论文部分内容阅读
摘要：围岩稳定性受众多的因素影响，主要影响围岩稳定性的因素有围岩的岩性和力学性质、地质结构、地应力、地下水、工程因素。围岩的支护方法和开挖的方式都是由围岩的稳定性决定的[1]，因此正确合理的评价围岩稳定性，对隧道施工合理性和运营安全性都起到了重要的作用。文章以何家庄隧道为例，通过勘察资料和现场施工开挖围岩揭露，以工程地质分析法从围岩岩性、结构面特征等方面对围岩开挖稳定性进行了评价。
关 键 词：何家庄隧道；稳定性；工程地质；围岩；评价
中图分类号：U457文献标识码：A
1.引言
何家庄隧道全长780米，最大埋深约37米，单洞双线无砟轨道隧道；地表覆盖0~2米粉质粘土，下伏基岩为白云岩夹泥质白云岩、灰岩。地层为单斜构造，节理裂隙密集发育，岩体破碎，易发生坍塌。因此分析和研究围岩稳定性的影响因素和稳定性的评价方法，对隧道围岩稳定性给出正确合理的评价，对隧道施工合理性和运营安全性都起到重要作用。
目前，分析隧道在开挖与支护过程中围岩的稳定性的主要方法有：解析法、模型试验法、物理试验法、工程地质法。解析法经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解，多用于圆形隧道的求解，但是解析法对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难[2]。模拟试验法往往需要对原型进行一定的简化和假定，由此导致理论分析结果与工程实际状况存在一定偏差。物理试验法由于难度大、周期长、成本高且需要专门设备等不足而使用较少[3]。工程地质法是较普遍的一种方法，它是先进行工程地质调查，通过试验获取岩体的基本物理力学参数，按照围岩稳定性分类法，对围岩稳定性进行判断及支护设计。本文结合工程实际，从隧道围岩稳定性影响因素方面对该隧道进行工程地质定性评价，确定了影响何家庄隧道稳定性的主要因素。
1 隧道围岩稳定性的因素分析
由于岩体是一种天然形成的复杂的地质介质，而非一种性质单一的工程材料，所以在岩体中修建或开掘地下工程要受到一系列自然的特别是地质条件的影响，同时也和工程本身的性质及特点有关。为了做到既经济又安全，修建和使用这些地下工程，就需要正确地掌握和了解与地下工程围岩稳定有关的因素，从而准确地把这些知识应用到施工中去。
1.1 岩性及地质结构
岩性在形成过程中大都经历过许多次强烈程度不同的构造运动。这些地质构造运动在地层中形成了一系列的构造形迹，如断层、褶曲、构造性节理、裂隙等。岩体中还有在成岩或变质过程中形成的接触面、片理、劈理、层理、夹层等结构面。这些各种类型的结构面正是岩体中的薄弱部分，当围岩应力不大以及围岩母体比较坚硬时，岩体结构面及裂隙分布状况经常是围岩稳定的控制性因素。
1.2 岩体力学性质
岩体的力学性质也是影响隧道稳定性的一个十分重要的因素，尤其是岩体的强度及变性特性与开挖后重新分布的围岩应力。但是当节理裂隙较发育时，软弱结构面的强度和变形特性对围岩稳定性就起决定性作用。还有许多特定的力学特性，如各向异性、脆性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等都对围岩稳定都起重要的作用。
1.3 地应力
地下工程的失稳主要是由于开挖引起的应力重分布超过围岩强度或使围岩过分变形而造成的。而应力重分布是否会达到危险的程度就要看初始应力的方向、量值和性质而定。所以地应力是影响地下洞室稳定的最重要的因素之一。对重要工程，当埋深较大或处于高山峡谷地区时，要进行必要的地质力学调查分析和现场实测，并在工程布置和设计时考虑这一因素的影响。用现代的数值计算方法来分析洞室稳定性时，没有地应力的参数也无法得出任何有意义的结果。
1.4 地下水
