滲流引起的隧道地質(zhì)災(zāi)害淺析

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摘要：為了提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，降低隧道地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生概率，對滲流引起的隧道地質(zhì)災(zāi)害展開分析。簡述此工程的基本工程地質(zhì)條件，從滲流發(fā)生條件、滲流引起隧道地質(zhì)災(zāi)害的力學(xué)機理兩個方面，分析滲流引起隧道地質(zhì)災(zāi)害的原因。設(shè)定土體滲透系數(shù)、隧道結(jié)構(gòu)巖體層滲透系數(shù)兩個指數(shù)，結(jié)合兩個指數(shù)在隧道結(jié)構(gòu)中的關(guān)系，提出滲流會引起隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，當(dāng)載荷作用力大于隧道支護結(jié)構(gòu)可承載的作用力時，支護結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移，偏移達到一定量后，整體結(jié)構(gòu)便存在對應(yīng)的坍塌風(fēng)險。繪制隧道涌水量變化曲線，分析在不同階段中隧道涌水量的變化趨勢，提出在長期滲流作用下，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系會失衡，最終出現(xiàn)巖體滑坡災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：隧道地質(zhì)災(zāi)害；滲透系數(shù)；力學(xué)機理

隧道施工與隧道建設(shè)現(xiàn)場存在較多的安全隱患，這些隱患是誘發(fā)隧道地質(zhì)災(zāi)害的主要原因。滲流是誘發(fā)隧道地質(zhì)災(zāi)害的主要原因之一，也是一種在隧道中較為常見的地質(zhì)現(xiàn)象。在大部分隧道工程現(xiàn)場，發(fā)生滲流現(xiàn)象的路段為含水層較高的路段，尤其在此區(qū)段進行施工時，人為在此區(qū)段對原有環(huán)境進行干預(yù)，此種行為會造成原有的地下水或含水層滲流條件發(fā)生改變，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬嫌绊懙叵滤鏊恢茫T發(fā)涌水量突增現(xiàn)象，而針對這一問題，倘若沒有及時采取有效措施對其進行控制或治理，會造成嚴重的隧道地質(zhì)災(zāi)害[1]。

1隧道基本工程地質(zhì)條件分析

本文研究的隧道工程處于滎陽市，隧道進口段為淺埋段，對應(yīng)的埋深在10.0m~20.0m，其中最近線口的起始里程為K135+980，在K132+026~K132+080段范圍內(nèi)，覆蓋1個魚塘，此魚塘在隧道工程中的跨軸線長度為31.0m，魚塘水深在1.80m~2.30m（排除淤泥厚度），對應(yīng)隧道區(qū)段的埋深在3.0m~5.0m。地區(qū)段為淺丘順層斜坡，在地層中的坡度在9.0°~15.0°，其中背斜區(qū)域呈現(xiàn)狹長狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)較為緊湊[2]。該地區(qū)具有較為茂密的植被環(huán)境，賦存的地表水較為豐富，但其表層殘破位置受到石粉質(zhì)粘土堆積，經(jīng)過長年堆積后形成了1個厚度在1.0m~1.8m的緩度斜坡與4.6m~6.0m的凹地斜坡，斜坡中含有水田。其中下伏層中含有大量的砂質(zhì)泥巖，在飽和條件下泥巖的抗壓強度在5.0MPa~23.0MPa，屬于軟巖類型，裂縫整體發(fā)育較為良好，對應(yīng)的巖體節(jié)理數(shù)量為25.0條/m3~42.0條/m3，完整指數(shù)在0.13~0.38，由此可見，整體結(jié)構(gòu)的完整性較差。對應(yīng)的結(jié)構(gòu)圍巖產(chǎn)狀為286.0°∠56.0°，經(jīng)過技術(shù)人員對現(xiàn)場的勘查后發(fā)現(xiàn)兩組主要節(jié)理產(chǎn)狀，分別為189.0°∠35.0°，215.0°∠46.0°，2條節(jié)理呈現(xiàn)共軛“X”狀，對應(yīng)的間距在35.0cm~55.0cm。

