全强风化花岗岩隧道塌方灾害致灾机理研究

　　摘 要：依托罗家寨隧道工程，采用现场勘探、室内试验与理论分析方法，对全强风化花岗岩隧道塌方灾害机制进行了深入研究。研究结果表明：全风化花岗岩具有明显遇水强度软化、崩解特性、水稳定性差特征。罗家寨隧道塌方事故频发的主要原因是下穿的全强风化花岗岩地层埋深较浅，风化严重、水稳定性差，大气降水及地下水丰富，导水通道发育，同时具备洼地状汇水负地形，而在超前支护措施不合理的情况下就开挖施工，加之前期地质勘察不准确及超前地质预报不到位而选取的不合理开挖方法，全风化花岗岩地层在施工扰动和水的软化共同作用下，掌子面局部首先出现崩解破坏，随后迅速扩展演化而发生失稳破坏，最终导致塌方灾害的发生，并造成地表塌陷。为保证隧道施工安全，及时调整了开挖方法和超前支护措施等关键致灾因子，保证了隧道的顺利贯穿。

　　本文源自陈德金， 土工基础 发表时间：2021-04-15《土工基础》为土建学术刊物。刊载与土工基础有关的学术论文、研究报告、经验总结、专题论述、工程实录、情报简讯等方面的文章。宗旨在于反映岩土力学及岩土工程科研、设计、施工和教学方面的新成就、新成果，促进本学科的交流与发展，推动技术进步，为国民经济建设服务。

　　关键词：隧道工程;全强风化花岗岩;塌方机制;孕险环境因素;致灾因子

　　1引言

　　近些年来，我国交通基础设施快速发展，建设重心逐步向西南部、中西部转移，隧道线路上均广泛分布有全强风化花岗岩，由于花岗岩的全强风化产物强度低，稳定性极差，施工中工作面涌泥、涌水、围岩冒落、塌方等现象多发，施工掘进十分困难，严重影响施工进程。

　　目前，国内外学者进行了大量的试验分析。如任文峰[1]等通过岩土体原位测试与室内试验对全风化花岗岩隧道进行研究;张素敏[2]和高焱[3]等参照贵广线东科岭隧道，分析该岩体的的塑性流动特征;刘金泉[4]等分析了隧道涌水突泥防护时混凝土浆液注入方量的规律及特征;王凯[5]等参照广西均昌隧道帷幕注浆灾害治理工程，试验分析该岩体灌注混凝土后的物理力学性质及水作用性的变化趋势特征;于红丹[6]和李蓉[7]等在厦门海底隧道工程的基础上，对该岩体的物理力学性质开展了大量的土工试验，并建立了处理该岩层的施工方法等;Oda[8]等对阿达纳省区内的该岩体开展了各项物理电磁试验，分析该岩体透水性与颗粒流失及破坏程度的关系曲线。Kranzz[9]等试验分析该岩体的透水性，研究了节理结合程度与透水系数的相互影响因素及关系曲线。Shao[10]等通过细观损伤力学，确立了该岩体受外部作用力后的模型，提出了花岗岩透水性与损伤张量之间的关系等。

　　然而，现阶段对该岩体隧道塌方等地质灾害的预防处理方案可行性研究较少，鉴于诱发该岩体隧道塌方灾害的因素较多，本文结合罗家寨隧道全强风化花岗岩下穿地表浅埋段全强风化花岗岩时三次塌方事故，通过系统开展现场勘探、室内试验与理论分析，对塌方灾害孕险环境因素与关键致灾因子进行探讨分析，揭示富水全强风化花岗岩隧道塌方机制，以便为隧道施工安全风险管理提供一定参考。

　　2 工程及塌方灾害概况

　　1工程概况

　　临沧机场高速公路罗家寨隧道为一座分离式长隧道，长 度 为 2456 m(桩 号 K12+120～K14+336)，设计埋深较大，最大为238m。隧道区域海拔高程介于1023～1173m 之间，相对高差约142m，地形变化较复杂，起伏较大，属于残坡积山地地貌区。隧道区地形较陡峻，地表植被主要为茶林及灌木、杂草，植被发育良好。

　　根据地质调绘及钻探揭露，拟建隧道区范围内上覆地层主要为第四系残坡积(Qdl+el4 )层，下伏基岩为华力西晚期(γ34)岩浆岩。其中，粉质黏土以棕红色，淡黄色为主，呈可塑状，土面光滑但五光泽，韧性及干强度中等，状态基本一致;全风化花岗岩呈褐色，灰黄色，稍湿，以黑云母二长花岗岩为主，岩芯呈粒状、砂砾状，局部土柱状，全风化，结合性很差，散体或破碎状结构，基本质量级别为Ⅴ级，局部夹孤石及块状岩石;中风化花岗岩呈灰色、浅灰色，以黑云母二长花岗岩为主，中等风化，结合一般，块状、整体状结构，属较坚硬岩，岩性较完整，岩芯呈柱状、少量短柱状。

