全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道塌方災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理研究

　　摘 要：依托羅家寨隧道工程，采用現(xiàn)場勘探、室內(nèi)試驗與理論分析方法，對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道塌方災(zāi)害機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明：全風(fēng)化花崗巖具有明顯遇水強(qiáng)度軟化、崩解特性、水穩(wěn)定性差特征。羅家寨隧道塌方事故頻發(fā)的主要原因是下穿的全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層埋深較淺，風(fēng)化嚴(yán)重、水穩(wěn)定性差，大氣降水及地下水豐富，導(dǎo)水通道發(fā)育，同時具備洼地狀匯水負(fù)地形，而在超前支護(hù)措施不合理的情況下就開挖施工，加之前期地質(zhì)勘察不準(zhǔn)確及超前地質(zhì)預(yù)報不到位而選取的不合理開挖方法，全風(fēng)化花崗巖地層在施工擾動和水的軟化共同作用下，掌子面局部首先出現(xiàn)崩解破壞，隨后迅速擴(kuò)展演化而發(fā)生失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致塌方災(zāi)害的發(fā)生，并造成地表塌陷。為保證隧道施工安全，及時調(diào)整了開挖方法和超前支護(hù)措施等關(guān)鍵致災(zāi)因子，保證了隧道的順利貫穿。

　　本文源自陳德金， 土工基礎(chǔ) 發(fā)表時間：2021-04-15《土工基礎(chǔ)》為土建學(xué)術(shù)刊物。刊載與土工基礎(chǔ)有關(guān)的學(xué)術(shù)論文、研究報告、經(jīng)驗總結(jié)、專題論述、工程實錄、情報簡訊等方面的文章。宗旨在于反映巖土力學(xué)及巖土工程科研、設(shè)計、施工和教學(xué)方面的新成就、新成果，促進(jìn)本學(xué)科的交流與發(fā)展，推動技術(shù)進(jìn)步，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞：隧道工程;全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖;塌方機(jī)制;孕險環(huán)境因素;致災(zāi)因子

　　1引言

　　近些年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展，建設(shè)重心逐步向西南部、中西部轉(zhuǎn)移，隧道線路上均廣泛分布有全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，由于花崗巖的全強(qiáng)風(fēng)化產(chǎn)物強(qiáng)度低，穩(wěn)定性極差，施工中工作面涌泥、涌水、圍巖冒落、塌方等現(xiàn)象多發(fā)，施工掘進(jìn)十分困難，嚴(yán)重影響施工進(jìn)程。

　　目前，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗分析。如任文峰[1]等通過巖土體原位測試與室內(nèi)試驗對全風(fēng)化花崗巖隧道進(jìn)行研究;張素敏[2]和高焱[3]等參照貴廣線東科嶺隧道，分析該巖體的的塑性流動特征;劉金泉[4]等分析了隧道涌水突泥防護(hù)時混凝土漿液注入方量的規(guī)律及特征;王凱[5]等參照廣西均昌隧道帷幕注漿災(zāi)害治理工程，試驗分析該巖體灌注混凝土后的物理力學(xué)性質(zhì)及水作用性的變化趨勢特征;于紅丹[6]和李蓉[7]等在廈門海底隧道工程的基礎(chǔ)上，對該巖體的物理力學(xué)性質(zhì)開展了大量的土工試驗，并建立了處理該巖層的施工方法等;Oda[8]等對阿達(dá)納省區(qū)內(nèi)的該巖體開展了各項物理電磁試驗，分析該巖體透水性與顆粒流失及破壞程度的關(guān)系曲線。Kranzz[9]等試驗分析該巖體的透水性，研究了節(jié)理結(jié)合程度與透水系數(shù)的相互影響因素及關(guān)系曲線。Shao[10]等通過細(xì)觀損傷力學(xué)，確立了該巖體受外部作用力后的模型，提出了花崗巖透水性與損傷張量之間的關(guān)系等。

　　然而，現(xiàn)階段對該巖體隧道塌方等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防處理方案可行性研究較少，鑒于誘發(fā)該巖體隧道塌方災(zāi)害的因素較多，本文結(jié)合羅家寨隧道全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下穿地表淺埋段全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時三次塌方事故，通過系統(tǒng)開展現(xiàn)場勘探、室內(nèi)試驗與理論分析，對塌方災(zāi)害孕險環(huán)境因素與關(guān)鍵致災(zāi)因子進(jìn)行探討分析，揭示富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道塌方機(jī)制，以便為隧道施工安全風(fēng)險管理提供一定參考。