2滲流引起隧道地質(zhì)災(zāi)害的原因

2.1滲流發(fā)生的條件

盡管工程施工方已在作業(yè)過程中加大了對隧道滲流現(xiàn)象的宏觀調(diào)控，但由于施工方對滲流發(fā)生條件的認知存在偏差，導(dǎo)致工程方無法有效避免由于滲流造成的隧道地質(zhì)災(zāi)害[3]。為了實現(xiàn)對此類問題的有效規(guī)避，下文將對隧道中的滲流發(fā)生條件進行詳細分析。通常情況下，滲流現(xiàn)象對應(yīng)的發(fā)生條件為隧道外水位差值達到一定量后，隧道圍巖中將形成一個完善的滲水通道。當(dāng)此現(xiàn)象達到一定條件后，隧道襯砌中也將出現(xiàn)對應(yīng)的滲流通道，一旦2個通道在隧道內(nèi)呈現(xiàn)打通狀態(tài)，隧道工程將發(fā)生滲流現(xiàn)象。

2.2滲流引起隧道地質(zhì)災(zāi)害的力學(xué)機理

隧道結(jié)構(gòu)巖體的力學(xué)性能受到多方因素的影響，包括水體的賦存狀態(tài)、巖體的物理與化學(xué)性能、巖層完整度等。例如，部分構(gòu)成隧道結(jié)構(gòu)的巖體會在遇水后發(fā)生溶解，溶解后產(chǎn)生膠狀物質(zhì)，在此種條件下，巖體結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)一種軟化趨勢，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生松軟現(xiàn)象時，巖層的承載力與強度將顯著降低[4]。造成巖體承載力與強度降低的因素還包括水流對巖層的長年沖刷導(dǎo)致其表層光滑、變形或遭到直接損壞等。當(dāng)隧道巖體結(jié)構(gòu)由于此方面因素呈現(xiàn)異常時，會在一定程度上使地下水出水點發(fā)生改變，一旦出現(xiàn)此種現(xiàn)象，地下水在隧道內(nèi)的涌出量將發(fā)生改變。隨之帶動巖體結(jié)構(gòu)、巖層強度改變，此種問題只會造成圍巖結(jié)構(gòu)惡化，甚至使其原有結(jié)構(gòu)失去動態(tài)平衡能力，當(dāng)這一變化趨勢超出結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)能力后，便會誘發(fā)隧道地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生。

3滲流引起的隧道地質(zhì)災(zāi)害

3.1隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的支護坍塌

可通過對比隧道中的襯砌結(jié)構(gòu)與土體結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)，進行其滲流性能的綜合分析。在此過程中，定義K1為隧道結(jié)構(gòu)中的土體滲透系數(shù)，定義K2為隧道結(jié)構(gòu)巖體層滲透系數(shù)，對比K1與K2，得出隧道滲流現(xiàn)象發(fā)生時的3種情況[5]。第1種情況為K1值無限趨近于0時，隧道結(jié)構(gòu)的襯砌位置將實現(xiàn)對水頭流量的完全消耗，可以認為在此種條件下，隧道圍巖結(jié)構(gòu)不發(fā)生水頭損失（其中水頭損失是指當(dāng)隧道圍巖結(jié)構(gòu)中水排放量=0時，混凝土砌體外部的水壓=結(jié)構(gòu)全水壓，倘若在此種條件下按照“全堵”的方案進行結(jié)構(gòu)施工，對應(yīng)的砌體結(jié)構(gòu)水壓總量便等于全水頭的水壓總量）。第2種情況為K1與K2值相同，即K1=K2。在此種條件下，隧道結(jié)構(gòu)中的襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)同時承擔(dān)由于上層傳遞的水壓力，兩者受到的承載力基本相同，盡管此種分攤壓力的行為可在一定程度上實現(xiàn)對災(zāi)害的規(guī)避或緩解由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的支護坍塌現(xiàn)象。但當(dāng)下層地下水涌出量超出預(yù)設(shè)范圍時，或當(dāng)兩者承載水壓力的襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)中的某1個結(jié)構(gòu)所經(jīng)受的承載力超出預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，其中1個結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，而此時K1與K2的關(guān)系將出現(xiàn)不對等現(xiàn)象，即K1≤K2，無論上述提出的任意1種條件，均會使未發(fā)生失穩(wěn)的另一結(jié)構(gòu)承載突發(fā)性壓力，當(dāng)壓力超出某種預(yù)設(shè)值后，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)，支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌或偏移風(fēng)險。第3種情況為K1>K2條件，可將此種條件定義為隧道完全排水條件，即隧道中支護結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的圍巖結(jié)構(gòu)，與水壓力的接觸面為0，即對應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)在發(fā)生滲流時不受力，針對此種現(xiàn)象，可采用“完全排水”的方式，對隧道地質(zhì)災(zāi)害進行控制。此時，隧道中襯砌結(jié)構(gòu)僅需要承載由地層對其傳遞的圍巖壓力即可，但在此過程中考慮到隧道地質(zhì)內(nèi)存在滲流，而滲流現(xiàn)象的發(fā)生勢必會產(chǎn)生一定的滲流作用力，在此種作用力的長期影響下，隧道圍巖結(jié)構(gòu)會發(fā)生形變，并在地層相互作用下發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移后的作用力將作用到隧道支護結(jié)構(gòu)上，承載力會受到地層排水的影響，持續(xù)增加載荷，當(dāng)載荷作用力>隧道支護結(jié)構(gòu)可承載的作用力時，支護結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移，偏移達到一定量后，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，整體結(jié)構(gòu)便存在對應(yīng)的坍塌風(fēng)險。

