不同巖土體條件下黃土泥巖隧道沉降變形特征對(duì)比分析

張明軒，胡金鑫

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730030）

1 黃土和泥巖的特征及巖土體條件

1.1 黃土的特征和形成機(jī)理

黃土是一種特殊的風(fēng)化殘積物，具有獨(dú)特的物理和力學(xué)性質(zhì)。黃土顏色呈現(xiàn)黃色或棕黃色，質(zhì)地堅(jiān)硬，干燥時(shí)易開(kāi)裂，濕潤(rùn)時(shí)易變成黏土。黃土具有較好的排水性和穩(wěn)定性，但其滲透性差，廣泛分布于中國(guó)的黃土高原、青藏高原和華北平原等地區(qū)，是中國(guó)最重要的地貌類型之一。

黃土的形成與巖石的物理和化學(xué)風(fēng)化密切相關(guān)。黃土主要由巖石礦物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化、凍融、干濕循環(huán)等作用而形成。在黃土形成的過(guò)程中，水分、風(fēng)、重力、溫度等因素都起著重要的作用。黃土的形成過(guò)程一般經(jīng)歷3 個(gè)階段：破碎巖屑階段、礦物交換階段和結(jié)皮固化階段，其形成過(guò)程中主要受氣候、地形和地質(zhì)條件的影響。另外，黃土的形成需要具備一定的降水量和溫度條件，且在地形上需要存在一定的侵蝕和淤積作用，同時(shí)地下水的作用也是重要的因素。

1.2 泥巖的特征和形成機(jī)理

泥巖是一種由細(xì)粒沉積物（粒徑小于0.063 mm）組成的沉積巖石，主要成分是黏土礦物，含有少量的石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽等。泥巖的顏色一般為灰色或黑色，質(zhì)地柔軟，易于剖分，斷面呈現(xiàn)出層理結(jié)構(gòu)。泥巖具有很強(qiáng)的吸水性和膨脹性，容易產(chǎn)生水害和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。泥巖的形成與古地理環(huán)境、沉積物來(lái)源、沉積條件等因素密切相關(guān)。泥巖主要由細(xì)粒沉積物（如黏土、粉砂等）在水體或湖泊中沉積而成。在沉積過(guò)程中，泥巖礦物顆粒之間受到水分和周圍顆粒的壓實(shí)作用，逐漸變得致密。其成巖過(guò)程一般分為壓實(shí)、膠結(jié)、固結(jié)3 個(gè)階段，其中，水的作用是非常重要的因素。泥巖廣泛分布于地球各個(gè)地區(qū)，尤其是海洋、湖泊、河流等水體附近。在這些地方，泥巖礦物顆粒在水體中長(zhǎng)時(shí)間沉積，逐漸形成泥巖層。此外，泥巖的形成還與古地理環(huán)境、氣候、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)。例如，在地震和火山活動(dòng)等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，泥巖層可能會(huì)發(fā)生斷層和變形[1]。

1.3 不同巖土體條件下隧道的地質(zhì)條件

1.3.1 黃土地質(zhì)條件

黃土是一種易于開(kāi)挖的軟黏土巖石，在干燥狀態(tài)下易于削切，但在潮濕狀態(tài)下黏性較大，對(duì)于隧道施工的挖掘和支護(hù)具有一定的困難性。在隧道施工中，黃土地質(zhì)條件主要存在2個(gè)問(wèn)題：（1）黃土中的含水量較高，易引起泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；（2）黃土的可塑性較強(qiáng)，容易發(fā)生土體沉降和隧道變形。因此，需要采取有效的防止泥石流和滑坡的措施，以及加強(qiáng)隧道的支護(hù)措施。

1.3.2 泥巖地質(zhì)條件

泥巖是一種軟弱性質(zhì)的巖石，抗壓強(qiáng)度低，易于發(fā)生破壞和變形。在隧道施工中，泥巖地質(zhì)條件下存在的主要問(wèn)題是圍巖的不穩(wěn)定性和水的滲透性強(qiáng)，容易引起隧道沉降和地面塌陷等問(wèn)題。因此，需要采取加強(qiáng)隧道支護(hù)、預(yù)處理地下水、加強(qiáng)排水等措施。

2 黃土和泥巖隧道沉降變形特征對(duì)比分析

2.1 黃土隧道沉降變形特征

1）隧道沉降：黃土隧道的沉降量相對(duì)較大，尤其是在施工初期和運(yùn)營(yíng)階段，隧道的沉降量可能達(dá)到幾厘米甚至十幾厘米。

2）周邊土體變形：黃土隧道周邊的土體也容易受到影響，發(fā)生沉降和變形。周邊建筑物、橋梁等結(jié)構(gòu)物的變形也可能受到影響。

3）地面塌陷：黃土隧道施工中，常常需要進(jìn)行地下開(kāi)挖，容易引起地面塌陷。特別是在降雨季節(jié)，黃土地基的穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重的威脅，很容易引起地面沉降、坑洼和塌陷。

