水平岩层隧道围岩变形破坏特征研究

水平岩层隧道围岩变形破坏特征研究摘要：本文以山西省平榆高速公路狮子凹隧道为依托，对水平岩层隧道围岩变形破坏特征进行了研究。

结合狮子凹隧道工程实践，现场监控量测数据，归纳出不同地层构造下水平岩层隧道围岩的变形破坏特征。

关键词：水平岩层；围岩变形；隧道Abstract: in this paper the yu ping in Shanxi Province highway tunnel lion concave, based on the level of surrounding rock of rock deformation and failure of the research on the characteristic. Combined with the lion concave tunnel engineering practice, the site monitoring data, induces the different formation structure level of surrounding rock strata characteristics of deformation and destruction.Keywords: level rock; Surrounding rock mass deformation; tunnel中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：未经构造变动的沉积岩层，其形成时的原始产状是水平的，先沉积的老岩层在下，后沉积的新岩层在上，形成产状近于水平的构造称为水平构造，亦称为水平岩层。

自然界中绝大多数的沉积岩是在广阔的海洋和湖泊盆地中形成的，沉积岩的分布之广，约占到了大陆表面的3/4，而且其原始产状大部分是水平的，许多变质岩也具有层状构造特征。

因此在工程活动中会遇到大量由水平岩层所带来的诸多工程问题，尤其是隧道工程。

进入21世纪后，随着科学技术及经济的发展，隧道工程在基础设施建设中所占的比例越来越大，而隧道穿越的地层又以水平岩层最为普遍。

但是人们对于水平岩层隧道方面的研究还不够深，与其相配套的既经济又安全度高的施工工艺还很不完善。

所以，对水平岩层地区隧道围岩的稳定性机理及施工工艺进行探索研究，有着重大的理论意义与实际应用价值。

1 工程概况狮子凹隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道，隧道平遥段洞口位于山西省祁县境内，榆社段洞口位于榆社县境内。

隧道左线起讫桩号为SZK44+376～SZK48+758，全长4382m，右线起讫桩号为K44+254～K48+765，全长4511m。

狮子凹隧道围岩岩性主要以砂岩、砂质泥岩和泥质砂岩为主，以砂岩与泥岩互层为其基本特征，这些都属于弹塑性软质岩，岩体中含有大量的粘土矿物。

狮子凹隧道所处地区近水平岩层多为砂泥岩互层，岩层倾角较缓，具有软硬相间、软硬层性质差异大、层间结合差，陡倾节理发育，泥岩强度低且遇水后易软化，易于风化剥落等特点，因而狮子凹隧道围岩在开挖过程中的变形破坏具有特殊性。

2 监控量测分析本文根据狮子凹隧道隧址的特殊性，分三种典型地质地层来研究其围岩破坏特征，即近水平的厚层砂岩地层、砂岩泥岩互层交错地层、薄层泥岩地层。

针对上述三种岩层，采用监控量测的手段来研究分析隧道围岩的变形破坏特征。

狮子凹隧道属于特长隧道，地质情况较为复杂，本文针对三种典型地层构造，采取不同的断面布置方案，每种地层各取一个断面的拱顶下沉和周边收敛检测数据进行分析。

每段断面选取情况如下：(1)K48+073～K48+565段，近水平的厚层砂岩地层，每40米布置一个断面，取K48+480断面；(2)K47+782～K48+073段，砂岩泥岩互层交错地层，每20米布置一个断面，取K47+840断面；(3)K47+590～K47+708段，薄层泥岩地层，每10米布置一个断面，取K47+660断面。

2.1 近水平的厚层砂岩地层断面监测结果选取K48+480断面的监测数据来研究近水平的厚层砂岩地层隧道围岩的受力变形情况，在此主要就拱顶下沉和周边收敛进行量测分析，监测曲线分别如图1、2所示。

