围岩工程地质条件对隧道设计及施工的影响

浅谈围岩工程地质条件对隧道设计及施工的影响

一、围岩工程地质条件对隧道设计的重要性

隧道勘测的目的是为确定隧道位置、施工方法和支护、衬砌类型等技术方案，对隧道地处范围内的地形、地质状况，以及对地下水的分布和水量等水文情况要进行勘测，查明隧道施工地点的工程地质条件，分析围岩稳定性，为公路路线必选和工程预算提供科学依据。公路隧道的特点是断面大、隧道长、地质条件复杂，隧道掘进面前方和洞口的不良地层条件极易引起隧道塌方、涌水。隧道地下工程围岩地层的复杂性和不可见性，增加了勘探人员工作的难度。因此，在隧道勘探设计过程中对围岩工程地质的调查和分析，并积累隧道工程资料和经验，为将来公路隧道的设计和施工铺平了道路。

1、公路隧道勘测设计工作重点

进行公路隧道规划、设计、施工和维护管理，应预先获得各种资料，因此需要进行调查。包括地形调查、地质调查、气象调查、环境调查、施工条件调查以及与工程有关的法令法规调查等。这些调查越广泛、深入细致、准确，所起的作用就越大。

（1）文献资料的收集：包括地形地貌资料、工程地质与水文地质资料、工程资料、气象资料、灾害及预算资料等。

（2）地形地质调查：地形调查是为路线服务的，目的是在现有地形条件下使路线满足规范要求，并尽可能的得到优化，这是设计的需要；地质调查是核对在实际地质条件上是否可能，是否可以得到一个稳定的结构物。包括：地质调查、资料整编、地质详查、涌水调查、气象调查等工作。

2、围岩工程地质条件对隧道勘测的重要性

2.1 围岩工程地质对隧道的重要性

工程地质条件会随着区域的不同而发生变化，这样的条件直接影响到隧道施工及后期运营、养护。本节主要从隧道选址、施工条件和衬砌支护三个方面讨论围岩工程地质条件对隧道的重要性。

2.1.1 围岩工程地质对隧道选址的重要性

1）岩体结构及种类

花岗岩、玢岩、斑岩、蛇纹岩、温泉变质作用的安山岩和凝灰岩、泥岩、片岩类、千枚岩和岩堆等，都应给予特别注意。例如花岗岩往往有深部风化，有的变为花岗岩风化土，沿断层易风化，花岗岩中的断层难以发现，风化带和变质带的宽度不同。这些岩石的种类及发生的物理化学风化对于隧道选址和施工将会产生重大影响。基本岩体或特殊地质体调查不细致对于施工、养护将会造成额外经济损失。

2）地质构造

重点研究大型断裂构造是否为活动断裂。如为活动断裂应避开。隧道还应尽量避开断层破带，特别是含水丰富的破碎带，必须穿越时，隧道应与之垂直或大角度斜交通过，并应提醒设计施工方做好支护及排截水措施，预防出现坍塌、避免富水破碎带出现突水涌泥现象造成安全事故。

3）初始地应力

岩体初始应力对隧道围岩的稳定性有较大影响，特别是高初始应力的存在。高初始应力会导致隧道洞壁岩体在开挖过程中时有饼化、岩爆等不良现象的发生，造成隧道成洞性差。高初始应力主要存在于埋深大、构造作用强烈的隧道。因此，对于深埋隧道应通过地应力测试结果按公路隧道设计规范判定是否存在高初始应力地段。

2.1.2 围岩工程地质对隧道施工的影响

随着隧道施工工艺和施工机械的不断更新，原本单一施工的技术早已经被多样化、复合

型施工工艺所代替，这样对隧道工程质量、安全性、环保的要求也就更高。

传统的钻爆法施工现在已经发展的非常成熟，相比TBM技术有其自身的优势，例如：钻爆法适用范围广，不受隧道断面尺寸和形状的限制，且对各类围岩均能适用，对不良地质条件的适应能力较强；当地质条件变化时，可对设计方案及时进行调整，施工工艺可随之机动灵活变化；施工设备便于运输、组装和转移，重复利用率高；多年来已积累了丰富宝贵的施工经验，形成了科学完整的工艺，技术相对比较成熟；造价低，在中国国情下有明显的经济优势。当然，钻爆法也有着缺点与不足，如：施工工序多，施工过程中各工序干扰大，开挖速度慢；对地层扰动大，超欠挖现象严重，容易诱发岩爆等围岩稳定性问题；施工安全性差，工作环境恶劣，工人劳动强度大；开挖工作面，提高了工程造价；工程质量控制难度大，施工质量不如TBM掘进技术。

