地质因素对高地应力软岩隧道围岩变形的影响

影响高地应力软岩隧道围岩变形的地质因素主要包括岩体性质、完整程度、结构面特性、初始地应力、地质构造、地下水、蠕变等。

1.岩体性质

从岩性角度，围岩可分为塑性围岩和脆性围岩。塑性围岩主要包括黏土质岩石、破碎松散岩石及某些易于吸水膨胀的岩石等，通常具有风化速度快、力学强度低、遇水易软化、膨胀或崩解等不良性质，故对隧道围岩的稳定性不利。脆性围岩主要包括各类坚硬及半坚硬岩体，由于岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类围岩的强度主要取决于岩体结构，岩石性质本身的影响并不十分显著。

2.岩体完整程度

岩体的完整程度是指岩体的开裂程度或破碎程度，实际上是反映不同成因、不同规模、不同性质的结构面在岩体中存在的情况。结构面把岩体分割成不同的组合体，常见的岩体结构类型主要有整体结构、块状结构、层状结构（薄层结构和厚层结构）、碎裂结构（镶嵌结构和层状碎裂结构）、松散结构等（表2-1）。松散结构和碎裂结构的岩体对隧道稳定性最不利。对于层状结构，薄层结构岩体相对厚层结构岩体的稳定性差。

表2-1　围岩完整程度划分表

3.岩体结构面特性

结构面的存在不仅破坏了岩体的完整性，而且成为岩体中强度薄弱的部位。结构面的抗剪特性，反映了结构面对剪切运动的阻抗能力，为自然特性所制约，受地下水的影响。结构面的连续性、平整起伏程度、光滑粗糙程度、张开闭合的状态、充填物的物质组成以及胶结情况等都直接影响着结构面的抗剪特性。地下水的赋存和渗透则往往促使结构面充填物质的软化和泥化，降低了结构面抗剪强度。

结构面对围岩变形的影响，不仅与结构面抗剪特性有关，结构面的产状与隧道开挖方向的位置关系也在很大程度上影响着围岩的变形情况。结构面产状对隧道掘进的影响见表2-2。隧道开挖方向与结构面位置关系见图2-1。

表2-2　结构面产状对围岩变形的影响

4.围岩初始地应力(www.xing528.com)

图2-1　隧道开挖方向与结构面位置关系示意图

围岩初始地应力对隧道工程围岩变形的影响是众所周知的，特别是高地应力的存在。岩石强度与初始应力之比小于一定值时，再加上洞室周边应力集中效应，对围岩稳定性或变形破坏的影响就表现得非常显著，尤其是岩石强度接近初始应力值时，这种现象更为突出。此外，空间最大主应力与洞室轴线夹角的不同，对隧道围岩变形的影响程度也不相同，当隧道轴线与最大主应力方向垂直时，地应力对隧道的稳定性最不利。

5.地质构造

褶皱和断层破坏了岩层的完整性，降低了岩体的力学强度，对围岩变形影响很大。坚硬和软弱岩层相间的岩体在构造变动中，常在岩层接触面处发生错动，形成厚度不等的层间断层破碎带，极大地破坏了岩体的完整性。如果隧道通过断层，断层宽度愈大，走向与隧道轴向交角愈小，对围岩稳定性影响愈大。断层破碎带内的碎块性质及其胶结情况也都会影响围岩的稳定性。破碎带组成物质如为坚硬岩块，并且挤压紧密或已胶结，比软弱的断层泥组成稀疏的糜棱岩或未胶结的压碎岩要稳定些。

褶皱的形式、疏密程度、轴向与隧道轴线的交角不同，围岩的变形也不同，这是由于褶皱的核部岩层受到强烈的张力和压力的作用，核部的岩层就比翼部的岩层破碎得多，因此，隧道横穿褶皱翼部比横穿核部更有利。地质构造对围岩变形影响程度划分见表2-3。

表2-3　围岩受地质构造影响程度等级划分

6.地下水

大量工程实践证明，地下水是影响隧道围岩稳定性的一个重要因素。地下水既能影响围岩的应力状态，又能影响围岩的强度。结构面中孔隙水压力的增大，能减小结构面上的有效正应力。在有软弱结构面的围岩中，水会冲走充填物或使夹层液化，从而使岩体沿结构面的抗滑稳定性降低。而地下水的物理化学作用能降低岩体的强度，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动。在某些围岩中，如以石膏、盐岩和蒙脱石为主的黏土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。这些对隧道围岩的稳定性都有一定的影响。

7.蠕变

蠕变是软岩的特性之一，高地应力软岩隧道的变形破坏与时间密切相关。由于软岩具有蠕变性，即使洞室处于不变的静载荷作用下，随时间的增长，变形也会缓慢增加。