地下水对隧道围岩的弱化机理分析研究

王自龙

摘 要：西南地区公路隧道的修建往往会穿越地下水丰富的山岭地段，地下水一方面会使隧道软质岩极易软化、风化，强度降低；同时地下水流动的过程中，会使岩体结构面内的夹层软化、冲走节理内的充填物，减少岩块间的摩擦阻力；地下水作用也易诱发隧道掌子面围岩塌方、涌水突泥，更会加剧偏压隧道的偏压现象，严重的破坏了隧道的稳定性。本文通过分析论述隧道地下水对围岩的弱化作用机理，以及进行相应的围岩抗压试验，总结地下水对围岩强度的影响规律，为富水隧道更好的认识地下水的弱化作用提供可能的理论参考。 关键词：地下水；弱化；作用机理；稳定性

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）05-0211-02

引言

在自然界中，普遍存在的地下水和岩土体之间的相互作用紧密，地下水对岩土体的力学性质产生严重影响，造成岩土体的变形、失稳和破坏。在隧道开挖过程中地下水是一个极活跃因素，可以以液态方式运动，也可以以气态方式运动，可以说是无孔不入，防不胜防。目前国内外专家学者普遍认为地下水的存在会对岩石体产生物理、化学和力学作用，这三种作用是不可分割的。地下水对岩体的物理化学和力学作用会导致工程岩体产生破坏，含水量的变化会影响岩石的抗压强度。相关研究发现“干”岩块与“湿”岩块相比，“湿”岩块的极限抗压强度只能达到“干”岩块的60%~85%。邓高岭[1]在石膏质围岩遇水强度软化试验中发现石膏质围岩的弹性模量在受水影响后比干燥状态的岩石弹性模量降低了一定比例；汤连生等[2]发现不同类型的砂岩遇水后岩石的弹性模量出现了不同程度的下降，其中灰色砂岩的弹性模量降低至原有弹性模量的49%；唐春安等[3]对岩体之中的流变效应和湿度扩散进行了研究，认为湿度环境因素的变化是岩体产生流变的一个主要原因，并基于湿度场理论提出了湿度-应力-损伤藕合作用的岩石流变模型。通过以上文献不难发现，地下水对围岩的弱化作用是明显的，但只是宏观上的试验分析，缺乏对围岩中地下水的微观赋存状态及相应的力学研究。

一、水对围岩弱化理论分析

地下水包括自由水和吸附水，自由水是地质体的赋存地质条件，吸附水是地质体的组成部分。吸附水可划分为两种类型，即吸着水和薄膜水，吸附水是在分子吸引力作用下，吸附在矿物颗粒周围的水，分子吸引力的强度，随着颗粒距离增大迅速衰减。因此，水分子距颗粒越近，颗粒吸附得越紧，超过一定距离，水分子受重力吸引作用大于分子吸引力作用时，它就变为不受颗粒吸引力约束的自由水，通过吸附水作用，可以形成矿物颗粒间的联结力或称为黏结力、内聚力。自由水不受矿物颗粒的分子吸引力约束，而在重力作用

收稿日期：2018-01-03

作者简介：王自龙（1991-），男，昆明理工大学 国土资源工程学院。

下可以产生垂直上下运动，能传递静水压力的水，可以自由变形，但不能抵抗剪切。自由水也有两种类型：毛细管水和重力水。由于毛细管引力张拉充填在岩体和土体细小孔隙中的水称为毛细管水，它同时受毛细管力和重力作用，当毛细管力大于重力时，毛细管水就上升，毛细管水能垂直上下移动，能传递静水压力。重力水能在岩体和土体的孔隙和裂隙中运动，它不受分子吸引力影响，能传递静水压力，不抗剪。

水对岩体的物理与化学作用体现在地下水的侵入会使岩石内摩擦角减小，随着含水量的变化，对于岩体结构面中的充填物其物理性状会发生由固态向塑态直至液态的变化，地下水的这种对岩体的弱化效应会使岩体的强度降低；水对岩体的力学作用则相应的体现在动水压力对岩体的冲刷作用及静水压力对岩体的有效应力作用。地下水能够增大作用在不连续面上的剪应力及减小不连续面上的摩擦阻力，导致岩土体沿着不连续面做剪切运动，地下水的润滑作用在力学上的表现就是减小了岩土体的摩擦角。当岩体含水量发生变化时，岩体结构面中充填物的物理性状也会发生相应的变化，表现出由固态向塑态直至液态转变，这体现了岩土体受地下水影响而产生的软化和泥化作用。软化和泥化作用通过减小岩石体的内摩擦角和黏聚力等参数，降低其力学性能。

