康志宇

(中交一公局第五工程有限公司，北京 100024)

0 引 言

塌方變形是隧道最常見的一類地質災害，造成隧道塌方變形的因素有多種，包括人為因素和自然因素，比如降雨、降雪等[1]。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，隧道塌方變形事故大部分是在雨季發(fā)生，為此提出降雨條件下隧道塌方變形機制分析。

1 隧道塌方變形原因

根據(jù)隧道施工工作經(jīng)驗以及隧道地質情況分析，造成隧道塌方變形的主要原因包括以下三點：

(1)大部分隧道塌方變形區(qū)域隧道土層埋深比較淺，隧道周圍的巖石多為黑灰色強風化碳酸鹽，該類型巖石雖然硬度較高，但是其同樣具有較高的脆性，容易發(fā)育裂隙，而且強風化碳酸鹽整體結構比較松散，隧道塌方變形區(qū)域的圍巖整體性比較差[2]。

(2)大多數(shù)隧道塌方變形區(qū)域地表土層為坡殘積土層，該類土層內含多種砂土，且碎石顆粒大小不均勻，級配比較差，經(jīng)常長時間的風吹雨淋，導致表面出現(xiàn)大量的空隙，為地表水滲入提供良好的條件。

(3)隧道塌方變形事故出現(xiàn)的時期多數(shù)為降雨天氣，強降雨導致隧道施工過程中地表水經(jīng)過隧道圍巖空隙、裂隙進入內部，導致隧道周圍巖土體重力加大，土質材料的粘聚力極大降低，進而造成隧道塌方變形。

以上三點是造成隧道塌方變形的主要原因，其有一個共同點，都是地表水進入隧道圍巖內部，形成隧道塌方變形，因此降雨是隧道塌方變形最重要的影響因素。為了更深入地了解到隧道塌方變形機制，下文從降雨條件入手進行進一步分析。

2 降雨條件下隧道塌方變形機制

2.1 建立計算模型

為了更好地分析隧道塌方變形機制，此次利用計算模型，計算出降雨條件下隧道滲流場、位移場、支護結構受氣情況，通過該三方面分析出隧道塌方變形機制。首先需要根據(jù)隧道實際情況建立計算模型，模型搭建軟件選擇有限元軟件，將隧道斷面情況輸入有限元軟件模型組建單元，確立隧道幾何模型[3]。在模型的兩側邊界處從隧道拱腳向外各取2.5倍隧道洞寬，模型的其余區(qū)域按照隧道實際1∶1的比例設計取值。確立完模型幾何邊界后，還要對模型的滲流邊界條件進行設置，具體設置見表1。

表1 隧道模型參數(shù)表

此外，為了簡化模型計算過程，假設隧道圍巖處于完全飽和狀態(tài)，結合對隧道塌方變形現(xiàn)場資料，并考慮到隧道圍巖的透水特性，將模型地下水深度參數(shù)設置為6～8 m，超過該深度的圍巖土體處于完全飽和狀態(tài)。通過以上對模型邊界條件和滲流條件等參數(shù)的設置，完成計算模型建立。

2.2 模型計算結果分析

將降雨時期隧道實際數(shù)據(jù)輸入到模型中，對隧道的滲流場、位移場受力以及支護結構情況進行計算分析，其分析如下。

降雨條件下隧道滲流場分析：在進行隧道開挖的過程中，由于收到靜水壓力的作用，滲流場會發(fā)生較大的改變，隧道當中的孔隙水向會隨著隧道的開挖方向逐漸流動，造成原本呈現(xiàn)出平滑狀態(tài)的孔隙水壓力等值線逐漸向著隧道內部發(fā)生彎曲和變形[4]。滲流場的改變造成了動水壓力的形成，孔隙當中的細小顆粒填充物會隨之沖走，在一定程度上增加了隧道周圍巖體的結構面，造成孔隙度增加，通透性增強[5]。降水會對巖土體造成你話和水致弱化反應，當雨水不斷入滲，水質弱化的反應將會更加劇烈。隧道掩埋較淺位置，受到雨水的不斷沖刷，周圍巖土密度降低，在入滲的過程中還會與周圍巖土發(fā)生物理作用和化學作用，造成巖土土體的力學強度不斷阿靜地，導致其抗剪強度不斷下降，最終造成歲到周圍威嚴的滑動面逐漸向臨空方向移動，出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，直到冒頂為止。

