强风化砂岩隧道围岩变形机制及安全措施研究

强风化砂岩隧道围岩变形机制及安全措施研究

李杰付明固郭四海王瑞国张加富

云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 678400

摘要：随着近年来基础设施建设的迅速发展，隧道工程在复杂地质条件下的施工逐渐增多，强风化砂岩由于其独特的地质成因和物理特性，表现出与普通砂岩不同的围岩变形特性，裂隙发展、矿物风化及水化作用导致的强度降低等变形特性，为隧道施工带来了极大的挑战。因此，深入研究其变形机制，对于制定合理的施工和支护策略，以确保隧道的稳定和安全至关重要。与此同时，伴随着技术的进步和实践的积累，包括高精度的地质勘探、先进的支护技术及实时的围岩监测系统在内的一系列措施，不仅能够为当下的隧道施工提供有力的支撑，也为未来更为复杂地质环境下的隧道工程积累了宝贵经验。

关键词：强风化砂岩；隧道围岩变形机制；安全措施研究

隧道工程在强风化砂岩地区施工面临极大挑战，因为此类砂岩展现出复杂的围岩变形特征。深入研究强风化砂岩的围岩变形机制不仅可以为工程师提供更准确的地质预测和风险评估，还能够为隧道设计和施工制定更为合理和有效的技术策略。此外，基于对变形机制的理解而制定的安全措施，如特定的支护技术和实时监测系统，能大幅提高隧道的施工效率与安全性。总体上，这些研究对于保障公众安全、减少经济损失和推动土木工程技术的发展都具有深远的价值。

一、强风化砂岩的围岩变形机制

（一）应力-应变关系

强风化砂岩在受到外部应力时，其应变响应与未风化的砂岩存在显著差异。风化过程导致矿物组成和结构变化，进而影响其弹性模量和泊松比。相比于原生砂岩，强风化砂岩往往显示出较低的抗压强度和较高的应变能力[1]。其非线性应力-应变行为更为明显，表明在受到相同的外部应力时，其变形与损伤的概率更高。

（二）风化作用下的物理及力学性质变化

水化和风化是强风化砂岩围岩变形的关键因素。水的浸润可以导致砂岩颗粒间的结合力减弱，增加其孔隙率，从而导致强度和刚度的降低。同时，风化作用导致的矿物质溶出也会进一步削弱砂岩的结构。在此基础上，强风化砂岩的抗剪强度、抗压强度和其他重要的力学性质都可能大幅度降低。

（三）岩体裂隙发展及传播

在风化过程中，强风化砂岩中的微裂隙往往会扩展和连接，形成裂隙网络。这些裂隙的存在不仅增加了砂岩的渗透性，而且明显地降低了其整体的力学性质[2]。当外部应力作用于这样的砂岩上时，裂隙更易于扩展和传播，尤其是在水的助力下。裂隙的传播路径往往受其初始裂隙分布和取向的影响。

（四）宏观失稳机制

在强风化砂岩中，由于其内部的裂隙发展及与水化、风化作用相互影响，导致其在宏观上易于出现失稳现象。这种失稳可以表现为滑移、塌陷或倾斜等形式。强风化砂岩的失稳机制与其内部的裂隙结构、风化程度以及外部应力条件紧密相关。

（五）微观破坏分析

从微观角度看，风化导致的矿物质溶出和结构变化会影响强风化砂岩的颗粒间接触，这些颗粒间的接触点更易受到损伤，导致颗粒断裂或移位。此外，颗粒间的摩擦力也会受到风化作用的影响，这些微观破坏对宏观的围岩稳定性产生直接影响。

二、影响强风化砂岩隧道围岩变形的因素

（一）外部荷载

地下工程中，诸如地应力、水压等外部荷载对围岩变形具有决定性的影响。地应力，作为自然状态下地壳的内部应力，会根据其方向和大小对隧道围岩产生变形。特别是在强风化砂岩中，地应力可能引起的应变会比较复杂，这是由于风化过程改变了砂岩的原始力学性质[3]。而水压，尤其是地下水的存在，会加速风化砂岩的饱和，降低其抗剪强度，从而进一步增强围岩的变形趋势。地下水也可能通过裂隙和孔隙进入，引起围岩的液化或膨胀，对隧道稳定性构成潜在威胁。

（二）内部因素

强风化砂岩的内部因素对围岩变形起到了基础性的作用，其内部的岩石结构，尤其是裂隙、夹层和孔隙的分布，直接决定了砂岩对外部应力的响应方式。而矿物的种类和含量，以及与之相关的风化程度，都会对砂岩的力学性质和持久性造成影响。例如，某些易风化的矿物含量较高的砂岩可能更容易受到外部因素的作用，从而导致更大的变形。