地下水的存在和活动也是影响围巖稳定的重要因素，它在洞周产生的水力学、力学的、物理和化学的作用几乎总使围岩稳定性趋于恶化。这主要表现在以下四方面。一是洞室的开挖在洞周形成了新的自由面，使洞周围岩产生了渗压梯度，增加了洞周岩石向洞内运动的推动力；二是静水压力减小了岩体中的有效压应力，使岩体抗剪强度减小，其应力趋于恶化；三是地下水的活动大大降低了某些岩石的变形模量和强度，降低了裂隙面的摩擦系数妒和粘聚力c，加剧了围岩的破坏和变形；四是加快了围岩的侵蚀及泥化作用，恶化了围岩的强度状况。
1.5工程因素
工程因素主要指隧道的方位、布置、规模、使用性质、施工方法、开挖工艺、支护形式等对围岩的影响。许多因素在一定条件下可能从次要地位转化为主要的或决定性的地位，进而影响围岩的稳定。这些因素的叠加作用更会使围岩加剧失稳，造成恶性循环。所以一定要把每个环节都做好，建造一个安全可靠的隧洞，真正地服务于交通运输。
2隧道围岩稳定性工程地质评价
工程地质系统分析方法[4]就是将工程地质调查，通过试验获取岩体的基本物理力学参数、水文地质性质等不同表现形式的信息相互紧密联系起来，加上考虑工程地质环境、水工建筑的要求及施工处理措施的量化、综合分析的方法。
何家庄隧道上面覆盖层较薄，主要为粉质粘土和全-强风化的白云岩夹泥质白云岩，勘察和开挖揭露隧道的围岩级别为Ⅳ级和V级，在隧道进口处岩体的组织结构大多已破坏、节理裂隙及层理等结构面对围岩的切割破坏作用较大，在垂直方向上的抗拉强度较低，岩体在自重的作用下容易发生塌陷破坏，尤其是在雨季，地表水易于渗入地下岩层中，加大围岩的破坏，拱部不稳定块体更易塌落。在隧道开挖后，改变了岩体的应力条件，在应力释放过程中产生卸荷回弹，使围岩发生弯折向内鼓，最终挤入洞内局部形成小坍塌。
隧道开挖中，测量掌子面的围岩结构面产状，岩体结构面走向与洞轴线夹角约19°～23°，且倾角在27°～35°之间。根据结构面产状与稳定性的关系[5]，该隧道中结构面对围岩的稳定性是不利的。即：结构面和隧道开挖临空面的交切组合出现尺寸小于洞跨的不稳定块体。在隧道开挖后的应力调整过程中，由于软弱结构面，特别是裂隙面的抗剪强度较低，自重作用下围岩拱部不稳定块体沿裂隙结构面或夹层出现多次错动、掉块等。因此，在隧道开挖时，应遵循“早预报、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则,做好超前地质预报防止不良地质灾害发生，并加强通风等安全措施。
何家庄隧道周边地下水埋深较浅，在雨季地面渗水较大，雨水易从围岩裂隙中下渗于隧道中，使岩石软化，疏松，强度降低，增加动静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。须做好防水工作，防止施工过程中因雨水的入渗而造成隧道的坍塌或者隧道建成后因渗水而影响铁路的正常运营。
从上面的围岩性质、风化程度、地下水、结构面产状与隧道轴线关系及围岩结构破碎程度分析，结合稳定性的分级和其变形机制，该隧道的稳定性差，局部地段为易于发生坍塌，在施工开挖过程应做好防护措施。
结论
本文在大量勘察资料和实际开挖施工的基础上，对影响何家庄隧道的稳定性因素进行分析，得出以下结论，供类似本隧道工程地质条件的隧道施工及稳定性评价提供参考。
隧道围岩进行工程地质分析，影响浅埋隧道围岩稳定性的主要因素为岩性及地质结构、结构面发育程度以及软弱结构面性质，季节性的降雨入渗，以及工程施工的方法和技术等。
在隧道施工前应该提前做好防排水工作
隧道施工中，应注意围岩软弱结构面发育程度、结构面产状与隧道的轴线关系，同时应遵循“早预报、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则,做好超前地质预报防止不良地质灾害发生，并加强通风等安全措施。
（4）从工程地质方面分析，该隧道的稳定性差，局部地段为易于发生坍塌，在施工开挖过程应做好防护措施。
参考文献
[1]冯鸿宽，隧道围岩稳定性的工程地质判别方法.四川建筑学报2008，97-98.
[2]张小明，深埋隧洞围岩稳定性研究[D].石家庄：中国铁道出版社，2006.
[3]张延新，蔡美峰，乔兰等.高速公路隧道开挖与支护力学行为研究.岩石力学与工程学报，2006（06）.