图1K48+480断面拱顶下沉监测曲线图2K48+480断面周边收敛监测曲线分析图1拱顶累计下沉曲线图可知，监测时在1到14日内拱顶下沉数值变化较大，其中最大日沉降量达0.52mm，累计沉降为 5.47mm，在这一阶段中围岩处于加速变形时期；第15日到29日拱顶下沉数值变化量较小，最大日沉降量为0.30mm，累计沉降量仅有 1.45mm，表明隧道围岩变形仍在继续，但趋势已经逐渐减弱，开始进入缓慢变形期，在这29天内拱顶累计下沉量共计6.92mm；29天以后拱顶沉降变化趋势多为平稳发展，沉降曲线基本趋于水平，沉降速率逐渐减小，处于末期沉降阶段，表明围岩变形已逐渐稳定。

当监测到第47天时，拱顶当日下沉速率仅为0.024 mm/d，连续9天小于0.15 mm/d，认为围岩位移达到基本稳定，而且累计沉降量仅7.74 mm，变形较小。

由图2周边累计收敛曲线图可知，监测时在1到13日内水平收敛位移较大，最大日收敛位移量达0.48mm，累计收敛为 4.77mm，表明围岩处于加速变形期；第14日到34日周边累计收敛曲线基本趋于平缓，最大日收敛位移仅0.28mm，累计位移仅为2.11mm，表明围岩变形仍在继续，但趋势已经逐渐减弱，开始进入缓慢变形时期，34天内水平收敛位移共计6.88mm；34天以后周边收敛变化趋势多为平稳发展，周边累计收敛曲线基本趋于水平，收敛速率逐渐减小，处于末期收敛阶段，表明围岩变形已逐渐稳定。

当监测到第47天时，拱顶当日收敛速率仅为0.028 mm/d，连续11天小于0.15 mm/d，认为围岩位移达到基本稳定，而且累计收敛值仅7.28 mm，变形较小。

2.2 砂岩泥岩互层交错地层断面监测结果选取K47+840断面的监测数据来研究砂岩泥岩互层交错地层隧道围岩的受力变形情况，就拱顶下沉和周边收敛进行量测分析，监测曲线分别如图3、4所示。

图3K47+840断面拱顶下沉监测曲线图4K47+840断面周边收敛监测曲线图3、4中K47+840断面拱顶下沉量及周边收敛值均比K48+480断面的大，可以看出砂岩泥岩互层交错地层围岩变形比近水平的厚层砂岩地层的变形要大，这是由于砂岩与泥岩互层之间软弱夹层较多，层与层之间结合性差，容易分离脱落，所以砂岩泥岩互层交错地层围岩比近水平的厚层砂岩地层围岩不稳定，且拱顶处围岩的变形较周边围岩变形大。

2.3 薄层泥岩地层断面监测结果选取K47+660断面的监测数据来研究薄层泥岩地层隧道围岩的受力变形情况，就拱顶下沉和周边收敛进行量测分析，监测曲线分别如图5、6所示。

图5K47+660断面拱顶下沉监测曲线图6K47+660断面周边收敛监测曲线对比K48+480断面，发现K47+660断面拱顶下沉量及周边收敛值均较大，近K48+480断面的两倍，说明薄层泥岩地层的变形较近水平的厚层砂岩地层的变形要大，围岩较之不稳定，且拱顶处围岩的变形比周边围岩变形大。

3 各种地层围岩变坏特征根据上述监控量测数据的分析，本文针对三种典型水平岩层中隧道围岩的破坏特征进行的研究。

3.1近水平的厚层砂岩地层在狮子凹隧道K48+073～K48+565段地层为三叠系二马营组砂岩，中风化，细粒结构，层理构造，此段岩层大多属于50cm以上的厚层，局部层间有少量充填物，岩体相对较完整，图7为厚层砂岩掌子面围岩情况。

图7厚层砂岩掌子面图8拱顶呈门框型破坏根据图1、2断面K48+480拱顶下沉与周边收敛监测曲线可知，对于近水平的厚层砂岩地层，拱顶与周边的变形都比较小，这种围岩整体稳定性较好，一般不会出现大的地质灾害，只是局部会有一些掉块。