地下水主要通过连结、溶蚀、水楔、潜蚀以及孔隙压力等作用对岩体的结构与组成成分两方面的改变来削弱岩体的强度。周翠英和乔丽苹等[4-5]对水岩物理化学作用进行了试验研究，研究表明由于岩石与水所包含的化学元素受水岩化学作用影响而重新组合，使得岩石的细微结构发生了变化；魏玉峰[6]认为岩石的力学性质受化学腐蚀影响比较大，在不同的环境条件下化学腐蚀对岩石的影响是不同的，化学溶液其呈强碱性或强酸性时要比呈中性时的腐蚀效应大得多；汤连生[7]指出岩石组成成分以及结构的改变是由于岩石矿物受到来自水溶液分子或离子的作用所引起的，这些作用主要包括溶解、侵蚀以及交换等作用，同时水化学作用对岩体裂隙面

212 中 国 水 运 第18卷 造成很大的影响，降低了岩石内摩擦角及粘聚力，导致岩石的强度降低。刘镇等[8]在岩体结构面受水作用的研究中分析认为水对岩体的作用包含两个方面，即直接作用与间接作用，直接作用来自裂纹的静水压力或动水压力，而水对裂纹面上的剪切强度的损伤则是间接作用；朱珍德[9]采用断裂力学原理推出水压力作用对裂隙岩体初始开裂的强度公式，对大理岩在高水压作用下的变形特性、强度特性以及破坏损伤情况进行了试验研究，研究结果表明，高静水压力扩展了岩体内部的裂隙，使裂隙之间互相连接，导致岩体强度下降。

二、水对围岩弱化试验分析

通过从隧道富水段现场取样岩块，在实验室对比试样在烘干和饱水两种不同状态下的单轴抗压强度、对比利用无侧限岩石单轴压缩变形试验所测得的干湿试样弹性模量岩石物理力学参数可以验证水对岩石的弱化作用。

在实验室加工岩石试件的规格一般分为两种，分别为：长×宽×高=50mm×50mm×100mm以及直径×高=50mm×100mm的圆柱体试件。本次岩石单轴抗压强度试验的试件采用长方体，试件分为烘干和饱水状态两种。此次岩石单轴抗压强度试验操作步骤包括以下几个方面：①试样制备；②试样描述；③试样烘干或饱和处理；④测量试样尺寸；⑤安装试样、加荷载；⑥描述试样破坏后的形态，并记录有关情况；⑦计算岩石的单轴抗压强。

无侧限岩石单轴压缩变形试验是将岩块制成长×宽×高=50mm×50mm×100mm的试样，试验加压用普通材料试验机，配臵光线示波器记录某压力值下的纵向变形与横向应变值，每组样都做烘干和饱和状态下的试验，得到弹性模量和泊松比等变形参数。无侧限岩石单轴压缩变形试验步骤如下：①试样描述和尺寸测量；②试样含水状态处理；③电阻应变片的粘贴及防潮处理；④电阻应变仪调试、点接线和调平衡箱；⑤施加荷载；⑥数据整理。

在进行试验前应按要求的含水状态进行烘干或饱和处理。①烘干试样在105~110℃温度下烘干12h；②饱水试样温度为室温，向盛水器中注水，第一次注至试样高度的1/4记号处以后每隔2h注水一次，分别注至试样高度的1/2、3/4处，直至最后注水到高出试样，浸泡 48h。将试样从盛水器中取走，用湿手巾擦去表面水分。

1．单轴抗压强度

从隧道富水段不同位臵取出岩块制成长×宽×高=50mm×50mm×100mm的试样，如图1所示。抗压强度值用压坏标准试样的峰值载荷求得，分烘干和饱水两种含水量状态进行试验。通过TAW-2000岩石试验机进行单轴抗压试验并测出强度参数如表1所示。

