兩水隧道斜井地表山體穩(wěn)定性分析及評價

孫成智

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043)

Analysis and Evaluation of Inclined Surface Mountain Stability of Liangshui Tunnel

SUN Chengzhi

兩水隧道斜井地表山體穩(wěn)定性分析及評價

孫成智

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

Analysis and Evaluation of Inclined Surface Mountain Stability of Liangshui Tunnel

SUN Chengzhi

摘要兩水隧道斜井受西秦嶺構(gòu)造及區(qū)內(nèi)主地應(yīng)力影響，巖體褶曲發(fā)育，較為破碎，斜井進(jìn)口山體坡面松散，大型堆積體較多，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山體斜坡四處堆積體存在不穩(wěn)定因素。為保證斜井隧道安全施工，采用詳細(xì)地質(zhì)勘察，并對山體表層、下部巖體進(jìn)行位移監(jiān)測，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，評價4處斜坡堆積體的穩(wěn)定性及對隧道的影響，為隧道安全施工提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞兩水隧道堆積體穩(wěn)定性影響評價

兩水隧道位于甘肅省南部隴南市，地處西秦嶺腹地中山區(qū)，隧道區(qū)內(nèi)巖體主要為志留系中上統(tǒng)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖、灰?guī)r，受西秦嶺構(gòu)造及區(qū)內(nèi)主地應(yīng)力影響，巖體褶曲發(fā)育，較為破碎，加之區(qū)內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境脆弱，降雨的季節(jié)不均衡，堆積、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，其發(fā)育程度、暴發(fā)頻率、發(fā)生規(guī)模和危害程度居全國之首，為我國地質(zhì)災(zāi)害四大發(fā)育區(qū)之一。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和施工發(fā)現(xiàn)，兩水隧道斜井進(jìn)口處地表山體巖體破碎，地表松散堆積物較多，存在四處不穩(wěn)定因素(見圖1)。為保證兩水隧道安全施工，保證施工人員及器械的安全，對隧道斜井進(jìn)口處山體地表進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，對山體斜坡進(jìn)行勘探、變形監(jiān)測，以查明山體是否存在變形，是否存在不穩(wěn)地性，并對隧道安全的影響進(jìn)行評價。

1山體地質(zhì)條件分析

1.1　地層及巖性

隧道斜井處山體地層主要為第四系全新統(tǒng)堆積體、泥石流堆積體，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，志留系中上統(tǒng)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖、灰?guī)r。其中堆積體主要為千枚巖角礫包裹塊石，局部表層殘留砂質(zhì)黃土，較為松散，分布于隧道斜井山體下部溝谷兩側(cè)和溝腦。泥石流堆積體分布于水泥廠溝、紅土溝泥石流溝內(nèi)，因溝內(nèi)修筑3條積石壩治理工程，在溝谷內(nèi)大量堆積，多為千枚巖角礫夾有巨石(如圖1)。

圖1　兩水隧道斜井進(jìn)口山體斜坡堆積體分布

1.2　地質(zhì)構(gòu)造與地震

隧道斜井所在區(qū)域歷經(jīng)了多期構(gòu)造運動，形成了多個構(gòu)造體系，目前表現(xiàn)為武都山字形構(gòu)造體系。斜井所在山體位于山字形構(gòu)造的前弧弧頂部，前弧在NW向的擠壓應(yīng)力作用下，形成以武都斷裂帶，白龍江復(fù)背斜為代表的一系列平行的逆沖斷裂、褶皺及節(jié)理、裂隙、劈理等弧頂構(gòu)造；同時造成志留系向兩翼擴(kuò)展，形成大量破碎的楔形體和NE向軸面劈理，導(dǎo)致該區(qū)巖性復(fù)雜、產(chǎn)狀多變、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。另外武都區(qū)地處兩大地震帶交匯部位，地震活動頻率高、復(fù)發(fā)期短、強(qiáng)度大，地震引起隧道斜井區(qū)內(nèi)巖土體結(jié)構(gòu)的松動變形，引起巖體結(jié)構(gòu)面張開、擴(kuò)展，尤其對斜坡巖土體有很大的松動與破壞作用，并為地表水下滲和徑流提供了便利條件，導(dǎo)致斜坡土體或結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的降低；在地震效應(yīng)下，邊坡體上部表現(xiàn)為拉破壞和下部剪切破壞，隨著多次地震發(fā)生，破裂面逐漸發(fā)展并貫通，很大程度上降低了斜坡的穩(wěn)定性。