位移場受力情況分析：隧道拱頂沉降時態(tài)變化曲線如圖1所示。

圖1 隧道拱頂沉降時態(tài)變化曲線示意圖

由圖1可以看出，隧道拱頂沉降時態(tài)可劃分為三個不同的變化區(qū)域，當進行開挖時，拱頂沉降會驟然增長，造成拱頂?shù)某两抵抵饾u超過其他位置的沉降變化值，并且呈現(xiàn)出持續(xù)的增長趨勢，如圖1中A區(qū)域所示。當完成開挖后，拱頂?shù)某两禃霈F(xiàn)較為平緩的上升，并且沉降幅度不會出現(xiàn)明顯的增加，如圖1中B區(qū)域所示。當達到拱頂可承受的最大承受能力后，隧道拱頂?shù)某两道鄯e值又會隨著計算時步的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢，此時上升幅度不會如A區(qū)域明顯，但與B區(qū)域相比幅度更大。

支護結構受力情況分析：當進行對隧道周圍巖土的滲流量計算時，作用在隧道支護結構上的圍巖壓力會逐漸呈現(xiàn)出上升的趨勢[6]。初期隧道支護結構主要以負彎矩為主，說明從隧道的拱頂?shù)焦把Y構上的圍巖與地面垂直方向上的位移增加更加明顯，具備隧道拱頂塌落的明顯特征。在進行對隧道上臺階開挖的過程中，支護結構經(jīng)過了穩(wěn)步增長的變化趨勢，說明支護結構逐漸發(fā)揮著拉拔的作用，將隧道整體向四周延伸。

2.3 分析隧道塌方變形機制

從計算模型分析到的降雨條件下隧道滲流場、位移場以及支護結構情況，了解到降雨條件下隧道塌方變形機理與上述三方面有直接關系，具體關系以下將結合根據(jù)上述的計算結果，本章將持續(xù)對隧道塌方變形機理展開分析。根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在降雨的影響作用下，隧道塌方的速度將集聚加快。在自然狀態(tài)下，隧道結構于地下水呈現(xiàn)一種相對平衡的狀態(tài)，當對隧道進行開挖施工時，由于隧道頂部的支撐作用力發(fā)生改變，重力的分布逐步分散，地下水的水流方向也發(fā)生改變。此種變化趨勢不僅對隧道的紋理產(chǎn)生惡劣影響，也在一定程度上腐蝕了隧道結構。由于滲流作用，隧道周邊的巖層結構也發(fā)生改變，裂縫中的填充物，隨著水流帶走，因此隧道縫隙的導水性增強，水流動力也同步提升。此時隧道內軟土層加劇額軟化，在降雨過程中，巖層也將進一步泥土化，使隧道巖土之間的自然凝聚力降低。

對隧道塌方段進行實地調查，在調查中發(fā)現(xiàn)，塌方處的隧道內不僅存在積水現(xiàn)象，堆積在地表層的雨水也正在不斷滲入隧道中，這種現(xiàn)象是隧道巖土自重增加的關鍵原因。受到降雨的影響，圍巖自重力、頂層壓力、滲流作用力、支護結構的負載力也顯著增加，這些作用力進一步催化了隧道的塌方。此外，在實地勘察中發(fā)現(xiàn)，隧道周圍存在一些被風化的花崗巖石，這些巖石以夾層的方式出現(xiàn)隧道頂層與地層。地層巖石受到地下水的侵蝕作用，頂層巖石受到降雨及外界環(huán)境的風化作用，均呈現(xiàn)顯著的軟化趨勢。此種結構一旦外界對其施加的作用力，極易造成結構剪應力的降低，從而影響隧道整體結構的穩(wěn)定性與安全性。

此外，在降雨條件下隧道塌方會經(jīng)歷一系列的組織結構彈性形變，這一過程可表示為：隧道結構出現(xiàn)裂紋-發(fā)生彈性形變-組織松動-巖石掉落。倘若隧道需無法承受這種可塑化形變，便會出結構性破壞，此時隧道支護結構、隧道限制圍巖等均出現(xiàn)不同的異向變化趨勢，集中的應力也發(fā)生部位的轉移，從而出現(xiàn)連鎖的坍塌反應，這些反應逐步累計，最終導致隧道無法承受形變，出現(xiàn)坍塌。因此可以得出一個結論：隧道塌方變形主要原因在于降雨，降雨條件是隧道出現(xiàn)塌方變形的主導因素。所以對于隧道塌方變形事故的預防需要從隧道滲流場、位移場以及支護結構入手最為合理，以此完成降雨條件下隧道塌方變形機理分析。

3 結束語

本文利用計算模型對降雨條件下隧道的滲流場、位移場以及支護結構受力情況進行了分析，最終總結了降雨條件下隧道塌方變形機制。此次研究為隧道塌方變形事故預測和預防提供了理論依據(jù)，在雨季時，需要準確分析隧道滲流場、位移場等地質參數(shù)的變化，注意滲流場對隧道周圍巖石結構位移以及支護結構變形的影響，準確判斷隧道塌方變形程度，采取相應的應對措施。此次研究雖然取得了一定的研究成果，但是在研究內容方面仍存在一些不足之處，針對隧道塌方變形預防措施和策略沒有進行深入研究，因此今后仍會在該方面進行進一步的研究和探討。