2.1.3 围岩工程地质对隧道衬砌类型及材料选择的重要性

隧道是埋藏在地层深处的工程建筑物。通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌产生压力，同时还约束衬砌变形。洞身衬砌的断面形式、厚度和材料往往由围堰工程地质情况通过衬砌计算决定的。

1）衬砌材料

混凝土、钢筋砼：优势是整体性好，既可以现场浇筑，也可以加工预制，而且可以机械化施工。其本身密实性较好，具有一定的抗渗性，能够有效的防止因为围岩松动产生的透水现象。

喷射混凝土：将混凝土干拌合料、速凝剂和水，用混凝土喷射机高速喷射到洁净的岩石表面凝结而成，密实性高且能快速封闭围岩裂隙。密贴与岩石表面，早期强度高能很快起到封闭岩石缝隙的作用。

锚杆与锚杆支护：锚杆是用机械方法加固围岩的一种材料。围岩不够稳定时，还可以张挂金属网。对于松散体围岩有较好的防护能力。

2）衬砌类型

直墙式衬砌：通常用于垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。一般适用于Ⅱ、Ⅲ级围岩。对于公路隧道，直墙式衬砌结构的拱部可采用圆割拱、坦三心圆拱等。

曲墙式衬砌：通常在Ⅳ级以下的围岩中，水平压力比较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，可设置仰拱，使衬砌形成环状封闭结构。

复合式衬砌：这种衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别，如果以喷砼、锚杆或构件支撑的一种或几种组合作为初期支护，对围岩进行加固，维护围岩稳定。待初期支护的变形基本稳定以后，进行现浇混凝土二次衬砌，二者合称复合式衬砌。

圆形断面隧道：为了抵御膨胀性围岩压力，隧道可以采用圆形或近似圆形的断面。这种断面可以使用掘进机进行开挖。

矩形断面隧道：采用沉管法施工时，其断面形式为矩形。一般在软土地区，不能抵御较大的水平推力的地方采用矩形断面隧道。而且矩形断面隧道的利用率也非常高，城市隧道使用较多。

隧道围岩工程地质条件对隧道勘测设计十分重要。尤其对隧道选址、施工、运营方面起着决定性的作用，对隧道周围环境也产生了较大的影响。在倡导绿色施工、绿色运营的今天，隧道的施工正是充分展现可持续发展战略的平台。这其中，围岩工程地质决定了隧道勘测设计的好坏。

二、围岩工程地质条件对隧道工程的制约

隧道是地表以下跨越障碍物的工程建筑物，围岩是隧道及地下工程周围一定范围内对洞

身稳定性有影响的地质体。隧道工程设计和施工面向的对象是岩土体，其性质不同于一般的工程材料，岩土体的工程地质环境也具有复杂性，这导致隧道工程具有不同于一般地面工程的特点和规律。隧道工程结构由人工衬砌和天然围岩共同构成，而且围岩是主要承载体，围岩的稳定性直接影响到隧道的稳定性。

隧道围岩工程地质条件千差万别，影响围岩力学性质和稳定性的因素较多，这些因素对围岩力学性质和稳定性都有重要和直接的影响，而且各影响因素的作用机理十分复杂，致使围岩力学性质相当复杂，定量准确掌握围岩的力学性质是十分困难的，因此有必要采用定性和定量相结合的方法，对隧道围岩力学性质和稳定性有一个整体性和规律性的把握，围岩分类法则是这样一个有力的工具。符合实际的围岩分类是正确进行规律隧道稳定性评价的保证，也是隧道合理设计的依据，更是准确进行隧道施工预报的指南，而隧道围岩定量分类系统的建立是客观地进行公路隧道围岩分类的前提和基本保证。正确的、符合工程实际的围岩分类，对于隧道设计计算及支护设计的准确与否有很重要的意义。

