渗流引起的隧道地质灾害浅析

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摘要：为了提高隧道结构的稳定性与安全性，降低隧道地质灾害现象的发生概率，对渗流引起的隧道地质灾害展开分析。简述此工程的基本工程地质条件，从渗流发生条件、渗流引起隧道地质灾害的力学机理两个方面，分析渗流引起隧道地质灾害的原因。设定土体渗透系数、隧道结构岩体层渗透系数两个指数，结合两个指数在隧道结构中的关系，提出渗流会引起隧道结构失稳，当载荷作用力大于隧道支护结构可承载的作用力时，支护结构发生偏移，偏移达到一定量后，整体结构便存在对应的坍塌风险。绘制隧道涌水量变化曲线，分析在不同阶段中隧道涌水量的变化趋势，提出在长期渗流作用下，隧道内部结构体系会失衡，最终出现岩体滑坡灾害。

关键词：隧道地质灾害；渗透系数；力学机理

隧道施工与隧道建设现场存在较多的安全隐患，这些隐患是诱发隧道地质灾害的主要原因。渗流是诱发隧道地质灾害的主要原因之一，也是一种在隧道中较为常见的地质现象。在大部分隧道工程现场，发生渗流现象的路段为含水层较高的路段，尤其在此区段进行施工时，人为在此区段对原有环境进行干预，此种行为会造成原有的地下水或含水层渗流条件发生改变，甚至会在一定程度上影响地下水出水位置，诱发涌水量突增现象，而针对这一问题，倘若没有及时采取有效措施对其进行控制或治理，会造成严重的隧道地质灾害[1]。

1隧道基本工程地质条件分析

本文研究的隧道工程处于荥阳市，隧道进口段为浅埋段，对应的埋深在10.0m~20.0m，其中最近线口的起始里程为K135+980，在K132+026~K132+080段范围内，覆盖1个鱼塘，此鱼塘在隧道工程中的跨轴线长度为31.0m，鱼塘水深在1.80m~2.30m（排除淤泥厚度），对应隧道区段的埋深在3.0m~5.0m。地区段为浅丘顺层斜坡，在地层中的坡度在9.0°~15.0°，其中背斜区域呈现狭长状态，整体结构较为紧凑[2]。该地区具有较为茂密的植被环境，赋存的地表水较为丰富，但其表层残破位置受到石粉质粘土堆积，经过长年堆积后形成了1个厚度在1.0m~1.8m的缓度斜坡与4.6m~6.0m的凹地斜坡，斜坡中含有水田。其中下伏层中含有大量的砂质泥岩，在饱和条件下泥岩的抗压强度在5.0MPa~23.0MPa，属于软岩类型，裂缝整体发育较为良好，对应的岩体节理数量为25.0条/m3~42.0条/m3，完整指数在0.13~0.38，由此可见，整体结构的完整性较差。对应的结构围岩产状为286.0°∠56.0°，经过技术人员对现场的勘查后发现两组主要节理产状，分别为189.0°∠35.0°，215.0°∠46.0°，2条节理呈现共轭“X”状，对应的间距在35.0cm~55.0cm。

2渗流引起隧道地质灾害的原因

2.1渗流发生的条件

尽管工程施工方已在作业过程中加大了对隧道渗流现象的宏观调控，但由于施工方对渗流发生条件的认知存在偏差，导致工程方无法有效避免由于渗流造成的隧道地质灾害[3]。为了实现对此类问题的有效规避，下文将对隧道中的渗流发生条件进行详细分析。通常情况下，渗流现象对应的发生条件为隧道外水位差值达到一定量后，隧道围岩中将形成一个完善的渗水通道。当此现象达到一定条件后，隧道衬砌中也将出现对应的渗流通道，一旦2个通道在隧道内呈现打通状态，隧道工程将发生渗流现象。

2.2渗流引起隧道地质灾害的力学机理

隧道结构岩体的力学性能受到多方因素的影响，包括水体的赋存状态、岩体的物理与化学性能、岩层完整度等。例如，部分构成隧道结构的岩体会在遇水后发生溶解，溶解后产生胶状物质，在此种条件下，岩体结构将呈现一种软化趋势，当支撑结构发生松软现象时，岩层的承载力与强度将显著降低[4]。造成岩体承载力与强度降低的因素还包括水流对岩层的长年冲刷导致其表层光滑、变形或遭到直接损坏等。当隧道岩体结构由于此方面因素呈现异常时，会在一定程度上使地下水出水点发生改变，一旦出现此种现象，地下水在隧道内的涌出量将发生改变。随之带动岩体结构、岩层强度改变，此种问题只会造成围岩结构恶化，甚至使其原有结构失去动态平衡能力，当这一变化趋势超出结构预设能力后，便会诱发隧道地质灾害现象的发生。

