全強風化花崗巖隧道塌方災害致災機理研究

　　摘 要：依托羅家寨隧道工程，采用現場勘探、室內試驗與理論分析方法，對全強風化花崗巖隧道塌方災害機制進行了深入研究。研究結果表明：全風化花崗巖具有明顯遇水強度軟化、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風化花崗巖地層埋深較淺，風化嚴重、水穩(wěn)定性差，大氣降水及地下水豐富，導水通道發(fā)育，同時具備洼地狀匯水負地形，而在超前支護措施不合理的情況下就開挖施工，加之前期地質勘察不準確及超前地質預報不到位而選取的不合理開挖方法，全風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崩解破壞，隨后迅速擴展演化而發(fā)生失穩(wěn)破壞，最終導致塌方災害的發(fā)生，并造成地表塌陷。為保證隧道施工安全，及時調整了開挖方法和超前支護措施等關鍵致災因子，保證了隧道的順利貫穿。

　　本文源自陳德金， 土工基礎 發(fā)表時間：2021-04-15《土工基礎》為土建學術刊物?？d與土工基礎有關的學術論文、研究報告、經驗總結、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及巖土工程科研、設計、施工和教學方面的新成就、新成果，促進本學科的交流與發(fā)展，推動技術進步，為國民經濟建設服務。

　　關鍵詞：隧道工程;全強風化花崗巖;塌方機制;孕險環(huán)境因素;致災因子

　　1引言

　　近些年來，我國交通基礎設施快速發(fā)展，建設重心逐步向西南部、中西部轉移，隧道線路上均廣泛分布有全強風化花崗巖，由于花崗巖的全強風化產物強度低，穩(wěn)定性極差，施工中工作面涌泥、涌水、圍巖冒落、塌方等現象多發(fā)，施工掘進十分困難，嚴重影響施工進程。

　　目前，國內外學者進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試驗對全風化花崗巖隧道進行研究;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害治理工程，試驗分析該巖體灌注混凝土后的物理力學性質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上，對該巖體的物理力學性質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]等對阿達納省區(qū)內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系曲線。Kranzz[9]等試驗分析該巖體的透水性，研究了節(jié)理結合程度與透水系數的相互影響因素及關系曲線。Shao[10]等通過細觀損傷力學，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系等。

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

　　2 工程及塌方災害概況

　　1工程概況

　　臨滄機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。

　　根據地質調繪及鉆探揭露，擬建隧道區(qū)范圍內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，韌性及干強度中等，狀態(tài)基本一致;全風化花崗巖呈褐色，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，全風化，結合性很差，散體或破碎狀結構，基本質量級別為Ⅴ級，局部夾孤石及塊狀巖石;中風化花崗巖呈灰色、淺灰色，以黑云母二長花崗巖為主，中等風化，結合一般，塊狀、整體狀結構，屬較堅硬巖，巖性較完整，巖芯呈柱狀、少量短柱狀。

　　根據勘察地質資料，隧道出口區(qū)段下穿富水全強 風 化 花 崗 巖 地 表 淺 埋 段，該 段 隧 道 洞 頂 埋 深14.3～31.5 m，全 風 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，結合性很差，散體或破碎狀結構;其力學性質顯著劣化，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)段地質縱斷面如圖1、圖2所示。

　　2 塌方災害概況

　　(1)5.13塌方災害

　　2017年 5 月 13 日，當 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)與中風化花崗巖分界處，巖體結構中含極少量裂隙水，巖體結構含砂質成分多，圍巖破碎、松散、僅局部巖體較完整，整體圍巖強度低，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，施工進度嚴重滯后。掌子面塌方照片如圖3所示。

　　(2)6.17塌方災害

　　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時初期支護結構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化花崗巖為主，少許強風化花崗巖，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 塌方災害機理分析

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

　　(2)導水通道發(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)域地質構造為近 EN 狀富水風化槽。接觸界面兩側巖土風化程度不同，發(fā)育為地下水暢通的導水和儲水通道。