（1）坚硬块状岩石

这类岩体本身具有很高的力学强度和抗变形能力，在力学属性上可以视为均质、各向同性的连续介质，应力与应变呈线性关系。这类围岩的变形破坏形式主要有：岩爆、脆性开裂及块体滑移。

（2）层状岩体

这类岩体常以软硬岩层相间的互层形式出现。岩体中的结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。层状岩体的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，其破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。

（3）碎裂岩体

碎裂岩体是指断裂带、岩脉穿插挤压破碎带和风化破碎加次生夹泥的岩体。这类围岩的变形破坏形式常表现为崩塌和滑动。破坏规模和特征主要取决于岩体的碎裂程度和含泥量的多少。在以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块的互相挤压、错动，将产生一定的阻力，因而不易产生大规模塌方。相反，当夹泥量很高时，由于岩块间失去刚性接触，则易产生大的塌方。若不及时支护，将产生大的变形，直至冒顶。

（4）松软岩体

松软岩体是指强烈构造破碎、强烈风化岩体或心境堆积的松散土体。这类围岩的力学属性表现为弹塑性、塑性或流塑性，其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱的形状较为规则，但当围岩结构不均匀或松软岩体仅构成局部危岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。

从实践看问题：围岩类别是隧道设计、施工的基本依据，由于预测围岩类别不准，施工中变更设计多，工程造价变动大，给工程投资控制、工程管理带来不小的负面影响。造成这个结果的原因，除了与围岩预测难度较大有关外，还与地质调查工作和隧道设计工作分家有较大关系。所以要提高公路隧道围岩预测的精度，必须创造一个“利益一致、便于协调”的工作环境，使地质调查者与隧道设计者共同努力，才能达到。英国矿业工程学会出版的《岩石地下工程》指出“正确剖析地质情况乃是进行合理设计的一个主要先决条件”，“设计师的职责并不在于精确计算，而在于正确判断”。这些经验是很值得借鉴的。

三、围岩工程及水文地质条件对隧道设计及施工的影响

1．围岩工程地质的影响

1.1隧道路线的选择

（1）越岭隧道选择

越岭线路所经地段，一般山峦起伏、地形陡峻、地质复杂、自然条件变化较大。因此，选择越岭隧道位置时，应进行大面积的方案研究，对可能穿越的垭口，要以不同的限坡、不同的进出口标高做出各种越岭隧道方案，进行同等的调查研究。

（2）河谷线隧道选择

河谷地段受地质构造和水流冲刷等影响，往往河道弯曲、沟谷发育，两岸多台地和陡峭的山坡，并常伴有崩塌、错落、岩堆、滑坡、冲刷等不良地质现象，地形和地质情况均较复杂，平面位置受线形限制，可移动的幅度不大，沿河山地段，当线路采用隧道通过时，隧道位置宜往里，宜长一些，外侧洞壁要有足够厚度，避免出现洞壁过薄、偏压过大等问题。

除了地形条件外，在根据地质条件选择隧道位置时应注意以下几点：

(1)隧道位置应尽可能选择在地质构造简单、节理裂隙不发育、岩性较好、稳定的地层中通过。

(2)隧道穿越两种岩性迥然不同的岩层接触带时，应避免平行和接近平行。

(3)在岩溶地区，隧道应避免穿越大溶洞和暗河。

1.2洞口及洞门的选择

洞门部分在地质上通常是不稳定的，设计时应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质地段。确定洞门位置时，应着重考虑确保边、仰坡的稳定性，以免造成难以整治的病害，一般应设在山体稳定、地质条件好、排水有利的地方。洞口是隧道的咽喉，其稳定与否直接关系到施工难易与运营安全。洞口设在高位，隧道长度短，引线长度大，但洞口遇到坡积、堆积的可能性小；洞口设在低位，则相反。所以过于低位的洞口，除非是特殊情况，一般都会遇到坡积、堆积层。这种地方基本上是松散体，施工时会很麻烦，是个易于诱发洞口病害的地方，可通过使用特殊方法，不至于诱发边、仰坡病害。

