高速公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究

張秀強

(貴州橋梁建設集團有限責任公司)

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高速公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究

張秀強

(貴州橋梁建設集團有限責任公司)

隧道圍巖的穩(wěn)定性對高速公路的建設和運營起著重要的作用。本文首先介紹了隧道圍巖變形破壞的四種機制，包括結構面控型、強度-應力控制型、混合類型和特殊類型四種類型。其次，著重分析了影響隧道圍巖穩(wěn)定性的多種因素，包括巖石性質(zhì)、巖石硬度、巖石完整程度、巖體結構、結構面特性、初始應力狀態(tài)以及地下水作用特點等。為提高隧道圍巖的穩(wěn)定性和高速公路的安全運營提供指導意義。

高速公路；隧道圍巖；變形破壞機制；隱性因素

1 變形破壞機制

1.1 結構面控制型

隧道巖石之所以發(fā)生結構控制型的變形破壞，主要是因為巖石所承受的應力遠遠低于巖石強度，此時巖塊會因重力作用發(fā)生軟弱結構面的塌滑變形或破壞。在層狀和塊狀的硬質(zhì)巖體，結構面控制型的變形破壞主要表現(xiàn)為塊體的滑移和塌方；在散體和碎裂的結構巖體，則表現(xiàn)為松弛、脫落和崩潰。

1.2 強度-應力控制型

隧道巖石之所以發(fā)生強度-應力型的變形破壞，主要是因為當整體性較好的圍巖其應力高于其強度時，由于其特殊的抗彎和抗剪強度。此時，脆性圍巖會發(fā)生彎折內(nèi)鼓、巖體剝落及巖爆，而塑性圍巖會發(fā)生塑性擠出和流動變形。

1.3 混合類型

隧道巖石之所以發(fā)生混合類型的秉性破壞，主要是因為當結構面發(fā)育的圍巖其應力高于其強度時，圍巖結構面所受地應力以及巖體強度影響其穩(wěn)定性導致。主要表現(xiàn)為圍巖的松弛、塌落、流動、剪切、擠出以及潰屈等，在隧道內(nèi)側(cè)往往會發(fā)生內(nèi)擠和上鼓，層狀巖石會發(fā)生彎曲變形，而碎裂巖石則會發(fā)生解體潰散。

1.4 特殊類型

隧道巖石之所以發(fā)生特殊類型的變形破壞，主要是因為巖石表部應力的降低區(qū)使得水分由高應力的內(nèi)部轉(zhuǎn)向低應力的表部，從而使得巖石吸水膨脹進而發(fā)生內(nèi)鼓變形。此種類型的變形破壞機制一般與弱面控制型和強度應力型無關。

2 穩(wěn)定影響因素

2.1 巖石性質(zhì)

根據(jù)巖石的性質(zhì)，我們可將巖石分為脆性巖石和塑性巖石兩種類型。塑性巖石具有風化快、強度低、易軟化、易膨脹以及易崩解等特性，極易影響巖石的穩(wěn)定性，我們見過的吸水膨脹巖、破碎松散巖和黏土質(zhì)巖石都屬于塑性巖石；脆性巖石的強度主要取決于巖體結構面的抗剪強度，比巖體強度高出很多，主要包括各種強度高的硬質(zhì)巖。

2.2 巖石硬度

巖塊組成巖體，并通過結構面聯(lián)結其他巖體，其堅硬程度是指它抵抗變形的能力。在抵抗巖體變形的過程中，巖塊的大小、堅硬程度和結構面特性都起著非常重要的作用。

2.3 完整程度

巖體的完整程度是對巖體的破壞程度和開裂程度的概括，能夠反映規(guī)模、性質(zhì)以及成因不同的機構面在巖體中的存在情況，主要由結構面發(fā)育程度和機構的幾何特征來描述。影響巖體完整程度的因素主要包括結構面組數(shù)、結構面密度、聯(lián)系性系數(shù)和結構面之間的切割關系等。

2.4 巖體結構

根據(jù)工程巖土學的知識和理論，我們可以將巖體結構分為整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構四種結構。其中，整體塊狀結構包括整體結構、塊狀結構；層狀結構包括厚層狀結構、中層狀結構和薄層狀結構；碎裂機構包括碎裂結構、鑲嵌結構；而散體結構包括松散結構、破碎結構。根據(jù)工程實踐可知，穩(wěn)定性最好的為厚層狀和整體塊狀，而穩(wěn)定性最差的則為散體結構和碎裂結構。

2.5 結構面特性

巖體結構面是指巖塊與其他巖塊或巖體相聯(lián)結的部分，是整個巖體中較為薄弱的部分，我們一般用抗剪特性即其應對剪切運動的能力來描述。結構面的抗剪特性一般受其表面的連續(xù)性、平整程度、光滑程度、開閉狀態(tài)、膠結情況以及物質(zhì)組成的影響，同時還會受到地下水的制約。

2.6 初始應力狀態(tài)

圍巖的初始應力尤其是高地應力嚴重影響著圍巖的穩(wěn)定性。當巖石強度與初始應力的比值較大時，巖石的初始應力狀態(tài)不會對穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；但當巖石強度與初始應力的比值較低時，巖石的初始狀態(tài)就會嚴重影響其穩(wěn)定性，尤其是當比值接近1時，影響作用會格外顯著。

3 結 語

高速公路隧道對圍巖的要求極高，而隧道圍巖的穩(wěn)定性卻容易受到多種因素的影響。我們在本文中分析了隧道圍巖的變形破壞機制，并著重分析了影響圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)因素、工程因素和施工因素，為消除和削弱影響隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素提供了參考，同時有利于提高圍巖穩(wěn)定性措施的實施和公路隧道的安全運營。

[1] 李作恒,黃生文,張永杰，等.片理化非均質(zhì)大跨徑隧道圍巖穩(wěn)定性分析與支護優(yōu)化研究[J].公路工程,2013,38(5):57-61.

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2015-04-12

張秀強(1983- )，男，貴州貴陽人，工程師，從事工程施工。

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1008-3383(2015)12-0144-01