水平岩层隧道塌方原因论文

【摘要】根据水平岩层受力特点，地下水渗入，隧道纵向和环向裂纹的发展，以及摩尔库伦理论来分析该隧道塌方。由于塌方前连续的降雨，地下水补给，水平岩层软弱夹层粘结减弱，受力急剧变化，产生纵向裂纹，同时由于纵向裂纹产生，拱顶沉降加大，另一方面由于基础沉降，造成各种环向裂纹，尤其在钢拱架边上环向裂纹，从现场的实际情况看，隧道塌方时从局部到整体的失稳过程，刚支撑屈曲失稳。由于纵横向裂纹以及围岩自承力下降，隧道初期支护被破坏，在连续降雨后发生大规模坍塌。

在地球陆地表面大约3/4的面积是沉积岩，这些绝大多数是在海洋和湖泊中形成。原始产状大部分是水平的。各岩层之间存在节理和软弱结构面，它们对隧道围岩具有切割作用，因此很大程度上面影响隧道的稳定性。地下水也是隧道工程安全性的重要影响因素，可通过对岩石溶蚀、软化以及与岩石、岩体构造共同作用等方式，改变围岩原有结构和形态，降低围岩强度和承载力。本文以万源石塘隧道为工程实例，分析地下水对水平岩层隧道影响。

工程实例

城万快速公路通道石塘隧道位于四川盆地，全长2730m（K60+785～K623+515），其水平岩层倾角较缓，具软硬相间，软硬岩层性质差异大，层间结合差，泥岩强度低且遇到水极易软化。区内地下水接受补给的来源单一，主要为大气降水，地下水的动态变化同大气降水密切相关，一般随着降雨量的变化而变化，受大气降水控制

显著。2012年12月7日晚上十点半，城口至万源快速公路通道石塘隧道K62+075处拱顶部位出现坍塌，拱顶坍塌延伸范围约为K62+075～K62+085，塌方量大约1000m3，拱顶坍塌深度不明，宽10m左右；此次坍塌致使K62+070～K62+075之间的拱架严重变形，初期支护严重破坏；K62+070～ K62+075初期支护混凝土崩裂剥落和掉块的现象较多。对于该隧道塌方，本文结合水平岩层特点以及地下水和裂纹等理论来分析其塌方原因。

1、 地下水破坏节理和软弱结构面

由于该隧道属于水平岩层，层与层之间存在软弱夹层，其对上下岩层具有粘合作用。由于塌方期间连续下雨，地下水在一定程度上得到补给。由于地下水的侵入，软弱夹层开始软化，上下岩层之间的结合力降低。另一方面，由于软弱夹层软化，层与层之间如同产生一条裂纹。由于孔隙水压力增大，有效应力降低，孔隙水压力增大，等同于在裂缝上下表面施加了一个均布荷载，其受力见图1。从断裂与损伤力学上来分析，该裂缝受力属于型裂纹，型裂纹属于张开型裂纹，其裂纹强度因子为，它是一个度量裂纹端部应力强弱程度的一个参量且有（a 为裂纹长度），型裂纹扩展的判据为，其中为材料断裂韧性，由材料及其尺寸决定。由上述分析知道，地下水不断深入夹层，造成裂缝长度a加大，a加大就促使裂纹尖端应力强度因子也增大，导致裂纹扩展，由于这两方面原因，裂纹不断加大，相邻裂缝贯通，造成结果是多层粘结一起的岩层成为分离的各层。其形式如图2，在水平围岩隧道中，水平力很小，主要为竖向荷载，两种形式的受力简图如