　　(3)全風化花崗巖的水穩(wěn)定性差

　　塌方之前掌子面圍巖主要為全風化花崗巖，試驗分析發(fā)現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]中相關試驗方法，開展了不同含水率下全風化花崗巖三軸剪切試驗，并對全風化花崗巖土樣的水穩(wěn)定性進行了分析，部分實驗結果如圖8、圖9所示。

　　結果表明：全風化花崗巖具有強度低、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化產物極易崩解、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)洼地狀富水負地形

　　地形、地貌特征決定著地表水和地下水的徑流、補給和匯集，根據地表匯水區(qū)域面積大小可以劃分為不同等級的負地形。具體來說，較大的負地形對應的匯水區(qū)域面積越大，地表水對地下水的補給強度也越強。如凹地、谷底和盆地均具有較大的匯水面積，是較為發(fā)育的匯水負地形。羅家寨隧道三次塌方事故段正好下穿全強風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，為地下水補給創(chuàng)造了極為有利的條件。

　　3.2 關鍵致災因子分析

　　穿越全風化花崗巖隧道施工中坍塌的主要原因是未能根據圍巖的強度、水理及劣化特征采用合適開挖方法、支護參數和施工組織不到位等共同造成。羅家寨隧道 K12+636～K12+616段原設計超前支護采用 Φ42×4 mm 雙 層 注 漿 小 導 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，設于襯砌拱部約120°范圍內。然而，未擾動全風化花崗巖巖體相對致密，現場小導管注漿效果不明顯，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)進尺為2m。然而，該段掌子面為圍巖穩(wěn)定性極差的全風化花崗巖，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 災害機制分析

　　隧道坍塌是外部因素(即致災因子，如設計、施工和組織管理)意外觸發(fā)工程現場固有屬性(即孕險環(huán)境，如自然條件、地質條件)的結果[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風化花崗巖地層埋深較淺，風化嚴重、水穩(wěn)定性差，并且大氣降水及地下水豐富，導水通道發(fā)育，同時具備洼地狀匯水負地形，為塌方災害的發(fā)生創(chuàng)造了極為有利的條件，而在超前支護措施不合理的情況下就開挖施工，加之由于前期的地質勘察不準確及超前地質預報不到位而選取的不合理開挖方法，全風化 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展演化而發(fā)生失穩(wěn)破壞，最終導致塌方災害的發(fā)生，并造成地表塌陷等。

　　4 預防控制措施

　　通過隧道現場坍塌事故，總結經驗和教訓，調整開挖方法，由二臺階法調整為三臺階預留核心土，并且減緩開挖 進 尺，每 循 環(huán) 開 挖 進 尺 由 2 m 調 整 為0.5m。對地表淺埋段進行地表注漿加固，采用單根長9m 的 Φ108×6mm 鋼花管，將超前支護參數調整為長度 20 m 的 Φ108×6 mm 大管棚 + 長度4.5m的 Φ42×4mm 小導管聯合超前支護，管棚每循環(huán)搭接4m，小導管每循環(huán)搭接2.5m。同時，I18型鋼鋼架支護調整為I20b，間距為50cm。此外，加強了洞內監(jiān)控量測和超前地質預報，提高現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 結論

　　結合羅家寨隧道三次塌方災害事故，通過開展現場勘察和物探，結合物探數據分析和室內試驗結果，對全強風化花崗巖隧道塌方災害致災原因進行了深入討論，得出以下主要結論：

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

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

　　(3)羅家寨隧道塌方災害發(fā)生的致災因子包括勘測設計階段對花崗巖全風化產物的水穩(wěn)定性特征認識不夠，導致相關巖土體的物理力學及水理參數選取不當，進而給出不恰當的支護參數;同時，超前地質預報施作不到位、未采取有效超前支護措施就進行開挖施工，施工擾動大;開挖工法也不恰當，幾方致災因素共同作用誘發(fā)隧道變形失穩(wěn)，并迅速演化發(fā)展，最終發(fā)生通達地表的“塌陷坑”。