1. 引言
砂泥岩互层地质结构集中分布于黄土高原地区、华北平原、四川盆地、西南地区等地。在降雨条件下这种地层围岩力学参数容易劣化，主要表现为抗剪强度减小、孔隙水压升高等，对工程安全、稳定的进行造成巨大影响。文章研究隧道地质条件为砂岩泥岩互层结构，经历济源市“7·20”大暴雨后，隧洞出现了塌方冒顶事故，对其失稳过程及其机制进行深入研究，对类似工程设计施工具有重要参考意义。
隧道围岩塌方一般指在外力作用下隧道围岩难以承载，掌子面处塌方掉块，甚至出现冒顶的现象。唐唯[1]研究了穿越断层带的引水隧洞的塌方机理，并提出超前小导管注浆的治理措施。吴发名等[2]针对水电站地下洞室多次塌方展开研究，采取多种措施联合支护，很大程度上确保了隧洞安全高效贯通。李卓[3]对叶巴滩水电站尾水隧洞塌方段展开研究，提出确保未坍塌段的支护，在尽可能避免危害扩大的同时进行治理。王应保等[4]分析了左江治旱驮英水库及灌区工程驮楼–广沙隧洞在开挖过程中出现的塌方问题，将塌方的主要原因归结为复杂地质条件下的岩层破碎带和支护不足，并据此提出了综合支护技术方案。陶云平[5]分析了软弱围岩隧洞变形破坏机制，并提出了相应处治措施。田均兵等[6]通过构建隧道塌方风险评估模型，并将其影响因子分为四类，通过分析比较得到了一个相对可靠的总功效系数。王洪建等[7]通过不同的巷道物理模型，重现了巷道的破坏过程。李冬冬等[8]采用PFC-FLAC (fast Lagrangian analysis of continuum)离散–连续耦合分析方法对隧道开挖与锚杆支护进行模拟，为类似工程的支护提供了一定参考。安学旭等[9]研究了复杂应力场中圆形隧洞偏应力场分布规律，基于数值模拟提出了隧道开挖面的失稳判据，其中位移云图、塑性变化区和最大主应力云图均为判断破坏区域的重要手段。现有研究主要通过室内模型试验以及数值模拟对隧洞破坏过程和破坏机制进行了分析，但关于隧洞塌方冒顶的相关研究还不够深入。
关于不同含水率下岩石的力学特性变化，也有一众学者对其展开研究。LIU X R等[10]通过PFC2D建立模型，对泥质砂岩在干湿循环作用下的变形破坏过程展开，将水分作用对岩石结构的影响作为研究重点。牟辉疆等[11]通过不同实验展开研究了软岩雨水劣化对围岩强度的影响。此外，研究人员从微观角度分析了水分对岩石微观结构和力学性能的影响机制。赵化蒙[12]建立复合力学模型，验证了岩石膨胀变形的产生与其吸水特性具有密不可分的联系。王灵国[13]研究了缓倾层状千枚岩围岩遇水软化后隧洞围岩的力学特征，探究了一种力学劣化模型。
总体而言，现有研究在隧洞塌方问题以及水对岩体物理力学性能的影响规律方面取得了显著成果。然而，关于强降雨条件下缓倾砂泥岩互层隧洞塌方过程与失稳机制的研究较少。文章将实际工况和数值模拟相结合，辅以室内试验，考虑多种影响因素探究了工程区缓倾层状围岩在强降雨条件下的失稳过程及机制。以小浪底北岸灌区某隧洞塌方事件为依托，借助现场调查明确隧洞塌方冒顶的规模、形态以及破坏演化进程。同时，通过干湿循环试验探究砂泥岩力学参数的劣化规律。此外，利用数值模拟分析天然工况、强降雨工况以及强降雨加支护工况下隧洞围岩的变形状况与塑性区情况，揭示强降雨条件下砂泥岩互层隧洞冒顶失稳的机制，并给出合理的开挖支护建议。
2. 工程概况
工程区隧洞位于小浪底北岸灌区，位于河南省黄河北岸，工程区涉及多个市区，属于大(2)型灌区。主要建设内容为新建或改建渠道32条，长达325.24 km；其中总干渠全长22.4 km，新建隧洞12条。
工程区隧洞围岩主要为较软的砂岩、泥岩和页岩等。岩层结构较为软弱，孔隙较多且胶结作用不完善，容易受到构造面切割以及风化的影响。此外，可能还存在富含膨胀性粘土矿物的岩层。事故隧洞围岩较为破碎、强度偏低、节理裂隙发育明显、稳定性欠佳。再加上地下水的作用，使得隧洞的掘进和支护难度大幅增加。在“7·20”强降雨影响下，隧洞围岩出现了大范围塌方冒顶，隧洞内发生涌水、涌土，延误工期并造成极大的经济损失。
现场钻探显示，工程区隧洞塌方部位上覆三种粉质黄土。下部岩层呈砂岩泥岩互层，并伴有泥岩透镜体，岩体级别为V级。隧洞为马蹄形洞型，走向近东南向，岩层产状为40∠27˚，净宽为3.8 m，直墙高4 m，圆拱半径为1.8 m、中心角150°，净高5.2 m，采用短台阶法进行开挖。洞顶设置有排距3 m的排水孔，呈梅花形布置。初期支护采用喷锚支护 + 钢筋网 + 钢拱架联合支护，选用长度2 m、直径为50 mm锚杆呈梅花型布置；并喷射C20混凝土面层，厚度为150 mm；钢筋直径为6 mm，间距为200 mm。钢拱架布置间距1 m。