4）滑坡和泥石流：黃土隧道周邊地區(qū)常常存在山體和溝壑，地質(zhì)條件不穩(wěn)定，加之降雨等自然因素的影響，容易引起滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，從而影響黃土隧道的安全運(yùn)營(yíng)。

2.2 泥巖隧道沉降變形特征

1）隧道沉降。泥巖隧道的沉降量相對(duì)較小，但是隧道沉降的時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是在運(yùn)營(yíng)階段，隧道沉降量會(huì)逐漸增加。

2）周邊土體變形。泥巖隧道周邊的土體容易受到影響，發(fā)生沉降和變形。周邊建筑物、橋梁等結(jié)構(gòu)物的變形也可能受到影響。

3）滲透和涌水。泥巖具有一定的滲透性，隧道周邊的地下水位的變化會(huì)引起泥巖隧道的滲透和涌水，從而導(dǎo)致隧道的沉降和變形。

4）蠕變變形。泥巖具有蠕變性，長(zhǎng)期受到應(yīng)力的作用，會(huì)導(dǎo)致隧道產(chǎn)生蠕變變形，嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性和安全性。

3 黃土泥巖復(fù)合地層隧道沉降變形特征對(duì)比分析

3.1 復(fù)合地層隧道的地質(zhì)條件

黃土和泥巖是地質(zhì)工程中比較常見(jiàn)的地質(zhì)條件，而復(fù)合地層則是指由多種不同類型地層組成的地質(zhì)條件，黃土泥巖復(fù)合地層隧道則是指地下隧道所處的地質(zhì)條件為由黃土和泥巖組成的地質(zhì)層序列。黃土泥巖復(fù)合地層隧道所處的地質(zhì)條件一般是由黃土、泥巖和夾層組成的，這些地層形成于不同的時(shí)代和環(huán)境條件下，因此，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也存在較大的差異。黃土層一般為非飽和狀況，泥巖層則相對(duì)較濕，且兩者之間存在明顯的分界面。同時(shí)，由于黃土的可塑性較差，其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性也存在較大的非均質(zhì)性和異質(zhì)性，對(duì)隧道的建設(shè)和支護(hù)帶來(lái)了一定的難度[2]。

3.2 復(fù)合地層隧道沉降變形特征

1）呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)的地表沉降。由于復(fù)合地層的存在，隧道所處地表的沉降形態(tài)通常呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)，而且難以進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)。此外，由于不同地層條件下土體力學(xué)特性的差異，不同部位地表的沉降速度也可能存在較大的差異。

2）不同層位沉降速度的不同。由于復(fù)合地層中不同地層的土體力學(xué)特性不同，不同層位的沉降速度可能存在較大差異。一般來(lái)說(shuō)，較為松散的地層沉降速度較快，而較為堅(jiān)硬的地層沉降速度較慢。

3）不同變形模式的共同作用。復(fù)合地層隧道的沉降和變形往往涉及多種變形模式的共同作用，例如，側(cè)向變形、豎向變形、彎曲變形等。其中，側(cè)向變形可能會(huì)導(dǎo)致隧道橫向變形和地表塌陷，豎向變形可能會(huì)導(dǎo)致隧道縱向變形和開(kāi)裂等。

4）難以精確預(yù)測(cè)的沉降和變形趨勢(shì)。由于復(fù)合地層的存在，隧道沉降和變形的趨勢(shì)難以進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，因此，在隧道工程中需要采取有效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)隧道的沉降和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

4 不同巖土體條件下隧道沉降變形特征的對(duì)比分析

4.1 不同巖土體條件下隧道的地質(zhì)條件

4.1.1 黃土地質(zhì)條件下的隧道

黃土隧道一般處于黃土地質(zhì)區(qū)，黃土是一種特殊的黏性土壤，具有較差的可塑性和變形性，同時(shí)在干燥季節(jié)黃土易裂縫，使得隧道建設(shè)和支護(hù)難度較大。此外，黃土的含水率對(duì)黃土隧道的穩(wěn)定性和安全性也存在較大影響，需要進(jìn)行合理的水文調(diào)控和防水措施。

4.1.2 泥巖地質(zhì)條件下的隧道

泥巖隧道一般建設(shè)在泥巖地質(zhì)區(qū)。泥巖具有較高的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，但其含水率較高，易受水分和地震等自然因素的影響。因此，泥巖隧道在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，需要充分考慮泥巖的水文地質(zhì)條件和地震安全性。