图1 岩样试件

表1 单轴抗压强度测试结果

组别 烘干状态平均抗压强度/MPa

饱水状态平均抗压强度/MPa

第一组岩样 134.752 122.483 第二组岩样 90.984 82.697 第三组岩样

117.298

106.882

2．单轴压缩变形

岩石变形参数经过无侧限岩石单轴压缩变形力学试验后所得到的岩石力学参数见表2所示。

表2 弹性模量测试结果

组别 烘干状态岩石弹性模量（GPa） 饱水状态岩石弹性模量（GPa）

第一组岩样 58.624 53.182 第二组岩样 39.036 32.658 第三组岩样

51.593

43.215

从隧道富水段施工现场取样的岩块，为满足岩样加工和试验的需要，选择裂隙少且相对完整的岩块进行加工处理。通过在实验室对比试件在烘干和饱水两种不同状态下测得岩块单轴抗压强度，从试验数据结果可以发现饱水状态下的岩块比烘干状态下的岩块单轴抗压强度降低了，岩石试件软化系数在0.91左右，这也验证了岩石含水量对其强度影响的结论。在无侧限岩石单轴压缩变形试验中，对比所测得的干湿岩样其岩石物理力学参数，可以发现水的存在一定程度上降低了岩石的弹性模量参数，水对岩石体具有比较明显的弱化作用。因此，隧道富水段的围岩由于本身围岩性质差，裂隙节理发育，地下水丰富，在水与岩石体的相互作用的过程中，岩体的物理力学性能被改变，岩体强度降低，在富水段施工时必须对隧道围岩采取相关加固防排水措施，保证洞体开挖的安全进行。

三、结论

水岩作用使岩石强度下降，岩石的强度会随着含水量增加而降低。岩层渗水不仅将层间的微小颗粒卷走，损坏了岩石原有的完整性，而且渗流水中盐离子会对围岩进行侵蚀，削弱围岩原有的强度，最终使隧道围岩结构稳定性丧失，导致失稳。研究结果表明水的作用通过改变岩体的组分和微结构从而显著影响了岩体的强度和变形特征，微观上的水岩物理化学作用致使宏观上的岩石力学性质发生了显著的变化，降低了岩石的抗压强度、弹性模量、粘聚力及内摩擦角等岩石物理力学参数。

参考文献

[1] 邓高岭.礼让隧道石膏质围岩软化机理及模型研究[D].重

庆：重庆大学，2015.

[2] 汤连生，张鹏程，王洋.水作用下岩体断裂强度探讨[J].

岩石力学与工程学报，2004，23（19）：3337-3341. [3] 唐春安，唐世斌.岩体中的湿度扩散与流变效应分析[J].

岩土力学，2010，27（3），292-298.

[4] 周翠英，彭泽英，尚伟等.论岩土工程中水岩相互作用研

究的焦点问题[J].岩土力学，2002，23（1）：124-128. [5] 乔丽苹，刘建，李鹏.砂岩弹塑性力学特性的水物理化学

作用效应-试验研究与本构模型[J].岩石力学与工程学

报，2009，28（1）：20-29.（下转第223页）

第5期 张海杰等：粉细砂淤泥质滩涂圈围工程龙口合龙要点分析 223 气彻底隔断龙口两侧过水，最终达到龙口合龙的目的。

（2）龙口合龙过程

堤芯抛石合龙过程主要分以下六个阶段：龙口滩面抬高阶段；龙口二次护底阶段；龙口束窄阶段；抛石截流断水阶段；袋装砂包裹闭气阶段；堤身坝体恢复阶段。

图5 龙口合龙纵断面图

图6 龙口合龙横断面图

①龙口滩面抬高

龙口处因预留期较长，起初铺设的软体排护底受潮汐水流长期冲刷反复作用，产生破坏，导致原滩面稳定结构发生变化，龙口宽度由预留的150m扩大到180m，龙口切深7m。如在此状态下直接实施合龙封堵，不仅难度系数高，成本大，而且风险难以控制，考虑本工程为围吹结合作业，围区内侧同步进行吹填陆域施工，具备龙口滩面适宜抬升条件，结合流场数模推演分析，先吹填散沙辅助抬升底部滩面至-3m，此时口门过水最大流速为2.2m/s，水流条件较好，适宜实施龙口合龙施工。

