十堰至天水高速公路磨河村隧道工程地質(zhì)條件分析

王濤，張海林

(山東省地礦工程勘察院，山東濟(jì)南 250014)

高速公路十堰至天水聯(lián)絡(luò)線陜西境鄂陜界至安康第K92+580～K126+621.908段主要位于安康市旬陽縣段河鎮(zhèn)至安康市漢賓區(qū)建民鎮(zhèn)，對促進(jìn)和加強(qiáng)陜西南部地區(qū)交通聯(lián)系和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義(圖1)。磨河村隧道主要位于安康市漢濱區(qū)張灘鎮(zhèn)關(guān)家鄉(xiāng)，該隧道略呈弧型展布，隧道分左、右線設(shè)計，隧道軸線走向約73°，左線隧道長3 909 m，最大埋深約484 m。右線隧道長3 978 m，最大埋深約453 m。隧道勘察過程中，綜合采用了工程地質(zhì)調(diào)查與測繪、工程地質(zhì)鉆探、工程物探、室內(nèi)巖土試驗(yàn)、水文地質(zhì)調(diào)查等勘察手段和方法，查明了隧址區(qū)的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造特征，隧道進(jìn)出洞口段坡體穩(wěn)定性、隧道圍巖的工程地質(zhì)特征及水文地質(zhì)特征、斷層、巖溶等異常帶并確定其發(fā)育位置、規(guī)模等，提出了隧道圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)，對隧址區(qū)的工程地質(zhì)問題進(jìn)行全面評價，在此基礎(chǔ)上提出了隧道設(shè)計和施工中應(yīng)注意的巖土工程問題及處理措施建議①山東省地礦工程勘察院，國家高速公路十堰至天水聯(lián)絡(luò)線陜西境鄂陜界至安康第EA-02合同段K1線磨河村隧道工程地質(zhì)勘察說明書，2008年。［1］。

1 隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

圖1 十堰至天水高速公路聯(lián)絡(luò)線陜西境鄂陜界至安康第K92+580～K126+621.908段位置圖

隧址區(qū)屬中低山地貌，地形起伏較大。隧道范圍內(nèi)中線高程482～996 m，最大高差約514 m。山體自然坡度30°～40°，植被較發(fā)育。進(jìn)、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 水文地質(zhì)條件

擬建隧道走廊內(nèi)沖溝較多，進(jìn)出口溝谷發(fā)育，雨季溝內(nèi)地表水較發(fā)育，可形成短時較大洪流。隧址區(qū)地下水主要存在第四系松散層孔隙潛水和碎屑巖孔隙裂隙水2種類型，其中以孔隙裂隙水為主。

根據(jù)隧道鉆孔中所取水樣水質(zhì)分析，隧址區(qū)地下水 pH 值為8.0，Cl-含量為 5.9 mg/L，SO含量為72.84 mg/L，HCO含量 261.37 mg/L，Mg2+含量24.45 mg/L，總礦化度 446.26 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca，對混凝土無腐蝕性，對鋼筋具弱腐蝕性。

1.3 地層巖性

根據(jù)工程物探、鉆探和地質(zhì)測繪，隧址區(qū)第四系厚度較薄，分布范圍較小，以粉質(zhì)粘土混碎石為主。隧址區(qū)大面積裸漏基巖，巖性主要為志留紀(jì)斑鳩關(guān)組片巖、寒武-奧陶紀(jì)碳硅質(zhì)板巖、片巖、千枚巖等，以軟巖和較軟巖為主。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

根據(jù)調(diào)繪和區(qū)域資料，結(jié)合工程物探，隧址區(qū)內(nèi)未見大的斷裂，存在一些小的破碎帶，對隧道圍巖分級、支護(hù)與襯砌方式、隧道涌水量等均有一定的影響。隧道進(jìn)口附近存在破碎帶，裂隙較發(fā)育，巖體破碎，出露的巖層產(chǎn)狀為15°∠62°，主要發(fā)育有2組節(jié)理:125°∠48°，273°∠73°;隧道出口出露的巖層產(chǎn)狀為21°∠40°，主要發(fā)育有 3 組節(jié)理:133°∠38°，225°∠34°，290°∠83°。節(jié)理局部貫通性較好，裂隙為石英脈、泥質(zhì)等充填。