（三）构造背景

断层、褶皱和其他构造特征可能成为强风化砂岩变形的集中区，因为它们通常是岩石应力集中的位置，断层带的存在可能导致地应力的再分布，而褶皱会增加局部的地应力。此外，这些构造特征也可能改变围岩的水文地质条件，使地下水的流动和压力分布更为复杂，从而加剧风化砂岩的变形。

（四）施工方法

传统的隧道开掘方法可能会导致地应力重新分布，引起围岩的不稳定。而新型的盾构隧道施工方法，虽然减少了对围岩的干扰，但仍然可能在某些情况下引起围岩的变形[4]。施工过程中，如何合理地支护和固定围岩，以及如何有效地排水和降低水压，都对围岩变形有着至关重要的影响。对强风化砂岩的特点和性质有深入了解，并根据其特点选择合适的施工方法，是确保隧道稳定性的关键。

三、针对强风化砂岩隧道围岩变形机制的安全措施

（一）了解与预测围岩变形的基本机制

为了确保强风化砂岩隧道的安全性，首先必须深入理解和预测围岩变形的基本机制。利用地质雷达、地电阻率探测等高精度地质勘探技术，就可以对隧道线路进行详尽的地质评估，识别风化的程度和深度，定位裂隙、夹层和其他结构面的位置和走向。对此类信息的系统分析，结合有限元、有限差分等数值模拟方法，就能够有效预测隧道在施工和运营期间可能出现的围岩变形趋势和模式。

除此之外，对砂岩中的矿物组成和含量进行实验室分析，也能够揭示其对风化和水化作用的敏感性，有助于预测砂岩在特定环境条件下的长期性能和稳定性。不同的岩石样本可以在实验室中进行三轴压缩试验、饱和试验和风化模拟，以获取关于其力学性质和持久性的数据，这些数据结合地质勘探和数值模拟的结果，可以为隧道施工和维护提供宝贵的参考[5]。

（二）制定综合性的支护与加固措施

基于对围岩变形机制的深入了解和预测，随后的步骤是制定综合性的支护和加固措施。在强风化砂岩隧道中，传统的锚喷支护方法可能不足以应对大规模的变形和失稳现象，因而预应力锚杆、混凝土喷射加固、地下水抽排等新型方法也会更加有效。在施工初期，根据实时的监测数据调整支护参数和模式是至关重要的。例如，当监测到围岩变形速率超过预期时，可以加大锚杆的密度，或增加预应力的大小，以增强围岩的稳定性。另外，利用喷射混凝土或化学注浆技术，可以填充和封闭围岩中的裂隙和孔隙，从而降低地下水的入渗速率，增强砂岩的结构完整性。

（三）建立完善的监测与应急响应机制

尽管进行了深入的地质评估和采取了综合性的支护措施，但强风化砂岩隧道的围岩变形仍然可能发生。因此，建立完善的监测系统至关重要，利用诸如位移计、应变计和地下水压力计等先进的监测设备，可以实时监测围岩的变形、裂隙的扩展和地下水的动态变化[6]。同时，这些数据不仅可以为隧道施工和运营提供实时反馈，还可以为隧道的长期维护提供参考。

当监测到异常的变形或其他危险信号时，应立即启动应急响应机制。根据预先制定的应急计划，可以迅速采取增加支护、进行地下水抽排或临时封闭隧道等措施，以确保隧道和周边环境的安全。此外，定期对隧道进行检查和维护，确保监测系统的正常运行，也是确保隧道安全的重要环节。

结束语：

深入分析强风化砂岩的围岩变形特性及其成因，并结合现代技术手段的运用，就能够为隧道工程的安全与稳定奠定基础，实时围岩监测系统、高精度地质勘探以及先进支护技术将在隧道施工中起到关键作用。我们坚信，通过不断的技术创新和实践积累，就能够更加精准地掌握围岩变形的本质，进而为我国在更为复杂地质条件下的隧道施工积累宝贵的经验，并为未来的研究和实践提供坚实的基础。

参考文献：

[1]王富喜.甘肃地区黄土隧道围岩变形特征分析[J].地下水,2023,45(2):142-144.

[2]吴明.降雨入渗对黄土隧道围岩变形影响研究[J].陕西水利,2023(4):104-106.

[3]宋丹.冻融循环作用下隧道围岩变形规律研究[J].资源信息与工程,2023,38(1):80-84.

[4]杜润泽, 姜志伟.基于NARNN方法的某隧道围岩变形预测[J].低温建筑技术,2022,44(5):115-118,128.

[5]马佳.公路隧道围岩变形机理与支护结构受力分析[J].市政技术,2023,41(6):144-149.

[6]张明良.穿越断层带的某高速公路隧道围岩变形特征研究[J].西部交通科技,2023(2):156-159.