　　2 工程及塌方災(zāi)害概況

　　1工程概況

　　臨滄機(jī)場高速公路羅家寨隧道為一座分離式長隧道，長 度 為 2456 m(樁 號 K12+120～K14+336)，設(shè)計埋深較大，最大為238m。隧道區(qū)域海拔高程介于1023～1173m 之間，相對高差約142m，地形變化較復(fù)雜，起伏較大，屬于殘坡積山地地貌區(qū)。隧道區(qū)地形較陡峻，地表植被主要為茶林及灌木、雜草，植被發(fā)育良好。

　　根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露，擬建隧道區(qū)范圍內(nèi)上覆地層主要為第四系殘坡積(Qdl+el4 )層，下伏基巖為華力西晚期(γ34)巖漿巖。其中，粉質(zhì)黏土以棕紅色，淡黃色為主，呈可塑狀，土面光滑但五光澤，韌性及干強(qiáng)度中等，狀態(tài)基本一致;全風(fēng)化花崗巖呈褐色，灰黃色，稍濕，以黑云母二長花崗巖為主，巖芯呈粒狀、砂礫狀，局部土柱狀，全風(fēng)化，結(jié)合性很差，散體或破碎狀結(jié)構(gòu)，基本質(zhì)量級別為Ⅴ級，局部夾孤石及塊狀巖石;中風(fēng)化花崗巖呈灰色、淺灰色，以黑云母二長花崗巖為主，中等風(fēng)化，結(jié)合一般，塊狀、整體狀結(jié)構(gòu)，屬較堅硬巖，巖性較完整，巖芯呈柱狀、少量短柱狀。

　　根據(jù)勘察地質(zhì)資料，隧道出口區(qū)段下穿富水全強(qiáng) 風(fēng) 化 花 崗 巖 地 表 淺 埋 段，該 段 隧 道 洞 頂 埋 深14.3～31.5 m，全 風(fēng) 化 花 崗 巖 呈 褐 色，灰 黃 色，稍濕，以黑云母二長花崗巖為主，巖芯呈粒狀、砂礫狀，局部土柱狀，結(jié)合性很差，散體或破碎狀結(jié)構(gòu);其力學(xué)性質(zhì)顯著劣化，受開挖擾動、卸荷和地下水排泄影響，圍巖容易發(fā)生變形、失穩(wěn)、坍塌。當(dāng)隧道埋深較淺時，極易發(fā)生地表塌陷。隧道軸線布置示意圖及K12+500～K12+650區(qū)段地質(zhì)縱斷面如圖1、圖2所示。

　　2 塌方災(zāi)害概況

　　(1)5.13塌方災(zāi)害

　　2017年 5 月 13 日，當(dāng) 右 幅 隧 道 開 挖 至 里 程K12+636.7時發(fā)生塌方事故。該處位于全(強(qiáng))與中風(fēng)化花崗巖分界處，巖體結(jié)構(gòu)中含極少量裂隙水，巖體結(jié)構(gòu)含砂質(zhì)成分多，圍巖破碎、松散、僅局部巖體較完整，整體圍巖強(qiáng)度低，長時間難以承受淺埋段表層的水土壓力，加之拱頂承載力不足，導(dǎo)致塌方事故的發(fā)生。該次事故造成地表大面積下沉，施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后。掌子面塌方照片如圖3所示。

　　(2)6.17塌方災(zāi)害

　　2017年6月17日，由于圍巖破碎、松散、自穩(wěn)能力差且滲水較為嚴(yán)重，加之拱頂承載力不足，右幅隧道開挖至里程 K12+565.5時初期支護(hù)結(jié)構(gòu)表面噴射的混凝土開始大面積脫落，掌子面拱頂圍巖開始發(fā)生失穩(wěn)并逐漸擴(kuò)大成涌水涌砂，并淹沒了隧洞。隨著掌子面不斷的涌水涌砂造成了地表塌陷形成了類似“漏 斗 狀”塌 落 坑，長 約 7 m，寬 約 6 m，深 約14m，塌方量為500～600m3，如圖4所示。