根據(jù) 1∶400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)和《國家高速公路十堰至天水聯(lián)絡(luò)線陜西境鄂陜界至安康公路工程場地地震安全性評價工作報告》，勘探區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.25 s，對應(yīng)的地震基本烈度為7度。

2 隧址區(qū)工程地質(zhì)特征

2.1 土體工程地質(zhì)特征

根據(jù)調(diào)繪，隧址區(qū)零星分布第四系，厚度小。結(jié)構(gòu)較松散，強(qiáng)度較低，抗沖刷能力較弱，作為隧道洞口仰坡土體，易產(chǎn)生沖刷變形破壞。在雨水浸潤、沖刷作用下、開挖受到擾動后易失穩(wěn)，承載力基本容許值一般小于150 kPa。

2.2 巖體工程地質(zhì)特征

2.2.1 志留紀(jì)斑鳩關(guān)組

強(qiáng)風(fēng)化千枚巖:黃灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖石多呈碎塊狀混粘土狀，易碎，裂隙發(fā)育。承載力基本容許值400～450 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值100～140 kPa。

中風(fēng)化千枚巖:黃灰—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖心多呈碎塊狀，柱狀，裂隙發(fā)育，易碎。承載力基本容許值800 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值190 kPa。

微風(fēng)化千枚巖:黃灰—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖心多呈碎塊狀，柱狀，裂隙發(fā)育。承載力基本容許值1 000～1 200 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值220 kPa。

全風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖體多呈碎片狀混粘土狀，易碎，局部含石英巖脈，呈散體狀。承載力基本容許值260 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值70 kPa。

強(qiáng)風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖體多呈碎塊狀混粘土狀，易碎，裂隙發(fā)育。承載力基本容許值400～450 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值100 ～140 kPa。

中風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖心多呈碎塊狀，中長柱狀，裂隙發(fā)育，易碎，局部含石英巖脈。承載力基本容許值800 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值190～200 kPa。

微風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖心多呈碎塊狀，長柱狀，裂隙發(fā)育。承載力基本容許值1 000～1 200 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值200～220 kPa。

2.2.2 寒武-奧陶系

全風(fēng)化片巖:褐灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖體多呈碎片狀混粘土狀，易碎，局部含石英巖脈，呈散體狀。承載力基本容許值260 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值60 kPa。

強(qiáng)風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖體多呈碎塊狀混粘土狀，易碎，局部含石英巖脈，裂隙發(fā)育。承載力基本容許值400～450 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值100～140 kPa。

中風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖心多呈碎塊狀、中長柱狀，裂隙發(fā)育，易碎，局部含石英巖脈。承載力基本容許值800 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值190 kPa。

微風(fēng)化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖心多呈碎塊狀、長柱狀，裂隙發(fā)育，局部含石英巖脈。承載力基本容許值1 000～1 200 kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值200～220 kPa。

2.3 隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)隧道圍巖結(jié)構(gòu)特征，隧道各級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)見表 1［2］。

表1 磨河村隧道主要設(shè)計參數(shù)建議值

3 隧道穩(wěn)定性評價

隧址區(qū)巖性以千枚巖和片巖為主，屬軟巖和較軟巖，在地質(zhì)測繪基礎(chǔ)上根據(jù)赤平極射投影圖對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價［2］。