3. 隧洞围岩失稳演化过程
2021年6月中旬，工程区进入雨季，连续降雨且雨量较大，更是经历了“7·20”特大暴雨。监测显示该区域降雨量是往年平均降雨量的2.6倍。引起地下水抬升并诱发了塌方冒顶事故，虽经多次处理，塌方仍多次出现。根据现场状况，工程区隧洞围岩失稳演化过程如图1所示，主要为以下四个步骤：
(1) 2021年6月28日，9:05时掌子面处不断缓慢涌出泥浆，12:50掌子面顶拱处有土块掉落，且涌水量变大，主要出水点在隧洞左下侧、拱顶附近及隧洞右上侧，其中以隧洞左下侧出水量最大，靠近掌子面左侧钢拱架已经空包，掌子面其他地方主要为渗水，涌水量未能具体测量，用两台3000 W污水泵不间断抽取基本持平。
(2) 2021年6月28日下午，对洞内涌土进行清理，掌子面采用工字钢及竹笆板封堵，人员及设备撤出隧洞。
(3) 2021年6月29日，封堵不久的构筑物被挤压破毁，洞内传来明显轰隆声，地表出现塌方下陷，之后造成隧洞掌子面近20 m范围的涌土，塌方量约为500 m3。塌方来源主要为掌子面两侧偏上部位围岩、及拱顶与原喷注水泥土之间的黄土，同时伴有少量砂岩、泥岩块体，黄土泥浆较稀，铺满隧洞底部约5 cm。现场采取了塌坑下水泵抽排水、地表降水井施工、安全防护栏杆反复外移、洞内增设水泵等措施。
(4) 2021年7月17~23日，工程区持续遭遇强降雨，受此次强降雨影响，工程区周边大中型水库超汛限水位，蟒河、沁河等河流均已达到下泄流量峰值。工程范围内实测累计降雨量295~451 mm。后续对隧洞内涌土进行清理，清理至掌子面。在清理过程中，伴随洞内水流和持续涌土，洞顶塌坑范围不断扩大。塌方来源主要包括泥岩和砂岩块体，并伴随有大量黄土泥浆及少量泥岩泥浆。2021年10月份出现冒顶的位置，塌坑规模由原来的直径10 m左右扩展到现在的30 m左右，塌坑处地表距隧洞拱顶约21 m。之后在塌坑洞顶上部设置钢格栅封闭、浇筑混凝土以及降排水措施，回填洞内空腔。待后续施工稳定后，塌坑开始回填。
Figure 1. Evolution process of tunnel surrounding rock instability
图1. 隧洞围岩失稳演化过程
4. 隧洞围岩失稳形成机制
4.1. 地质分析
工程区岩层产状为40∠27˚，上覆三种类别的黄土，下部岩层为砂岩泥岩互层，V级围岩，且地层中伴有透镜体，该处隧洞走向近东南向。根据剖面图可以推断，在隧洞冒顶位置，拱顶处泥岩层居多，且该处伴随多层泥岩砂岩互层。距离冒顶位置向前推进约20 m，隧洞整体位于泥岩层，继续向前掘进将开挖至泥岩透镜体。
工程区为砂岩泥岩互层的V级围岩条件，其层理构造及岩性不均匀性可能导致围岩的不稳定性。这种特殊地质条件下，岩层之间的断裂面和岩性变化使得隧洞工程的围岩更容易受到外部影响，增加了其变形和破坏的风险。
4.2. 强降雨影响分析
现场勘测得到工程区砂岩、泥岩的物理力学参数参见表1。
Table 1. Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock in the engineering area
表1. 工程区隧洞围岩物理力学参数
|
体积模量/GPa |
剪切模量/GPa |
粘聚力/kPa |
内摩擦角/(˚) |
砂岩 |
1.2 |
0.47 |
150 |
32 |
泥岩 |
1 |
0.27 |
100 |
25 |
对现场采集的岩样制样后进行干湿循环试验，因泥质砂岩浸水易崩解，选择采用薄热缩膜扎孔包裹。先在烘干12小时后静置1小时，再浸水48小时，取出试样后又烘干12小时，此为一次干湿循环。设计循环次数为0到20呈等差数列，设计五组。过程中确保浸水和烘干时间一致，单轴压缩试验前将烘干岩样存于干燥箱备用。对不同循环次数的岩样进行单轴压缩试验，加载为轴向位移控制，速率0.1 mm/min，得到不同干湿循环次数下泥质砂岩的峰值应力，如图2所示。
Figure 2. Number of dry-wet cycles and peak stress of argillaceous sandstone
图2. 泥质砂岩干湿循环试验次数与峰值应力
根据实验数据计算可知，泥质砂岩饱水后粘聚力降低45%~75%，内摩擦角减小12˚左右，弹性模量约减小至原来的36%。基于此得到降雨劣化后岩土体物理力学参数。
4.3. 模拟结果分析
