方、冒頂現象。

（3）不良地質條件是隧洞發生塌方和大變形的主要原因，人為活動和降雨加強了淺埋隧洞圍巖的不穩定性?；谇捌诳辈熨Y料和實際開挖情況，作出地質預報分析，對于提高圍巖穩定評估、安全可靠施工是非常重要的。

參考文獻

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作者簡介：張建全（1974—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。

王樹奎（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。

高晨飛（1985—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。