2.水文地质条件的影响

2.1公路隧道的防、排水

（1）对隧道结构安全构成威胁

一方面由于地下水对隧道围岩的浸泡、冲蚀，地下水可以使软弱围岩的强度显著降低，使膨胀性围岩发生膨胀，在黄土地区还可能使黄土发生湿陷，这些变化都使隧道围岩压力增大，隧道结构所要承受的荷载也增大，从而使隧道结构安全受到影响。另一方面，一些侵蚀性地下水的存在，也会侵蚀隧道结构，破坏混凝土结构，锈蚀钢筋，从而降低隧道结构强度。

（2）对隧道运营环境构成威胁

地下水的侵入可以使隧道运营环境严重恶化。渗漏水使隧道内潮湿，降低隧道内的舒适度，给隧道管理工作人员和通行人员的身体带来不良影响；渗漏水使隧道内道路湿滑，雾气增加而能见度降低，给行车安全带来威胁；渗漏水对隧道内大量的运营设施也构成威胁，不仅使电气设施运营效率降低、寿命缩短，还可能引发火灾等安全事故。

2.2边坡稳定性

统计资料分析表明：大中型滑坡诱因多为水的作用，包括降水、各种原因引起的地下水位的变化、水库泄洪及冲刷，边坡失稳的诱因大体有以下几个方面：

（1）由于受水浸泡或地下水位升高，引起岩石力学强度指标降低；

（2）人类活动的影响。包括施工用水、机械振动、爆破扰动、生态环境破坏等；

（3）自然灾害，如地震、洪水、泥石流等。

综上，水不仅降低岩石和滑动面的强度指标内摩擦角和粘聚力值，而且是推动边坡滑体的滑动力，是边坡失稳的重要原因。

2.3隧道涌水的影响

一般情况下，隧道涌水易发生在具有渗透性强、水量丰富、岩体破碎的地层岩体中。在特殊地质地段，褶皱和断层发育，对地下水渗透通道的大小和连通性都产生显著的影响。并

且当水力梯度增大时，对断层破碎带、强烈风化带或大裂隙中充填物形成潜蚀，将小颗粒带走。在地下水流量及水力增大时就会出现管涌、塌方，造成施工困难，并对隧道本身的安全性造成破坏。

2.4 地下水的影响

（1）由于水位上升引起的岩土工程危害

水位的上升可能会使土壤沼泽化，盐分含量升高，从而使得水体的腐蚀性增大，对工程的施工以及质量有着重要的影响，此外还可能带来一些滑坡、崩塌等现象，水位上升还会使得岩土体的结构造成破坏，从而可能产生流砂、管涌等现象。

（2）由于地下水位下降引起的岩土工程危害

地下水位的下降会使得工程产生地裂、地面下沉等现象影响工程质量，地下水的过度开采还会给环境带来一定的影响，对人们的正常居住以及原有建筑物的稳定带来影响。

（3）地下水频繁升降对岩土工程造成的危害

地下水的升降变化能引起膨胀性岩土产生不均匀的胀缩变形，当地下水升降频繁时，不仅使岩上的膨胀收缩变形往复，而且会导致岩土的膨胀收缩幅度不断加大，进而形成地裂引起建筑物特别是轻型建筑物的破坏。

2.5对周围生态环境的影响

隧道工程对环境水文地质条件及周围的生态环境会带来不同程度的影响, 其中地表、地下水的大量涌入或隧道内地下水的大量排放是其主要原因。因此我们在进行隧道设计时，应该兼顾周围的生态环境，主要包括以下方面：

（1）新建隧道环境影响评估应贯穿于隧道勘测设计、施工及运营各个阶段。

（2）从保护环境的大目标出发, 新建隧道工程的防排水原则应以截、堵措施为主。

（3）环境影响评估应包括地表环境影响程度、范围的评估和对隧道内环境影响的评估两方面的项目和内容。