②龙口二次护底

龙口滩面抬升采用粉细砂散吹，对潮汐水流作用同样敏感，在进行正式合龙前，需进行二次护底保滩施工。总结首次软体排护底破坏经验，本次软体排护底选择在抛石截流断水前的第二个小潮汛，以提高铺排效率，缩短空臵时间。二次护底依旧铺设380g复合排，但横向采用单排铺设方式，以保证软体排的整体性，更好地起到防护作用。软体排铺设完成后及时进行袋装碎石压载加固。

③龙口束窄

龙口滩面抬升、二次护底完成后，具备龙口束窄条件，对扩大增宽的龙口断面进行袋装砂束窄，减少后续抛石一次性截流断水长度，提高合龙效率，增大合龙成功率；同时避免块石材料浪费，降低整体合龙成本。龙口宽度束窄采用两侧袋装砂滚袋同步推进方式，在潮水转低平潮开始，依据龙 （上接第212页）

[6] 魏玉峰.新第三系红层石膏岩工程特性及工程应用研究

[D].成都：成都理工大学，2005.

[7] 汤连生.水-岩土反应的力学与环境效应研究[J].岩石力学

与工程学报，2000，19（5）：681-682.

[8] 刘镇，周翠英，朱凤贤等.软岩饱水软化过程微观结构演

化的临界判据[J].岩土力学，2011，（3）：661-666. [9] 朱珍德.地下水对裂隙岩体强度的影响[J].山东科技大学

学报（自然科学版），2000，19（1）：18-20.

口两端坝体立向叠加向中间束窄，直至达到预定抛石截流宽度80m。

④抛石截流断水

抛石截流断水是龙口合龙最为关键的阶段，抛石截流成败直接关系到龙口合龙的成败。现场具备抛石截流条件后，抛石船提前在港区内待命，根据现场水深情况，抛石船于涨潮时进场，高平潮开始对口门进行抛石截流，一次性断水。抛石量根据经验公式测算：

V抛石方量=（a抛石顶宽*2+i抛石坡比*2）*h抛石高度/2*s龙口宽度 抛石顶宽a取经验值1m，抛石坡比i取经验值1.5，抛石高度根据抛石顶高程与滩面平均标高差值计算，其中抛石顶高程取值应超龙口合龙后第一个大潮汛最高潮位0.5m以上，确保抛石断水后高潮不过水。

经测算，本次龙口合龙断水抛石方量约11,590方，此时龙口两侧端部，抛石坝与袋装砂结合位臵，为最薄弱部位，堤坝袋装砂棱体极易受抛石尖角破坏，低平潮时需仔细排查，并进行端部挂袋加固、闭合保护，彻底起到阻断水流的作用。

⑤袋装砂包裹闭气

抛石成功截流断水后，库区内水流趋于平缓，利用4月1日~4月5日小潮汛期间及时对抛石坝棱体进行袋装砂闭气施工，采用袋装砂被覆盖块石表面并保证袋装砂布包裹直至堤脚，为防止块石尖角对包裹袋体刺穿破坏，可采用多层袋装砂被覆盖方式，有效保证隔断内外侧水流。

⑥棱体恢复阶段

抛石棱体断水闭气完成，龙口合龙基本已经成功，但仍需加强巡视、实时监测，重点部位抛石坝与袋装砂结合位臵，防止二次渗透破坏；紧接安排堤芯抛石坝两侧袋体傍宽加高施工，直至恢复设计断面。

七、经验结论

龙口合龙是圈围工程的灵魂所在，是决定工程成败的关键技术，它受到潮汐、水流、风浪、土质、地形、工期进度、封堵材料来源、设备选用、方案可行性等诸多因素影响。借助流场数模推演，选择适宜的合龙施工技术可有效提高一次性封堵合龙成功率，节约整体施工成本，本文通过介绍南通通州湾二港池匡围工程龙口合龙经验，为后续粉细砂淤泥质滩涂条件下，匡围项目龙口封堵提供一定的启示和借鉴。

参考文献

[1] 通州湾港区二港池匡围二期工程施工期动态监测研究阶

段报告[R].上海：中交上海航道勘察设计研究院有限公司，2016.