3.1 隧道進(jìn)口穩(wěn)定性評價

擬建磨河村隧道進(jìn)口段左線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約 35°，坡向約 90°，隧道左線軸線與地形等高線小角度斜交，巖層產(chǎn)狀15°∠62°;右線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約40°，坡向約90°，隧道右線軸線與地形等高線小角度斜交，巖層產(chǎn)狀 15°∠62°。發(fā)育兩組裂隙，273°∠73°，125°∠48°，洞口主要地層主要為全—微風(fēng)化片巖，發(fā)育破碎帶，巖體松散破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈。

隧道左線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向基本呈垂直相交，巖層傾角大于坡角，邊坡較穩(wěn)定，與兩組結(jié)構(gòu)面傾向相反，結(jié)構(gòu)面形成的楔形體傾角大于45°，屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡?？傮w上隧道左線邊坡屬于較穩(wěn)定邊坡。

隧道右線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向基本呈垂直相交，巖層傾角大于坡角，邊坡較穩(wěn)定，與2組結(jié)構(gòu)面傾向相反，結(jié)構(gòu)面形成的楔形體傾角大于45°，屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡?？傮w上隧道右線邊坡屬于較穩(wěn)定邊坡。

仰坡及兩側(cè)邊坡坡體全、強(qiáng)風(fēng)化巖厚度較大，多呈散體結(jié)構(gòu)或較破碎，自穩(wěn)能力差;邊坡及仰坡開挖時，在無坡面防護(hù)或無超前支護(hù)措施、不恰當(dāng)?shù)谋剖┕?、坡比較陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產(chǎn)生大面積坍塌、碎落。

隧道進(jìn)口端洞口邊坡坡面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系分析見圖2、圖3。

圖2 進(jìn)口左線洞口坡面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系赤平投影圖

圖3 進(jìn)口右線洞口坡面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系赤平投影圖

3.2 隧道出口穩(wěn)定性評價

擬建隧道出口端洞口段左線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約30°，坡向約 210°，隧道軸線與地形等高線近小角度斜交，巖層產(chǎn)狀21°∠40°;右線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約30°，坡向約220°，隧道軸線與地形等高線小角度斜交，巖層產(chǎn)狀21°∠40°。上部地層主要為全—中風(fēng)化片巖，多呈散體狀，受斷裂帶影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極破碎，主要發(fā)育有 3 組節(jié)理:133°∠38°，225°∠34°，290°∠83°。

隧道左線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向相向，呈小角度相交，仰坡屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡;與3組節(jié)理結(jié)構(gòu)面同向，結(jié)構(gòu)面形成的楔形體傾角小于45°，屬于較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡?？傮w上隧道左線邊坡屬于較不穩(wěn)定邊坡。

隧道右線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向相向，呈小角度相交，仰坡屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡;與3組節(jié)理結(jié)構(gòu)面同向，結(jié)構(gòu)面形成的楔形體傾角小于45°，屬于較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)邊坡?？傮w上隧道右線邊坡屬于較不穩(wěn)定邊坡。

仰坡及兩側(cè)邊坡坡體全—強(qiáng)風(fēng)化巖，多呈散體結(jié)構(gòu)或較破碎，自穩(wěn)能力較差;下部地層中風(fēng)化片巖，受斷裂帶影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，自穩(wěn)能力差;邊坡及仰坡開挖時，在無坡面防護(hù)或無超前支護(hù)措施、不恰當(dāng)?shù)谋剖┕ぁ⑵卤容^陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產(chǎn)生坍塌、碎落。

隧道洞口仰坡、邊坡坡面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系分析見圖4、圖5。

圖4 出口左線坡面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系赤平投影圖

3.3 隧道洞身穩(wěn)定性評價

3.3.1 隧道左線洞身

ZK95+412～ZK96+700，ZK98+540～ZK98+780和ZK98+980～ZK99+321段為Ⅴ級圍巖，隧道埋深約0～373 m，該段為Ⅴ級圍巖，巖性主要為全—微風(fēng)化片巖、千枚巖為主，發(fā)育斷裂破碎帶，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體極易破碎，隧道開挖后圍巖自穩(wěn)能力較差，頂部無支護(hù)時易產(chǎn)生大面積坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)。集中降水狀態(tài)下洞室呈點(diǎn)滴狀出水。

