碎裂结构围岩塌方控制因素分析
摘要:碎裂结构围岩在隧道施工中经常发生塌方及掌子面涌出、坍塌事故。通过对现场隧道围岩塌方特征进行分析,提出了碎裂结构隧道塌方的控制因素是围岩的结构强度,指出改善围岩的物理力学特性,增加围岩的自承能力及其整体性是控制碎裂结构隧道塌方的主要因素。
关键词:碎裂结构隧道塌方结构强度
中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)01(a)-0024-01
在碎裂围岩中进行隧道施工时,经常遇到围岩失稳塌方的事故,严重影响隧道施工进度。围岩开挖后有两种失稳模式,一是围岩本身失稳破坏,二是结构性失稳破坏。碎裂岩体的塌方破坏属于前一种破坏,该种破坏形式在铁路隧道的松散岩体及破碎岩体中经常遇到,当支护不当时容易发生[1]。其破坏过程是由于隧道开挖导致围岩临空,岩体结构及应力发生变化。应力的调整导致隧道临空面首先发生变形,在重力作用下,碎裂岩体沿软弱结构面发生坍塌破坏,是典型的受结构面控制的剪切破坏型式。
1塌方破坏分析
对围岩塌方机理的认识是防治塌方的前提,关键块体理论[2]比较适合对碎裂岩体的塌方进行评价,对于软岩类及层状介质以致于散体结构,还有各类的数值分析方法[3,4]。
受岩体结构面空间分布及软弱夹层和地形造成的偏压影响,都有可能发生塌方[5]。引起隧道塌方的原因归纳起来有以下几个方面:地质条件不良、设计定位不合理、施工方法不当等,对隧道塌方的统计结果表明,由断层破碎带、降水、隧道偏压、勘察设计、施工进度不合理及爆破振动等所造成的塌方所占比例为27%～5%。勘察设计及施工方法的不当导致的塌方占较大比例[6]。
2塌方影响因素
各类不同结构围岩,都有可能发生塌方破坏,围岩塌方的影响因素包括如下几个方面。
(1)岩体破碎程度。
根据隧道走向,则开挖掌子面围岩被节理分割成的块体模型如图1(a)所示。从节理切割围岩后与隧道的空间相对关系发现,隧道拱顶及拱墙部位的碎块岩体为不稳定块体,如果超强支护控制不利,或施工时各道工序衔接不好,极有可能发生块体掉落,导致碎裂结构岩体块体掉落的连锁反应,产生塌方,埋深浅时塌腔延续到地表。水平层状泥岩夹砂岩是成岩作用差的岩体,其强度与硬塑的粘性土相当,当有地下水活动时,结构强度会大幅度降低,水平层状泥岩在隧道开挖后,拱顶岩层容易产生弯折破坏,破坏区向上发展。
(2)地下水影响。
由于围岩破碎,结构面强度对岩体稳定性起控制作用。充填物的成分含有大量粘土矿物,或者说结构面是泥质胶结的,泥质胶结的强度受水影响强度会大幅降低。结构面的粘结强度降低,岩体沿结构面发抗滑力下降。泥岩夹砂岩地段岩体强度受水的影响更明显,泥岩遇水软化作用导致岩体强度降低。
(3)设计方案。
目前设计支护参数的确定是按照围岩分级进行的。由于节理发育,岩体破碎,节理间充填松散物,如果有地下水的作用,在结构面强度降低的条件下,隧道不同部位块体会产生不同失稳模式,如侧边墙的块体滑移、拱顶及拱腰的碎块掉落等。对于泥岩拱顶产生弯折掉落及掌子面挤出塌方等。
(4)施工方法。
施工方法的确定在很大程度上受设计方案及围岩级别的影响。当施工围岩级别与设计阶段有明显不同时,会因为初支及二衬没有及时跟进,导致无支护隧道围岩暴露时间过长超过其自稳时间而失稳。
3结语
(1)影响隧道围岩塌方失稳的因素主要是岩体破碎程度、胶结面强度及地下水的影响。因施工揭露围岩级别与设计围岩级别有差异,导致超前支护强度偏弱,客观上增加了塌方的频率和规模。
(2)根据上述影响因素,增加围岩结构强度,改善泥岩力学性质是控制围岩稳定的关键措施。通过超前加固围岩,加长、加密超前支护锚杆,增加超前支护锚索可以有效改善围岩开挖后的自稳能力,控制变形塌方的发生。
参考文献
[1]孙志峰,谭世友,押鹏举,等.隧道塌方的影响因素与治理方法[J].建材技术与应用,2006,3:67～68.
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[3]Jun Liu,Zhongkui Li,Zhuoyuan Zhang.Stability analysis of block in the surrounding rock mass of a large underground excavation[J].Tunnelling and Underground Space Technology,19(2004):35～44.
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