3.2滲流引起隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系失衡與巖體滑坡

除上述提出的隧道支護坍塌災(zāi)害，在長期滲流作用下，隧道還會由于滲流引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系失衡與巖體滑坡災(zāi)害。為了進一步分析此種災(zāi)害的發(fā)生機理，需要在開展相關(guān)研究工作前，對隧道涌水量變化趨勢進行分析，掌握隧道在不同階段的涌水量與涌水變化趨勢，為后續(xù)研究提供參考。將分析得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行整理，整理后繪制對應(yīng)的隧道涌水量變化曲線，如圖1所示。圖1中：q0為初期涌水量，m2·d-1；q1為中期涌水量，m2·d-1；q2為最高涌水量，m2·d-1；t0-t1為涌水階段；t1-t2為遞減涌水，t2之后表示經(jīng)常涌水階段。圖1所示曲線描述了隧道含水層中涌水階段變化特性，在隧道工程實施階段，大部分滲流涌水以靜態(tài)儲存的方式賦存（此種情況下，可以采用“以排為主”的隧道處理方式進行涌水的抑制）。隨著隧道工程實施的深入，即隧道開挖工程的持續(xù)落實，隧道涌水量呈現(xiàn)一種衰減趨勢，進入遞減涌水階段。當(dāng)涌水達到一定量后，涌水行為趨近于平穩(wěn)，最后由隧道“涌水”轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼馈暗嗡保ù朔N情況下，可以采用“以堵為主”的隧道處理方式進行涌水的抑制）。當(dāng)涌水行為達到t2階段后，涌水量趨近于穩(wěn)定，但考慮到不同類型的隧道結(jié)構(gòu)存在差異，因此，即便在t2階段涌水量接近一個穩(wěn)定數(shù)值，但其具體的涌出量也是隨著工程的實際情況與隧道所處地理位置不同而存在差異的。當(dāng)工程規(guī)模較大，或在工程實施過程中，遇到不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)層時（包括高地應(yīng)力、古道河、瓦斯等），隧道結(jié)構(gòu)受到最顯著的影響是隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系失衡，即持續(xù)滲水量發(fā)生時長達到一定界限或條件時，滲流變化可干預(yù)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定賦存，因此，需要采取有效的措施，對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系中滲流量的變化進行實時監(jiān)測，掌握滲流量的變化曲線，以此種方式，及時了解由于滲流引起的隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，降低由于滲流現(xiàn)象造成的隧道地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生概率。

4結(jié)論和建議

隧道地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生主要是通過圍巖結(jié)構(gòu)的滲透性綜合決定的，當(dāng)巖體的滲透系數(shù)過大、巖體結(jié)構(gòu)之間的裂縫達到滿足滲流比例時，便會不可避免地發(fā)生滲流現(xiàn)象。而隧道結(jié)構(gòu)中的圍巖是一種不可規(guī)避的裂縫與不規(guī)則結(jié)構(gòu)，巖體中的裂縫與滲透具有一定的異向特點，即每一組巖體的裂縫均具有較為明確的賦存方向，但各個裂縫又具有相向性，因此，有理由認為此種巖體結(jié)構(gòu)類型是造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系失衡與巖體滑坡的主要原因。通過分析，提出如下建議：第一，在后續(xù)的隧道工程中，結(jié)合工程特點與工程規(guī)模，按照標(biāo)準(zhǔn)化的施工流程，進行隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取；第二，通過集中分析數(shù)據(jù)的方式，進行隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的管理，并在此基礎(chǔ)上，做好對數(shù)據(jù)的評估，當(dāng)數(shù)據(jù)存在異常時，需要即刻停止工程，并采取有效的措施，進行隧道工程質(zhì)量的宏觀調(diào)控；第三，當(dāng)涌水量較大時，在不影響隧道運行的情況下，可以將涌出的山水再利用，避免水量增多帶來地質(zhì)災(zāi)害問題。

作者:尹玉霞 單位:鄭州理工職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院