[4]陈伊清，工程地质系统分析方法在桑园水电站工程中的应用[J].中国农村水利水电，1999，（6）：23-27.
[5] 李志业，曾艳华，地下结构设计原理与方法[M]．成都：西南交通大学出版社，2003．
关 键 词：何家庄隧道；稳定性；工程地质；围岩；评价
中图分类号：U457文献标识码：A
1.引言
何家庄隧道全长780米，最大埋深约37米，单洞双线无砟轨道隧道；地表覆盖0~2米粉质粘土，下伏基岩为白云岩夹泥质白云岩、灰岩。地层为单斜构造，节理裂隙密集发育，岩体破碎，易发生坍塌。因此分析和研究围岩稳定性的影响因素和稳定性的评价方法，对隧道围岩稳定性给出正确合理的评价，对隧道施工合理性和运营安全性都起到重要作用。
目前，分析隧道在开挖与支护过程中围岩的稳定性的主要方法有：解析法、模型试验法、物理试验法、工程地质法。解析法经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解，多用于圆形隧道的求解，但是解析法对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难[2]。模拟试验法往往需要对原型进行一定的简化和假定，由此导致理论分析结果与工程实际状况存在一定偏差。物理试验法由于难度大、周期长、成本高且需要专门设备等不足而使用较少[3]。工程地质法是较普遍的一种方法，它是先进行工程地质调查，通过试验获取岩体的基本物理力学参数，按照围岩稳定性分类法，对围岩稳定性进行判断及支护设计。本文结合工程实际，从隧道围岩稳定性影响因素方面对该隧道进行工程地质定性评价，确定了影响何家庄隧道稳定性的主要因素。
1 隧道围岩稳定性的因素分析
由于岩体是一种天然形成的复杂的地质介质，而非一种性质单一的工程材料，所以在岩体中修建或开掘地下工程要受到一系列自然的特别是地质条件的影响，同时也和工程本身的性质及特点有关。为了做到既经济又安全，修建和使用这些地下工程，就需要正确地掌握和了解与地下工程围岩稳定有关的因素，从而准确地把这些知识应用到施工中去。
1.1 岩性及地质结构
岩性在形成过程中大都经历过许多次强烈程度不同的构造运动。这些地质构造运动在地层中形成了一系列的构造形迹，如断层、褶曲、构造性节理、裂隙等。岩体中还有在成岩或变质过程中形成的接触面、片理、劈理、层理、夹层等结构面。这些各种类型的结构面正是岩体中的薄弱部分，当围岩应力不大以及围岩母体比较坚硬时，岩体结构面及裂隙分布状况经常是围岩稳定的控制性因素。
1.2 岩体力学性质
岩体的力学性质也是影响隧道稳定性的一个十分重要的因素，尤其是岩体的强度及变性特性与开挖后重新分布的围岩应力。但是当节理裂隙较发育时，软弱结构面的强度和变形特性对围岩稳定性就起决定性作用。还有许多特定的力学特性，如各向异性、脆性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等都对围岩稳定都起重要的作用。
1.3 地应力
地下工程的失稳主要是由于开挖引起的应力重分布超过围岩强度或使围岩过分变形而造成的。而应力重分布是否会达到危险的程度就要看初始应力的方向、量值和性质而定。所以地应力是影响地下洞室稳定的最重要的因素之一。对重要工程，当埋深较大或处于高山峡谷地区时，要进行必要的地质力学调查分析和现场实测，并在工程布置和设计时考虑这一因素的影响。用现代的数值计算方法来分析洞室稳定性时，没有地应力的参数也无法得出任何有意义的结果。
1.4 地下水
地下水的存在和活动也是影响围巖稳定的重要因素，它在洞周产生的水力学、力学的、物理和化学的作用几乎总使围岩稳定性趋于恶化。这主要表现在以下四方面。一是洞室的开挖在洞周形成了新的自由面，使洞周围岩产生了渗压梯度，增加了洞周岩石向洞内运动的推动力；二是静水压力减小了岩体中的有效压应力，使岩体抗剪强度减小，其应力趋于恶化；三是地下水的活动大大降低了某些岩石的变形模量和强度，降低了裂隙面的摩擦系数妒和粘聚力c，加剧了围岩的破坏和变形；四是加快了围岩的侵蚀及泥化作用，恶化了围岩的强度状况。