4.1.3 復(fù)合地層隧道

復(fù)合地層隧道是指由多種不同類型地層組成的地質(zhì)條件，如黃土泥巖復(fù)合地層、巖石與黃土復(fù)合地層等。復(fù)合地層隧道的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，難度較大，需要采取多種地質(zhì)工程技術(shù)手段進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和施工，以確保隧道的安全性和穩(wěn)定性。

4.2 不同巖土體條件下隧道沉降變形特征的對(duì)比分析

4.2.1 黃土地質(zhì)條件下隧道的沉降變形特征

黃土隧道的沉降變形特征主要表現(xiàn)為隧道周圍土體的塑性變形和沉降。黃土的可塑性較強(qiáng)，受到隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力作用，易出現(xiàn)擠壓變形和水平收縮裂縫。同時(shí)，黃土地質(zhì)條件下，隧道的沉降和變形過(guò)程較為復(fù)雜，需要采用復(fù)雜的地質(zhì)監(jiān)測(cè)手段和支護(hù)措施。

4.2.2 泥巖地質(zhì)條件下隧道的沉降變形特征

泥巖隧道的沉降變形特征主要表現(xiàn)為地面沉降和土體膨脹。泥巖的含水量較高，易受到水分和地震等自然因素的影響，導(dǎo)致泥巖隧道周圍土體發(fā)生塑性變形和沉降。同時(shí)，泥巖的膨脹性較強(qiáng)，隧道建設(shè)和支護(hù)難度較大。

4.2.3 巖石地質(zhì)條件下隧道的沉降變形特征

巖石隧道的沉降變形特征主要表現(xiàn)為地表沉降和巖層破碎。巖石具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，但在開(kāi)挖和破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量巖屑和塵土，導(dǎo)致巖石隧道周圍土體發(fā)生塑性變形和沉降。同時(shí)，巖石隧道建設(shè)和支護(hù)難度較大，需要采用較為復(fù)雜的支護(hù)技術(shù)和方法。

4.2.4 復(fù)合地層隧道的沉降變形特征

復(fù)合地層隧道的沉降變形特征較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為不同地層之間的相互作用導(dǎo)致的塑性變形和沉降。在復(fù)合地層隧道中，不同地層的性質(zhì)和特征存在差異，相互之間會(huì)發(fā)生應(yīng)力、變形和沉降的相互作用。針對(duì)復(fù)合地層隧道的沉降變形特征，需要采用多種地質(zhì)工程技術(shù)手段進(jìn)行支護(hù)和監(jiān)測(cè)。例如，在建設(shè)過(guò)程中，需要采用合理的隧道設(shè)計(jì)和建設(shè)方案，根據(jù)不同的地層特征采取不同的支護(hù)措施，如巖體支護(hù)、土釘墻加固、壓路注漿等；在隧道使用過(guò)程中，需要進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道的沉降和變形情況，采取適當(dāng)?shù)木S修措施，確保隧道的安全性和可靠性。

通過(guò)對(duì)比分析，不同巖土體條件下隧道沉降變形特征存在較大差異。黃土隧道主要表現(xiàn)為土體塑性變形和沉降；泥巖隧道主要表現(xiàn)為地表沉降和土體膨脹；巖石隧道主要表現(xiàn)為地表沉降和巖層破碎；而復(fù)合地層隧道的沉降變形特征較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為不同地層之間的相互作用導(dǎo)致的塑性變形和沉降。針對(duì)不同巖土體條件下隧道的特點(diǎn)，需要采取不同的支護(hù)和監(jiān)測(cè)措施。例如，在黃土地質(zhì)條件下的隧道，需要采用加固措施和監(jiān)測(cè)手段，以減小黃土土體的變形和沉降；在泥巖地質(zhì)條件下的隧道，需要加強(qiáng)隧道的支護(hù)和防水措施，以防止土體膨脹和水侵襲；在巖石地質(zhì)條件下的隧道，需要采用巖體支護(hù)技術(shù)和防護(hù)措施，以減小巖石的破碎和裂縫；在復(fù)合地層隧道中，需要根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)和隧道設(shè)計(jì)要求，采取多種地質(zhì)工程技術(shù)手段進(jìn)行隧道的建設(shè)和支護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，不同巖土體條件下隧道的地質(zhì)條件和沉降變形特征存在著顯著的差異。黃土隧道的沉降變形主要表現(xiàn)為塑性變形和侵蝕作用，泥巖隧道則表現(xiàn)為蠕變和擠壓變形。而復(fù)合地層隧道的沉降變形特征更為復(fù)雜，需要采用多種地質(zhì)工程技術(shù)手段進(jìn)行支護(hù)和加固。因此，在實(shí)際的隧道工程建設(shè)中，需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件和巖土體特征，合理選擇支護(hù)措施和工程技術(shù)手段，確保隧道的穩(wěn)定性和安全性。