相对来说，拱顶处围岩的变形较周边围岩变形大些，因此首先在拱顶发生破坏的可能性较大。

如果在含有软弱夹层的地段，尤其夹层出现在拱顶附近时，若爆破之后支护不及时，隧道围岩岩体在自重作用下拱顶将可能成大块或大面积坠落，而呈门框型破坏（如图8所示）。

3.2砂岩泥岩互层交错地层狮子凹隧道K47+782～K48+073段地层为三叠系二马营组砂岩泥岩互层，砂岩为青灰色，中风化，细粒结构，层理构造，泥岩为紫红色，中风化，泥质结构，节理裂隙发育，层间结合差，自稳能力一般。

此段围岩层厚大约在20cm～50cm之间，由于其形成的历史原因，砂岩与泥岩层间夹杂物较多，夹层较软弱。

图9为一砂岩泥岩互层掌子面围岩情况，其中中部约30cm厚为泥岩，上下两层均为砂岩，且泥岩砂岩之间夹层较明显。

图9砂岩泥岩互层掌子面图10拱顶呈台阶型破坏图3、4中K47+840断面拱顶下沉量及周边收敛值均比K48+480断面的大，可以看出砂岩泥岩互层交错地层围岩变形比近水平的厚层砂岩地层的变形要大，且拱顶及拱腰处围岩的变形较边墙围岩变形大。

由于砂岩与泥岩层间软弱夹层较多，层与层之间没有结合性，各层分界形似存在，实际已无连接能力，容易分离脱落，在那些呈竖向或斜向节理裂隙的切割作用下，隧道一经开挖即形成塌顶及形成台阶型破坏，开挖轮廓难以形成（如图10所示）。

另外由于地下水的存在使软弱夹层液化，岩体沿结构面的抗剪强度减弱，抗滑稳定性降低，使层间丧失连接能力产生错动，从而使得围岩的稳定性变得较差。

3.3薄层泥岩地层狮子凹隧道K47+590～K47+708段地层为三叠系二马营组泥岩，薄层构造，紫红色，中风化，泥质结构，层理构造，自稳能力一般。

此段岩层较薄，层厚大多小于10cm，层与层之间存在软弱夹层，图11为一薄层泥岩掌子面围岩情况。

图11薄层泥岩掌子面图12拱顶平板脱落破坏对比图5、6 与图1、2，发现K47+660断面拱顶下沉量及周边收敛值均较大，将近K48+480断面拱顶下沉量及周边收敛值的两倍，说明薄层泥岩地层的变形较近水平的厚层砂岩地层的变形要大，围岩较之不稳定。

从监测结果中还可以看出拱顶处围岩的变形比周边围岩变形要大。

由于泥岩是由粘土脱水胶结而成，以粘土矿物为主，所以其强度较低，而且又因其层理较薄，层与层之间的结合性较差，隧道开挖后容易向临空面挤出，所以拱顶处经常出现大范围的平板脱落现象（如图12、13所示）。

在节理裂隙发育地段，对于薄层泥岩一经开挖即成破碎状态，再加上地下水的影响，很容易出现滑塌现象（如图14所示）。

图13拱顶平板脱落现场情况图14掌子面滑塌现场情况4 结论本文结合现场监控量测数据，归纳出不同地层构造下水平岩层隧道围岩变形破坏特征：（1）近水平的厚层砂岩地层，拱顶会成大块或大面积坠落，而成门框型；（2）砂岩泥岩互层交错地层，由于层间软弱夹层的存在，各层分界形似存在，实际已无连接能力，容易分离脱落，一经开挖即形成塌顶及拱顶呈台阶型破坏，开挖轮廓难以形成；（3）薄层泥岩地层，因其层理较薄，隧道开挖后容易向临空面挤出，拱顶处经常出现大范围的平板脱落现象；而且在节理裂隙发育地段，对于薄层泥岩一经开挖即成破碎状态，再加上地下水的影响，易出现滑塌现象。