3渗流引起的隧道地质灾害

3.1隧道结构失稳造成的支护坍塌

可通过对比隧道中的衬砌结构与土体结构的渗透系数，进行其渗流性能的综合分析。在此过程中，定义K1为隧道结构中的土体渗透系数，定义K2为隧道结构岩体层渗透系数，对比K1与K2，得出隧道渗流现象发生时的3种情况[5]。第1种情况为K1值无限趋近于0时，隧道结构的衬砌位置将实现对水头流量的完全消耗，可以认为在此种条件下，隧道围岩结构不发生水头损失（其中水头损失是指当隧道围岩结构中水排放量=0时，混凝土砌体外部的水压=结构全水压，倘若在此种条件下按照“全堵”的方案进行结构施工，对应的砌体结构水压总量便等于全水头的水压总量）。第2种情况为K1与K2值相同，即K1=K2。在此种条件下，隧道结构中的衬砌结构与围岩结构同时承担由于上层传递的水压力，两者受到的承载力基本相同，尽管此种分摊压力的行为可在一定程度上实现对灾害的规避或缓解由于结构失稳造成的支护坍塌现象。但当下层地下水涌出量超出预设范围时，或当两者承载水压力的衬砌结构与围岩结构中的某1个结构所经受的承载力超出预设范围内，其中1个结构将发生失稳现象，而此时K1与K2的关系将出现不对等现象，即K1≤K2，无论上述提出的任意1种条件，均会使未发生失稳的另一结构承载突发性压力，当压力超出某种预设值后，隧道结构出现失稳，支护结构出现坍塌或偏移风险。第3种情况为K1>K2条件，可将此种条件定义为隧道完全排水条件，即隧道中支护结构与对应的围岩结构，与水压力的接触面为0，即对应的隧道结构在发生渗流时不受力，针对此种现象，可采用“完全排水”的方式，对隧道地质灾害进行控制。此时，隧道中衬砌结构仅需要承载由地层对其传递的围岩压力即可，但在此过程中考虑到隧道地质内存在渗流，而渗流现象的发生势必会产生一定的渗流作用力，在此种作用力的长期影响下，隧道围岩结构会发生形变，并在地层相互作用下发生转移，转移后的作用力将作用到隧道支护结构上，承载力会受到地层排水的影响，持续增加载荷，当载荷作用力>隧道支护结构可承载的作用力时，支护结构发生偏移，偏移达到一定量后，隧道结构发生失稳，整体结构便存在对应的坍塌风险。

3.2渗流引起隧道内部结构体系失衡与岩体滑坡

除上述提出的隧道支护坍塌灾害，在长期渗流作用下，隧道还会由于渗流引起内部结构体系失衡与岩体滑坡灾害。为了进一步分析此种灾害的发生机理，需要在开展相关研究工作前，对隧道涌水量变化趋势进行分析，掌握隧道在不同阶段的涌水量与涌水变化趋势，为后续研究提供参考。将分析得到的相关数据进行整理，整理后绘制对应的隧道涌水量变化曲线，如图1所示。图1中：q0为初期涌水量，m2·d-1；q1为中期涌水量，m2·d-1；q2为最高涌水量，m2·d-1；t0-t1为涌水阶段；t1-t2为递减涌水，t2之后表示经常涌水阶段。图1所示曲线描述了隧道含水层中涌水阶段变化特性，在隧道工程实施阶段，大部分渗流涌水以静态储存的方式赋存（此种情况下，可以采用“以排为主”的隧道处理方式进行涌水的抑制）。随着隧道工程实施的深入，即隧道开挖工程的持续落实，隧道涌水量呈现一种衰减趋势，进入递减涌水阶段。当涌水达到一定量后，涌水行为趋近于平稳，最后由隧道“涌水”转变为隧道“滴水”（此种情况下，可以采用“以堵为主”的隧道处理方式进行涌水的抑制）。当涌水行为达到t2阶段后，涌水量趋近于稳定，但考虑到不同类型的隧道结构存在差异，因此，即便在t2阶段涌水量接近一个稳定数值，但其具体的涌出量也是随着工程的实际情况与隧道所处地理位置不同而存在差异的。当工程规模较大，或在工程实施过程中，遇到不良地质结构层时（包括高地应力、古道河、瓦斯等），隧道结构受到最显著的影响是隧道内部结构体系失衡，即持续渗水量发生时长达到一定界限或条件时，渗流变化可干预隧道内部结构体系的稳定赋存，因此，需要采取有效的措施，对隧道内部结构体系中渗流量的变化进行实时监测，掌握渗流量的变化曲线，以此种方式，及时了解由于渗流引起的隧道地质结构变化，降低由于渗流现象造成的隧道地质灾害现象发生概率。

4结论和建议

隧道地质灾害现象的发生主要是通过围岩结构的渗透性综合决定的，当岩体的渗透系数过大、岩体结构之间的裂缝达到满足渗流比例时，便会不可避免地发生渗流现象。而隧道结构中的围岩是一种不可规避的裂缝与不规则结构，岩体中的裂缝与渗透具有一定的异向特点，即每一组岩体的裂缝均具有较为明确的赋存方向，但各个裂缝又具有相向性，因此，有理由认为此种岩体结构类型是造成内部结构体系失衡与岩体滑坡的主要原因。通过分析，提出如下建议：第一，在后续的隧道工程中，结合工程特点与工程规模，按照标准化的施工流程，进行隧道结构数据的获取；第二，通过集中分析数据的方式，进行隧道结构数据的管理，并在此基础上，做好对数据的评估，当数据存在异常时，需要即刻停止工程，并采取有效的措施，进行隧道工程质量的宏观调控；第三，当涌水量较大时，在不影响隧道运行的情况下，可以将涌出的山水再利用，避免水量增多带来地质灾害问题。

作者:尹玉霞 单位:郑州理工职业学院建筑工程学院