1.5工程因素
工程因素主要指隧道的方位、布置、规模、使用性质、施工方法、开挖工艺、支护形式等对围岩的影响。许多因素在一定条件下可能从次要地位转化为主要的或决定性的地位，进而影响围岩的稳定。这些因素的叠加作用更会使围岩加剧失稳，造成恶性循环。所以一定要把每个环节都做好，建造一个安全可靠的隧洞，真正地服务于交通运输。
2隧道围岩稳定性工程地质评价
工程地质系统分析方法[4]就是将工程地质调查，通过试验获取岩体的基本物理力学参数、水文地质性质等不同表现形式的信息相互紧密联系起来，加上考虑工程地质环境、水工建筑的要求及施工处理措施的量化、综合分析的方法。
何家庄隧道上面覆盖层较薄，主要为粉质粘土和全-强风化的白云岩夹泥质白云岩，勘察和开挖揭露隧道的围岩级别为Ⅳ级和V级，在隧道进口处岩体的组织结构大多已破坏、节理裂隙及层理等结构面对围岩的切割破坏作用较大，在垂直方向上的抗拉强度较低，岩体在自重的作用下容易发生塌陷破坏，尤其是在雨季，地表水易于渗入地下岩层中，加大围岩的破坏，拱部不稳定块体更易塌落。在隧道开挖后，改变了岩体的应力条件，在应力释放过程中产生卸荷回弹，使围岩发生弯折向内鼓，最终挤入洞内局部形成小坍塌。
隧道开挖中，测量掌子面的围岩结构面产状，岩体结构面走向与洞轴线夹角约19°～23°，且倾角在27°～35°之间。根据结构面产状与稳定性的关系[5]，该隧道中结构面对围岩的稳定性是不利的。即：结构面和隧道开挖临空面的交切组合出现尺寸小于洞跨的不稳定块体。在隧道开挖后的应力调整过程中，由于软弱结构面，特别是裂隙面的抗剪强度较低，自重作用下围岩拱部不稳定块体沿裂隙结构面或夹层出现多次错动、掉块等。因此，在隧道开挖时，应遵循“早预报、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则,做好超前地质预报防止不良地质灾害发生，并加强通风等安全措施。
何家庄隧道周边地下水埋深较浅，在雨季地面渗水较大，雨水易从围岩裂隙中下渗于隧道中，使岩石软化，疏松，强度降低，增加动静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。须做好防水工作，防止施工过程中因雨水的入渗而造成隧道的坍塌或者隧道建成后因渗水而影响铁路的正常运营。
从上面的围岩性质、风化程度、地下水、结构面产状与隧道轴线关系及围岩结构破碎程度分析，结合稳定性的分级和其变形机制，该隧道的稳定性差，局部地段为易于发生坍塌，在施工开挖过程应做好防护措施。
结论
本文在大量勘察资料和实际开挖施工的基础上，对影响何家庄隧道的稳定性因素进行分析，得出以下结论，供类似本隧道工程地质条件的隧道施工及稳定性评价提供参考。
隧道围岩进行工程地质分析，影响浅埋隧道围岩稳定性的主要因素为岩性及地质结构、结构面发育程度以及软弱结构面性质，季节性的降雨入渗，以及工程施工的方法和技术等。
在隧道施工前应该提前做好防排水工作
隧道施工中，应注意围岩软弱结构面发育程度、结构面产状与隧道的轴线关系，同时应遵循“早预报、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则,做好超前地质预报防止不良地质灾害发生，并加强通风等安全措施。
（4）从工程地质方面分析，该隧道的稳定性差，局部地段为易于发生坍塌，在施工开挖过程应做好防护措施。
参考文献
[1]冯鸿宽，隧道围岩稳定性的工程地质判别方法.四川建筑学报2008，97-98.
[2]张小明，深埋隧洞围岩稳定性研究[D].石家庄：中国铁道出版社，2006.
[3]张延新，蔡美峰，乔兰等.高速公路隧道开挖与支护力学行为研究.岩石力学与工程学报，2006（06）.
[4]陈伊清，工程地质系统分析方法在桑园水电站工程中的应用[J].中国农村水利水电，1999，（6）：23-27.
[5] 李志业，曾艳华，地下结构设计原理与方法[M]．成都：西南交通大学出版社，2003．