　　(3)8.9塌方災(zāi)害

　　2017年8月9日，羅家寨隧道右幅掌子面開挖到里程 K12+498處，發(fā)生塌方，并造成地表塌陷，如圖5所示。該處掌子面圍巖以全風(fēng)化花崗巖為主，少許強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，掌子面巖體潮濕，點滴狀出水。此外，該段隧道埋深較淺，約為24m，并且位于淺埋和深埋交界處，易匯水，加之拱頂承載力不足和長時間降雨，誘發(fā)了塌方事故的發(fā)生。

　　3 塌方災(zāi)害機(jī)理分析

　　3.1 孕險環(huán)境因素分析

　　(1)地下水豐富

　　羅家寨隧道“5.13”和“6.17”塌方事故后的補(bǔ)充瞬變電磁 法 勘 探 結(jié) 果 (見 圖 6)表 明，右 幅 掌 子 面K31+636.7前方0～10m 左右深度范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)含有 裂 隙 水，整 體 圍 巖 強(qiáng) 度 低;右 幅 左 側(cè) 23～30m左右深度范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū)，該范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu) 裂 隙 滲 水 明 顯，圍 巖 強(qiáng) 度 低。右 幅 掌 子 面K12+563.5前方0～22m 左右深度范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)含大量空隙裂隙水;右幅掌子面寬度2m 左右前方左側(cè)8～22m 左右深度范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū)，表現(xiàn)局部巖體結(jié)構(gòu)裂隙滲水明顯，圍巖強(qiáng)度低。

　　(2)導(dǎo)水通道發(fā)育

　　右幅隧道軸線 K12+650～K12+500段瞬變電磁法探測結(jié)果表明，隧道上覆地層為低電阻異常區(qū)，地層富水較顯著，并且其區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為近 EN 狀富水風(fēng)化槽。接觸界面兩側(cè)巖土風(fēng)化程度不同，發(fā)育為地下水暢通的導(dǎo)水和儲水通道。

　　(3)全風(fēng)化花崗巖的水穩(wěn)定性差

　　塌方之前掌子面圍巖主要為全風(fēng)化花崗巖，試驗分析發(fā)現(xiàn)其主要的粘土礦物為高嶺石、鉀微斜長石及石英顆粒，另外還含有少量的黑云母等。采用規(guī)程[11]中相關(guān)試驗方法，開展了不同含水率下全風(fēng)化花崗巖三軸剪切試驗，并對全風(fēng)化花崗巖土樣的水穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，部分實驗結(jié)果如圖8、圖9所示。

　　結(jié)果表明：全風(fēng)化花崗巖具有強(qiáng)度低、遇水易軟化、易崩解成泥、水穩(wěn)定性差等特征。在地下水、開挖擾動與卸荷損傷耦合作用下花崗巖的全風(fēng)化產(chǎn)物極易崩解、泥化，造成掌子面坍塌、生成泥流和圍巖的大變形、坍塌等事故。

　　(4)洼地狀富水負(fù)地形

　　地形、地貌特征決定著地表水和地下水的徑流、補(bǔ)給和匯集，根據(jù)地表匯水區(qū)域面積大小可以劃分為不同等級的負(fù)地形。具體來說，較大的負(fù)地形對應(yīng)的匯水區(qū)域面積越大，地表水對地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度也越強(qiáng)。如凹地、谷底和盆地均具有較大的匯水面積，是較為發(fā)育的匯水負(fù)地形。羅家寨隧道三次塌方事故段正好下穿全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地表淺埋段，地表淺埋段地形地貌如圖10所示。該段為一相對較大的匯水洼地，匯水能力較強(qiáng)，為地下水補(bǔ)給創(chuàng)造了極為有利的條件。

　　3.2 關(guān)鍵致災(zāi)因子分析

　　穿越全風(fēng)化花崗巖隧道施工中坍塌的主要原因是未能根據(jù)圍巖的強(qiáng)度、水理及劣化特征采用合適開挖方法、支護(hù)參數(shù)和施工組織不到位等共同造成。羅家寨隧道 K12+636～K12+616段原設(shè)計超前支護(hù)采用 Φ42×4 mm 雙 層 注 漿 小 導(dǎo) 管，單 根 長 度4.5m，上仰角為5～15°，上仰角β為20～30°，環(huán)向間距30cm，設(shè)于襯砌拱部約120°范圍內(nèi)。然而，未擾動全風(fēng)化花崗巖巖體相對致密，現(xiàn)場小導(dǎo)管注漿效果不明顯，并未形成有效的加固圈。