下图3，从图中知道，A和B形式下，B中应力明显大于A中，在B中岩层容易断裂，进而使受力岩层减少，对于剩下的岩层受力进一步不利。其断裂图如图4。由于岩层断裂，岩层整体性受到破坏，岩层自承能力减小，施加在初期支护拱顶上面的竖向荷载也随之增加，拱顶变形增大，拱顶下沉也增大。随着拱顶压力的增大，拱顶初期支护下表面拉应力增大，拱顶混凝土开始出现剥落现象，钢筋开始裸露。初期支护产生间断的纵向裂纹。裂纹产生之后，地下水侵入裂纹，由于水对钢筋混凝土存在腐蚀作用，因此地下水的渗入一定程度影响初期支护的受力。同时，地下水顺着裂缝渗入隧道，从拱顶滴落在隧道里面。另一方面，拱顶初期支护在竖向荷载作用下，拱顶下表面为拉应力，水平岩层的侧向压力小，因此纵向裂纹属于张开型裂纹，在拉应力的作用下，裂纹不断扩展。之前间断的裂纹贯通。最终在两个相邻钢拱架之间的拱顶形成一条纵向裂纹，其形式。由于相邻拱架之间的初期支护在拱顶出现整条纵向裂纹，初期支护在拱顶不在闭合，整体受力形式被破坏，在竖向荷载作用下，下沉进一步加大，尤其当裂纹左右两侧压力不均匀时候，造成左右两边初期支护变形不协调，对初期支护不利。在拱顶下沉的同时，拱顶上腹断裂的松散堆积体与完整岩层之间存在空隙，同时由于堆积体的重力以及初级支护抗压能力下降，空隙不断向两侧发展，与两侧围岩开始脱离，其力学机理，形同型裂纹的发展。空隙的形成，很大程度决定了隧道坍塌的部位及其轮廓线。由于裂隙存在，初期支护与围岩之间不在密贴，支护与围岩

的联合作用消失，支护变形加大，拱顶裂纹宽度也加大，极易失稳破坏。

2、环向裂纹的产生、发展以及钢拱架的失稳。

○1拱顶在荷载压力下，纵向裂纹沿轴向扩展时，不可无限制的发展，当裂纹扩展到钢拱架时候，由于钢架的刚度，纵向裂纹不在扩展，即裂纹跨不过钢拱架。但是由于拱架在拱顶部位未开裂断裂，仍然是闭合拱结构，而刚度很大，但是初期支护拱顶出现裂纹，在相同的竖向压力作用下，由于拱架和初期支护混凝土变形的不协调，竖向变形不统一，钢拱架和初期支护混凝土之间存在剪切力，这一现象在钢拱架与纵向裂纹交界处尤为明显，就可能产生环向裂纹，由于竖向变形的不统一，即存在竖向剪切力，则裂纹形式如同型裂纹，型裂纹同型裂纹一样，裂纹端部应力强度因子 ，随着a加大，应力强度因子也加大，裂纹扩展到大部分拱圈，如果拱架两侧均存在很大纵向裂纹，则拱架两侧均出现环向裂纹，拱架和初期支护混凝土开始脱离，联合受力作用减小。

○2由于初期支护存在，根据达西定律，初期支护犹如一条流线，地下水在隧道初期支护拱脚和仰拱部位聚集，另外，由于拱顶裂纹，地下水渗入隧道内部，在隧道底部聚集。导致隧道基地围岩承载力不足，引起拱脚沉陷或初期支护沉降，由于沉降发生，纵向各拱圈沉降不一致，进而存在剪切力，造成剪切裂纹，其力学机理如上○1。造成结果是隧道侵限以及相邻拱圈不能共同受力，整体性被破坏。

总结：根据前面分析水平岩层受力特点，地下水渗入，隧道纵向和环向裂纹的发展，以及摩尔库伦理论来分析该隧道塌方。由于塌方前连续的降雨，地下水补给，水平岩层软弱夹层粘结减弱，受力急剧变化，产生纵向裂纹，同时由于纵向裂纹产生，拱顶沉降加大，另一方面由于基础沉降，造成各种环向裂纹，尤其在钢拱架边上环向裂纹，从现场的实际情况看，隧道塌方时从局部到整体的失稳过程，刚支撑屈曲失稳。由于纵横向裂纹以及围岩自承力下降，隧道初期支护被破坏，在连续降雨后发生大规模坍塌。

参考文献

[1]谭仁辉，王成，隧道工程程[M].重庆：重庆大学出版社，2005 [2]姚仰平，土力学[M].北京：高等教育出版社，2004

[3]徐起超，工程断裂力学基础[M].上海：上海交通大学出版社，1987