ZK96+700～ZK96+980，ZK98+470～ZK98+540和ZK98+780～ZK98+980段為Ⅳ級圍巖，隧道埋深87～202 m，巖性主要為微風(fēng)化片巖，局部微風(fēng)化千枚巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，臨近破碎帶，巖體較破碎。隧道開挖后頂部及側(cè)壁圍巖自穩(wěn)能力較差，無支護(hù)時局部可能產(chǎn)生較大面積坍塌，側(cè)壁易產(chǎn)生掉塊或失穩(wěn)現(xiàn)象。洞室呈潮濕或點(diǎn)滴狀出水。

ZK96+980～ZK98+470段為Ⅲ級圍巖，隧道埋深150～484 m，巖性主要為微—未風(fēng)化片巖，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體稍破碎。隧道開挖后頂部及側(cè)壁圍巖自穩(wěn)能力較差，無支護(hù)時局部可能產(chǎn)生較小面積坍塌，側(cè)壁易產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象。洞室呈潮濕或點(diǎn)滴狀出水。

3.3.2 隧道右線洞身

K95+382～K96+800，K98+530～K98+790和ZK98+980～ZK99+360段為Ⅴ級圍巖，隧道埋深0～370 m，巖性主要為全—微風(fēng)化片巖、千枚巖為主，發(fā)育斷裂破碎帶，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體極破碎，隧道開挖后圍巖自穩(wěn)能力較差，頂部無支護(hù)時易產(chǎn)生大面積坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)。集中降水狀態(tài)下洞室呈點(diǎn)滴狀出水。

K96+800～K96+920，K98+460～K98+530和K98+790～K98+980段為Ⅳ級圍巖，隧道埋深73～182 m，巖性主要為微風(fēng)化片巖，局部微風(fēng)化千枚巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，臨近破碎帶，巖體較破碎。隧道開挖后頂部及側(cè)壁圍巖自穩(wěn)能力較差，無支護(hù)時局部可能產(chǎn)生較大面積坍塌，側(cè)壁易產(chǎn)生掉塊或失穩(wěn)現(xiàn)象。洞室呈潮濕或點(diǎn)滴狀出水。

K96+920～K98+460段為Ⅲ級圍巖，隧道埋深102～453 m，巖性主要為微—未風(fēng)化片巖，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體稍破碎。隧道開挖后頂部及側(cè)壁圍巖自穩(wěn)能力較差，無支護(hù)時局部可能產(chǎn)生較小面積坍塌，側(cè)壁易產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象。洞室呈潮濕或點(diǎn)滴狀出水。

4 隧道涌水量預(yù)測

隧址區(qū)位于陜西安康境內(nèi)，年降水量較大，該隧道屬長隧道，匯水面積大，基巖裂隙較發(fā)育，隧道涌水量預(yù)測準(zhǔn)確與否對隧道的施工和安全運(yùn)行都非常重要。根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049-2004)對隧址區(qū)的正常涌水量和最大涌水量進(jìn)行了估算［3］。

4.1 正常涌水量

(1)根據(jù)降水入滲法預(yù)測隧道正常涌水量

式中:Q為隧道通過含水體地段的正常涌水量(m3/d);α為降水入滲系數(shù)，根據(jù)該區(qū)情況，取α=0.18;W為年降水量，根據(jù)勘察區(qū)情況，取1 100 mm;A為隧道通過含水體地段的集水面積(km2);L為隧道通過含水體地段的長度(km)，左線3.909，右線3.978;B為隧道涌水地段L長度內(nèi)對兩側(cè)的影響寬度(km)，左線取2.7，右線取 2.7。

