隧洞工程地质问题的解决方法

隧洞的优点是线路短，水头损失小，便于管理养护，还能避开一些不良地质地段。由于隧洞修建在地下岩体中，所以地质条件对隧洞的影响很大，隧洞的主要工程地质问题是洞身围岩（即洞的周围岩体）的稳定性和围岩作用于支撑、衬砌上的山岩压力，以及地下水对围岩稳定的影响。

1.隧洞选线的工程地质条件

（1）地形条件。地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。

隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。

（2）岩性条件。洞室应尽量选在坚硬完整岩石中，坚硬岩石岩性均匀致密，抗风化能力强，一般在坚硬完整岩层中掘进，围岩稳定，日进尺快，无需衬砌或衬砌工作量较小，造价低。而在软弱、破碎、松散岩层中掘进，由于这类岩石强度低，易风化和软化，顶板易坍塌，边墙及底板易产生鼓胀挤出变形等，需边掘进、边支护或超前支护，工期长、造价高。

岩层厚度与围岩稳定也有很大关系。厚度很大的块状岩体，岩性均一，稳定性好，如岩浆岩和片麻岩、石英岩等，适合修建大型的地下工程。而薄层的沉积岩和变质岩中的片岩、板岩、千枚岩、黏土岩以及胶结不好的砂砾岩等，由于层次多，稳定性较差，特别是软硬岩相间的岩石以及松散破碎岩石，选址时应尽量避开。

（3）地质构造条件。在褶皱核部，由于裂隙发育、岩石破碎，且可蓄存大量地下水 （如向斜轴部），对围岩稳定不利（图5.13），所以洞线应该避开核部。洞线穿过断层破碎带易造成大规模塌方，还可能有大量地下水的涌水，是影响围岩稳定的关键。单斜岩层的走向线与洞线之间的夹角及岩层倾角的大小，也影响围岩的稳定，其夹角与倾角越小，越不稳定。所以在单斜岩层中开挖的洞轴线尽量与岩层走向垂直。在水平或缓倾斜岩层中，应尽量使洞室位于厚层均质岩层中（图5.14）。

图5.13　位于褶皱核部的隧洞示意图

1—石灰岩；2—砂岩；3—页岩；4—隧洞

图5.14　布置在水平岩层中的隧洞

a—位于坚硬岩层中；b—顶板有软弱夹层；c—底板为软弱的黏土岩

（4）岩体结构特征。隧洞围岩岩体的各种结构面，可以组合成各种形式的岩块，如楔形体、锥形体、方块体、棱形体等，由于它们在所处洞身围岩中的位置、形态和存放方式不同，它们的稳定程度也不相同，如围岩中有陡立的泥质结构面存在时，对围岩的稳定极为不利。

（5）其他因素。如有地下水存在，将对围岩产生静水压力、动水压力及软化、泥化作用。地下工程施工中的塌方或冒顶事故，常和地下水的活动有关，最好选在地下水位以上的干燥岩体内，或地下水水量不大、无高压含水层的岩体内。

此外，人为因素如施工方法和施工质量不当，都会对围岩稳定产生不利影响。

2.山岩压力

由于隧洞的开挖，破坏了围岩原有的应力平衡条件，引起围岩中一定范围内的岩体向洞内松动或坍塌，因而就必须尽快支撑和衬砌，以抵抗围岩的松动或破坏，这时围岩作用于支撑和衬砌上的压力称为山岩压力。显然，山岩压力是隧洞设计的主要荷载，若山岩压力很小或没有，可认为隧洞是稳定的，可以不支撑；当山岩压力很大时，则必须考虑衬砌和支撑，所以正确估计山岩压力的大小，将会直接影响隧洞稳定安全和经济效益。

山岩压力主要有松动山压和变形山压两种基本类型。目前对变形山岩压力研究的较少，在设计中主要考虑松动山岩压力。松动山岩压力主要来源于洞室开挖后，由于应力重新分布而引起一部分围岩松弛、滑塌，其数值一般等于塌落体的重量。山岩压力的大小不仅与围岩的应力状态有关，还与岩石性质、洞形、支撑或衬砌的刚度、施工方法、衬砌的早晚等多种因素有关。此外，由于围岩的变形和破坏有一个逐次发展的过程，因此山岩压力也是随时间变化的。

工程上常用两种方法确定山岩压力，基本原则如下：(www.xing528.com)

（1）用平衡拱理论确定山岩压力。被断层、裂隙等切割的岩体类似松散介质，由于开挖扰动，顶部出现拱形分离体，拱形分离体以外的岩体仍保持平衡状态，拱形分离体失稳塌落后便形成一个塌落拱，称为自然平衡拱，平衡拱下的岩体重量即为山岩压力。

（2）用岩体结构保障机制确定山岩压力。平衡拱理论混淆了坚硬岩体和松散介质间的本质差别，实践证明，用平衡拱理论计算的山岩压力结果偏大。这是由于岩体的稳定性主要决定于岩体中各种不同的结构面（如层面、裂隙面、片理面、软弱夹层、断层面等）的组合关系和性质，而不完全决定于岩石强度。

因此，目前多采用岩体结构结合力学分析的方法确定山岩压力。该方法首先分析围岩中各种结构面组合而成的、具有滑动边界的滑动体或塌落体。如果没有这样的塌落体，山岩压力等于零。如果存在不稳定塌落体，则该塌落体的重量即为山岩压力。当塌落体沿某结构面下滑时，还应考虑其抗滑力的影响，将塌落体的滑动力减去抗滑力即为山岩压力。

由于山岩压力受很多复杂因素的制约，所以，尽管人们长期以来对其进行过大量的试验研究，但至今仍未得到圆满解决。

3.围岩的弹性抗力

岩体的弹性抗力是指在有压隧洞的内水压力作用下向外扩张，引起围岩发生压缩变形后所产生的反力。围岩的弹性抗力与围岩的性质、隧洞的断面尺寸及形状等有关。当水压力作用下向外扩张了ycm后 （图5.15），围岩产生的弹性抗力P为

式中 P——岩性的弹性抗力，MPa；

y——洞壁径向变形，cm；

K——弹性抗力系数，MPa/cm。

弹性抗力系数K的物理意义是迫使洞壁产生一个单位的径向变形所需施加的压力值。

岩体的弹性抗力系数K 是表征隧洞围岩质量的重要指标。K值越大，岩体承受的内水压力越大，相应的衬砌承担的内水压力就小些，衬砌可以做得薄一些。但K 值选得过大，将给工程带来事故，因此，正确选择岩体的弹性抗力系数，在隧洞设计中具有很大意义。

弹性抗力系数K与隧洞的直径有关，以圆形隧洞为例，隧洞的半径越大，K 值越小。故K值不为常数，为了便于对比使用，隧洞设计中常采用单位弹性抗力系数K0 （隧洞半径为100cm时的岩体弹性抗力系数），即

图5.15　内水压力作用下围岩变形

式中 R——隧洞半径，cm。

表5.3为常用的单位弹性抗力系数表，以供参考。

表5.3　岩石单位弹性抗力系数表