　　根据勘察地质资料，隧道出口区段下穿富水全强 风 化 花 岗 岩 地 表 浅 埋 段，该 段 隧 道 洞 顶 埋 深14.3～31.5 m，全 风 化 花 岗 岩 呈 褐 色，灰 黄 色，稍湿，以黑云母二长花岗岩为主，岩芯呈粒状、砂砾状，局部土柱状，结合性很差，散体或破碎状结构;其力学性质显著劣化，受开挖扰动、卸荷和地下水排泄影响，围岩容易发生变形、失稳、坍塌。当隧道埋深较浅时，极易发生地表塌陷。隧道轴线布置示意图及K12+500～K12+650区段地质纵断面如图1、图2所示。

　　2 塌方灾害概况

　　(1)5.13塌方灾害

　　2017年 5 月 13 日，当 右 幅 隧 道 开 挖 至 里 程K12+636.7时发生塌方事故。该处位于全(强)与中风化花岗岩分界处，岩体结构中含极少量裂隙水，岩体结构含砂质成分多，围岩破碎、松散、仅局部岩体较完整，整体围岩强度低，长时间难以承受浅埋段表层的水土压力，加之拱顶承载力不足，导致塌方事故的发生。该次事故造成地表大面积下沉，施工进度严重滞后。掌子面塌方照片如图3所示。

　　(2)6.17塌方灾害

　　2017年6月17日，由于围岩破碎、松散、自稳能力差且渗水较为严重，加之拱顶承载力不足，右幅隧道开挖至里程 K12+565.5时初期支护结构表面喷射的混凝土开始大面积脱落，掌子面拱顶围岩开始发生失稳并逐渐扩大成涌水涌砂，并淹没了隧洞。随着掌子面不断的涌水涌砂造成了地表塌陷形成了类似“漏 斗 状”塌 落 坑，长 约 7 m，宽 约 6 m，深 约14m，塌方量为500～600m3，如图4所示。

　　(3)8.9塌方灾害

　　2017年8月9日，罗家寨隧道右幅掌子面开挖到里程 K12+498处，发生塌方，并造成地表塌陷，如图5所示。该处掌子面围岩以全风化花岗岩为主，少许强风化花岗岩，岩体较破碎、节理裂隙发育，掌子面岩体潮湿，点滴状出水。此外，该段隧道埋深较浅，约为24m，并且位于浅埋和深埋交界处，易汇水，加之拱顶承载力不足和长时间降雨，诱发了塌方事故的发生。

　　3 塌方灾害机理分析

　　3.1 孕险环境因素分析

　　(1)地下水丰富

　　罗家寨隧道“5.13”和“6.17”塌方事故后的补充瞬变电磁 法 勘 探 结 果 (见 图 6)表 明，右 幅 掌 子 面K31+636.7前方0～10m 左右深度范围内岩体结构含有 裂 隙 水，整 体 围 岩 强 度 低;右 幅 左 侧 23～30m左右深度范围内存在低阻异常区，该范围内岩体结构 裂 隙 渗 水 明 显，围 岩 强 度 低。右 幅 掌 子 面K12+563.5前方0～22m 左右深度范围内岩体结构含大量空隙裂隙水;右幅掌子面宽度2m 左右前方左侧8～22m 左右深度范围内存在低阻异常区，表现局部岩体结构裂隙渗水明显，围岩强度低。

　　(2)导水通道发育

　　右幅隧道轴线 K12+650～K12+500段瞬变电磁法探测结果表明，隧道上覆地层为低电阻异常区，地层富水较显著，并且其区域地质构造为近 EN 状富水风化槽。接触界面两侧岩土风化程度不同，发育为地下水畅通的导水和储水通道。

　　(3)全风化花岗岩的水稳定性差

　　塌方之前掌子面围岩主要为全风化花岗岩，试验分析发现其主要的粘土矿物为高岭石、钾微斜长石及石英颗粒，另外还含有少量的黑云母等。采用规程[11]中相关试验方法，开展了不同含水率下全风化花岗岩三轴剪切试验，并对全风化花岗岩土样的水稳定性进行了分析，部分实验结果如图8、图9所示。

　　结果表明：全风化花岗岩具有强度低、遇水易软化、易崩解成泥、水稳定性差等特征。在地下水、开挖扰动与卸荷损伤耦合作用下花岗岩的全风化产物极易崩解、泥化，造成掌子面坍塌、生成泥流和围岩的大变形、坍塌等事故。