該隧道預(yù)測正常涌水量左線涌水量5 725.919 m3/d;右線涌水量 5 826.990 m3/d。

(2)根據(jù)裘布依理論式預(yù)測隧道正常涌水量

式中:Qs為隧道正常涌水量(m3/d);K為含水體滲透系數(shù)(m/d)，參照 K線廟溝隧道注水試驗(yàn)取0.015 206m/d;H為洞底以上潛水含水體厚度(m)，左線180.0 m，右線175.0 m;h為洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深(m)，取0.3 m;Ry為隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑(m)，左線288 m，右線280 m;L為隧道通過含水體的長度(m)，左線3 909 m，右線3 978 m;r為洞身橫斷面等價圓半徑，取5.125 m(m)。

該隧道預(yù)測正常涌水量左線Qs=6 808.341 m3/d，右線 Qs=6 739.548 m3/d。

4.2 最大涌水量

根據(jù)古德曼經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測隧道最大涌水量:

式中:Q0為隧道最大涌水量(m3/d);K為含水體滲透系數(shù)(m/d)，參照 K線廟溝隧道注水試驗(yàn)取0.015 206 4 m/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)，左線180.0 m，右線175.0 m;d為洞身橫斷面等價圓直徑(m)，取10.25m;L為隧道通過含水體的長度(m)，左線3 909 m，右線3 978 m。該隧道預(yù)測最大涌水量左線 Q0=15 810.802 m3/d，右線 Q0=15 747.278 m3/d。

5 隧道施工對環(huán)境影響評價

該隧道施工對環(huán)境的影響主要有3個方面:洞口削坡可能對環(huán)境的破壞;隧道棄渣堆放不當(dāng)可能產(chǎn)生人為泥石流、滑坡等災(zāi)害;隧道成洞后可能導(dǎo)致山體地下水平衡條件破壞，影響地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄。

洞口削坡對環(huán)境的影響:隧道兩端洞口山體主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化片巖和千枚巖，第四系覆蓋層厚度小，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎。根據(jù)洞口位置、削坡高度及邊坡地層巖性等判斷，洞口削坡不會導(dǎo)致大規(guī)模崩塌和滑坡，邊坡開挖后防護(hù)措施較容易實(shí)施，洞口削坡對周圍環(huán)境影響較小。

隧道施工棄渣堆放對環(huán)境的影響:在隧道施工開挖過程中產(chǎn)生的巖石和棄渣除部分可以用于本公路工程建設(shè)外，其余部分拋棄，因此棄渣對環(huán)境會造成一定的影響。另外必須注意的是隧道棄渣不能堆放在沖溝內(nèi)，以免人為的造成泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

隧道成洞后造成的山體地下水平衡條件破壞對環(huán)境的影響:強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化千枚巖含裂隙水，隧道開挖后的地下水將被疏排至地表，而對山體地下水的平衡條件存在一定的影響。

6 結(jié)語

隧道位于中低山區(qū)，地形地貌較復(fù)雜，周邊未見大的的斷裂，但隧道圍巖巖性主要為片巖和千枚巖，屬軟巖和較軟巖，風(fēng)化層厚度較大，遇水具弱膨脹性，裂隙和破碎帶較發(fā)育，圍巖等級主要屬Ⅲ～Ⅴ級［4］，Ⅴ級圍巖隧道長度達(dá)50%左右，建議對隧道區(qū)的Ⅴ級圍巖，采用臺階法開挖，輔以管棚超前支護(hù)或小導(dǎo)管超前支護(hù)，對Ⅳ和Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，新奧法施工。隧洞開挖產(chǎn)生的巖石和棄渣應(yīng)盡量用于本公路建設(shè)，多余部分應(yīng)作妥善處理，以免人為造成泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害。

考慮隧道洞身涌水量較大，建議對隧道洞身采取相應(yīng)的防水及排水措施，盡量避免雨季施工，并進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，并設(shè)置異常情況處理預(yù)案。

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［3］高俊義，劉建磊.赤平極射投影在隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.北方交通，2008，(12):65-66.

［4］劉偉，張旭，代偉.云桂線富寧隧道水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2012，(20):330-332.