4.3.1. 模型建立
所建立数值分析模型，研究范围为隧洞3倍的宽度和高度，选用平行粘结模型，底部底板施加水平向和竖向位移约束，顶部不施加边界条件，但是施加竖向荷载用以模拟原始地层黄土配重。
Figure 3. Numerical calculation model
图3. 数值计算模型
本研究以小浪底北岸灌区某隧洞为研究对象，利用PFC 2D对该水工隧洞建立数值分析模型，数值计算模型如图3，模型长 × 宽为60 × 60 m，隧洞宽 × 高为4.2 × 6 m。模拟所用参数见表2。考虑了砂、泥岩互层的特性，上覆黄土用配重来表示，采用均布荷载施加。研究了三种工况，分别为天然工况、降雨工况以及降雨加支护工况。
Table 2. Physical and mechanical parameters of the surrounding rock used in the numerical simulation
表2. 数值模拟所用围岩物理力学参数
|
pb_emod (MPa) |
Krat |
pb_ten (MPa) |
pb_coh (MPa) |
pb_fa |
泥岩 |
82.4 |
4.6 |
0.12 |
0.24 |
26.5 |
砂岩 |
152.7 |
0.9 |
0.78 |
1.44 |
42.3 |
4.3.2. 变形过程分析
对该模型进行模拟，初始工况与施加支护后隧洞围岩始终保持稳定，隧洞模型在降雨工况下变形过程如图4所示。由图可知，隧洞塌方是一个渐进的过程，先是围岩压力超过初期支护结构的承载力，引起支护结构损坏；之后软弱泥岩层先塌落下来，上部砂岩层临空，在重力作用下掉落，充当塌方动力，致使塌方进一步扩大。
Figure 4. Process of tunnel collapse and instability under rainfall conditions
图4. 降雨工况下隧洞塌方失稳过程
工程区隧洞围岩失稳过程为：强降雨引起地下水位抬升，地下水浸润导致围岩参数劣化，随着围岩强度的急剧减弱，隧洞周围的砂泥岩层开始发生局部坍塌。待隧洞拱顶正好开挖至砂岩层，土石块滑动、滚动，形成一些初步的裂缝，并伴随渗水、围岩掉块现象。之后进一步演化形成塌方坑，大量的砂泥岩土从洞口向内部滑动，隧道结构受到破坏，导致更大规模的塌方。
4.3.3. Z方向位移分析
三种工况下隧洞围岩Z方向位移及应力十字架如图5所示。由图可知，天然工况下隧洞围岩保持稳定；降雨工况下，支护结构破坏初期，隧洞围岩仍能保持一定稳定性，待支护结构彻底被破坏，拱顶软弱泥岩层失去约束塌落下来，形成一系列连锁反应，造成隧洞大范围塌方；在降雨工况的前提下，施加更高强度的支护，在开挖过程中支护结构始终保持完整，隧洞稳定性良好，支护效果较佳。
Figure 5. Displacement in the Z direction and stress cross of tunnel surrounding rock under three working conditions
图5. 三种工况下隧洞围岩Z方向位移及应力十字架
4.3.4. 失稳机制分析
一般而言，在天然工况下，隧洞开挖穿过含软弱夹层的围岩，隧洞围岩往往能够保持自我稳定，仅隧道软弱夹层附近围岩有少量的变形，但不至于发生塌方；降雨劣化岩体强度之后，在弱夹层附近产生剪应力集中，加剧岩层滑移趋势，并沿着软弱夹层不断向拱顶围岩扩散，最终形成非对称的塌落拱，并在上部荷载作用下造成大范围塌方。
5. 结论
文章基于小浪底北岸灌区某隧洞工程，采用实验探究与数值模拟相结合的研究方法，对其围岩破坏失稳过程进行分析，通过室内干湿循环试验揭示了强降雨条件下围岩强度劣化规律，之后利用数值模拟分析其位移及塑性区变化，对强降雨条件下隧道围岩失稳机制进行了探究。主要结论如下：
(1) 降雨对隧洞围岩稳定性可能造成巨大影响，强降雨条件下，砂泥岩互层隧洞塌方冒顶主要是降雨抬升地下水位，致使围岩参数劣化引起的。
(2) 水岩作用会破坏岩石分子原有的结构，使其分散、剥落。经室内干湿循环试验，工程区岩体饱水后粘聚力降低45%~75%，内摩擦角减小12˚左右，弹性模量约减小至原来的36%。
强降雨条件下砂泥岩互层隧洞塌方失稳是一个渐进的过程，先是降雨入渗抬高地下水位引起围岩参数劣化，由于强度降低加速了剪切滑动带的形成，致使支护结构破坏，最终导致不稳定土体向隧道掌子面涌入然后在重力作用下软弱泥岩先形成塌落，继而引发大规模塌方。