　　(4)洼地状富水负地形

　　地形、地貌特征决定着地表水和地下水的径流、补给和汇集，根据地表汇水区域面积大小可以划分为不同等级的负地形。具体来说，较大的负地形对应的汇水区域面积越大，地表水对地下水的补给强度也越强。如凹地、谷底和盆地均具有较大的汇水面积，是较为发育的汇水负地形。罗家寨隧道三次塌方事故段正好下穿全强风化花岗岩地表浅埋段，地表浅埋段地形地貌如图10所示。该段为一相对较大的汇水洼地，汇水能力较强，为地下水补给创造了极为有利的条件。

　　3.2 关键致灾因子分析

　　穿越全风化花岗岩隧道施工中坍塌的主要原因是未能根据围岩的强度、水理及劣化特征采用合适开挖方法、支护参数和施工组织不到位等共同造成。罗家寨隧道 K12+636～K12+616段原设计超前支护采用 Φ42×4 mm 双 层 注 浆 小 导 管，单 根 长 度4.5m，上仰角为5～15°，上仰角β为20～30°，环向间距30cm，设于衬砌拱部约120°范围内。然而，未扰动全风化花岗岩岩体相对致密，现场小导管注浆效果不明显，并未形成有效的加固圈。

　　此外，隧道施工采用二台阶法开挖，循环进尺为2m。然而，该段掌子面为围岩稳定性极差的全风化花岗岩，施工扰动的程度和范围都较大，在丰富地下水和扰动应力作用下围岩发生明显的扰动、变形和崩解、泥化从而造成显著的大变形，并逐渐演变为贯穿地表的塌陷。

　　3.3 灾害机制分析

　　隧道坍塌是外部因素(即致灾因子，如设计、施工和组织管理)意外触发工程现场固有属性(即孕险环境，如自然条件、地质条件)的结果[12-13]。如图11所示，由于罗家寨右幅隧道地表浅埋段下穿的全强风化花岗岩地层埋深较浅，风化严重、水稳定性差，并且大气降水及地下水丰富，导水通道发育，同时具备洼地状汇水负地形，为塌方灾害的发生创造了极为有利的条件，而在超前支护措施不合理的情况下就开挖施工，加之由于前期的地质勘察不准确及超前地质预报不到位而选取的不合理开挖方法，全风化 花岗岩地层在施工扰动和水的软化共同作用下，掌子面局部首先出现崩解破坏，随后在地下水压力与上覆地层压力共同作用下迅速扩展演化而发生失稳破坏，最终导致塌方灾害的发生，并造成地表塌陷等。

　　4 预防控制措施

　　通过隧道现场坍塌事故，总结经验和教训，调整开挖方法，由二台阶法调整为三台阶预留核心土，并且减缓开挖 进 尺，每 循 环 开 挖 进 尺 由 2 m 调 整 为0.5m。对地表浅埋段进行地表注浆加固，采用单根长9m 的 Φ108×6mm 钢花管，将超前支护参数调整为长度 20 m 的 Φ108×6 mm 大管棚 + 长度4.5m的 Φ42×4mm 小导管联合超前支护，管棚每循环搭接4m，小导管每循环搭接2.5m。同时，I18型钢钢架支护调整为I20b，间距为50cm。此外，加强了洞内监控量测和超前地质预报，提高现场施工组织管理水平等保证了右幅地表浅埋段顺利穿越。

　　5 结论

　　结合罗家寨隧道三次塌方灾害事故，通过开展现场勘察和物探，结合物探数据分析和室内试验结果，对全强风化花岗岩隧道塌方灾害致灾原因进行了深入讨论，得出以下主要结论：

　　(1)全风化花岗岩具有明显遇水强度软化、崩解、泥化等特性，呈水稳定性差的状态。

　　(2)罗家寨隧道塌方灾害发生的孕险环境因素为全风化花岗岩的水稳定性差，同时，地下水与地表水丰富，形成洼池状汇水负地形，全风化花岗岩中地下水丰富、补给迅速、流通性好、渗流强烈，为塌方灾害的发生创造了极为有利的条件。

　　(3)罗家寨隧道塌方灾害发生的致灾因子包括勘测设计阶段对花岗岩全风化产物的水稳定性特征认识不够，导致相关岩土体的物理力学及水理参数选取不当，进而给出不恰当的支护参数;同时，超前地质预报施作不到位、未采取有效超前支护措施就进行开挖施工，施工扰动大;开挖工法也不恰当，几方致灾因素共同作用诱发隧道变形失稳，并迅速演化发展，最终发生通达地表的“塌陷坑”。