　　此外，隧道施工采用二臺階法開挖，循環(huán)進(jìn)尺為2m。然而，該段掌子面為圍巖穩(wěn)定性極差的全風(fēng)化花崗巖，施工擾動的程度和范圍都較大，在豐富地下水和擾動應(yīng)力作用下圍巖發(fā)生明顯的擾動、變形和崩解、泥化從而造成顯著的大變形，并逐漸演變?yōu)樨灤┑乇淼乃荨?/p>

　　3.3 災(zāi)害機(jī)制分析

　　隧道坍塌是外部因素(即致災(zāi)因子，如設(shè)計、施工和組織管理)意外觸發(fā)工程現(xiàn)場固有屬性(即孕險環(huán)境，如自然條件、地質(zhì)條件)的結(jié)果[12-13]。如圖11所示，由于羅家寨右幅隧道地表淺埋段下穿的全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層埋深較淺，風(fēng)化嚴(yán)重、水穩(wěn)定性差，并且大氣降水及地下水豐富，導(dǎo)水通道發(fā)育，同時具備洼地狀匯水負(fù)地形，為塌方災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了極為有利的條件，而在超前支護(hù)措施不合理的情況下就開挖施工，加之由于前期的地質(zhì)勘察不準(zhǔn)確及超前地質(zhì)預(yù)報不到位而選取的不合理開挖方法，全風(fēng)化 花崗巖地層在施工擾動和水的軟化共同作用下，掌子面局部首先出現(xiàn)崩解破壞，隨后在地下水壓力與上覆地層壓力共同作用下迅速擴(kuò)展演化而發(fā)生失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致塌方災(zāi)害的發(fā)生，并造成地表塌陷等。

　　4 預(yù)防控制措施

　　通過隧道現(xiàn)場坍塌事故，總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，調(diào)整開挖方法，由二臺階法調(diào)整為三臺階預(yù)留核心土，并且減緩開挖 進(jìn) 尺，每 循 環(huán) 開 挖 進(jìn) 尺 由 2 m 調(diào) 整 為0.5m。對地表淺埋段進(jìn)行地表注漿加固，采用單根長9m 的 Φ108×6mm 鋼花管，將超前支護(hù)參數(shù)調(diào)整為長度 20 m 的 Φ108×6 mm 大管棚 + 長度4.5m的 Φ42×4mm 小導(dǎo)管聯(lián)合超前支護(hù)，管棚每循環(huán)搭接4m，小導(dǎo)管每循環(huán)搭接2.5m。同時，I18型鋼鋼架支護(hù)調(diào)整為I20b，間距為50cm。此外，加強(qiáng)了洞內(nèi)監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報，提高現(xiàn)場施工組織管理水平等保證了右幅地表淺埋段順利穿越。

　　5 結(jié)論

　　結(jié)合羅家寨隧道三次塌方災(zāi)害事故，通過開展現(xiàn)場勘察和物探，結(jié)合物探數(shù)據(jù)分析和室內(nèi)試驗結(jié)果，對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道塌方災(zāi)害致災(zāi)原因進(jìn)行了深入討論，得出以下主要結(jié)論：

　　(1)全風(fēng)化花崗巖具有明顯遇水強(qiáng)度軟化、崩解、泥化等特性，呈水穩(wěn)定性差的狀態(tài)。

　　(2)羅家寨隧道塌方災(zāi)害發(fā)生的孕險環(huán)境因素為全風(fēng)化花崗巖的水穩(wěn)定性差，同時，地下水與地表水豐富，形成洼池狀匯水負(fù)地形，全風(fēng)化花崗巖中地下水豐富、補(bǔ)給迅速、流通性好、滲流強(qiáng)烈，為塌方災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了極為有利的條件。

　　(3)羅家寨隧道塌方災(zāi)害發(fā)生的致災(zāi)因子包括勘測設(shè)計階段對花崗巖全風(fēng)化產(chǎn)物的水穩(wěn)定性特征認(rèn)識不夠，導(dǎo)致相關(guān)巖土體的物理力學(xué)及水理參數(shù)選取不當(dāng)，進(jìn)而給出不恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)參數(shù);同時，超前地質(zhì)預(yù)報施作不到位、未采取有效超前支護(hù)措施就進(jìn)行開挖施工，施工擾動大;開挖工法也不恰當(dāng)，幾方致災(zāi)因素共同作用誘發(fā)隧道變形失穩(wěn)，并迅速演化發(fā)展，最終發(fā)生通達(dá)地表的“塌陷坑”。