1.3　氣象及水文地質(zhì)條件

(1)氣象條件

該區(qū)地處大陸中部，在氣候上屬北亞熱濕潤向暖溫半濕潤的過渡帶，為季風(fēng)氣候。境內(nèi)山高谷深，受山地地形等影響，氣候差異懸殊，突出特點是垂直差異明顯。區(qū)內(nèi)年平均氣溫14.6 ℃，最冷月元月為2.9 ℃，最熱月7月為24.8 ℃，極端最低為-8.1 ℃，極端最高為40 ℃，無霜期228天。隨著海拔升高，氣溫隨之遞減。區(qū)內(nèi)多年平均降水為494.8 mm，其中6～9月的降水占全年的67.5%，具有降雨集中、多暴雨、雨強(qiáng)大的特點。24 h最大降雨量90.5 mm，1 h最大降水量40.0 mm，10 min最大降水量16.2 mm。

(2)水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水按含水介質(zhì)和埋藏條件可分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。基巖裂隙水是區(qū)內(nèi)分布最廣的地下水，賦存于基巖構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙內(nèi)，大部為潛水。地下水接受大氣降水補(bǔ)給，沿裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運移，在含水層被切割或受阻后以泉的形式溢出，轉(zhuǎn)化為地表水。測區(qū)范圍內(nèi)地下水不發(fā)育，第四系孔隙潛水主要賦存于區(qū)內(nèi)各溝谷中，呈帶狀分布，巖性為碎石土，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式主要沿含水層向下游徑流。

2山體穩(wěn)定性監(jiān)測分析

2.1　地表孔內(nèi)洞內(nèi)位移監(jiān)測

在疑似不穩(wěn)定山體處預(yù)埋設(shè)測斜管，每10天監(jiān)測一次，獲取5次相對位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時在山體沿2條剖面，布置6個鉆孔，進(jìn)行勘察和孔內(nèi)位移監(jiān)測，見圖2、圖3、圖4。在斜井隧道洞內(nèi)，進(jìn)行收斂及下沉監(jiān)測，段每5 m布置一條斷面，每7天監(jiān)測一次，共完成了69次位移監(jiān)測。

圖2　BG1Z-1、BG1Z-2累計位移曲線

圖3　BG1Z-3、BG2Z-1累計位移曲線

圖4　BG2Z-2、BG2Z-3累計位移曲線

2.2　監(jiān)測分析

(1)地表鉆孔變形監(jiān)測分析

通過對地表布置鉆孔位移監(jiān)測結(jié)果分析，BG1Z-1、BG2Z-1測斜孔觀測曲線未見明顯變形階梯，BG1Z-2、BG1Z-3測斜孔最大位移分別為6.6 mm和17～20 m，按2 mm/30 m的儀器誤差，變形數(shù)據(jù)位于誤差范圍內(nèi)；BG1Z-32測斜孔觀測曲線于處出現(xiàn)變形階梯，可能存在潛在的滑動面，20 m以上為炭質(zhì)千枚巖、千枚巖風(fēng)化層，完整性差，其間不排除存在次生滑動面；BG2Z-2測斜孔觀測曲線26～31 m存在變形階梯，該部位存在比較明顯的蠕動變形跡象，變形方向為正順坡向(即A-A′正方向)，26～31 m深度段很可能存在滑動面，且滑動面形態(tài)和位置自出現(xiàn)后基本不變。同時該部位位于風(fēng)化千枚巖、炭質(zhì)千枚巖地層中，巖體破碎，抗剪強(qiáng)度低，存在淺層滑動的可能，需對該部位進(jìn)行加密觀測。BG2Z-3測斜孔觀測曲線推測：該部位全孔段的巖土體比較松散，在20～35 m深度段巖體破碎，并發(fā)生過塌孔事故，從曲線上看無法準(zhǔn)確判斷出滑動面(帶)的具體位置，但總體來看該孔段相對穩(wěn)定?？傊?，根據(jù)6孔的深部位移監(jiān)測工作，未發(fā)現(xiàn)整體滑動變形跡象；考慮工程安全，最不利狀態(tài)為：以覆蓋層為滑體，風(fēng)化層為滑帶的覆蓋層堆積。

(2)洞內(nèi)變形監(jiān)測分析

本次洞內(nèi)變形監(jiān)測分析主要選擇兩主軸斷面下部的正洞DK359+102、DK259+476兩個斷面，通過洞內(nèi)仰拱隆起、水平位移、拱頂下沉、斷面收斂變形情況分析，可較好的反應(yīng)孔底洞內(nèi)的變形情況。DK359+102仰拱隆起最大時達(dá)到25.2 mm，然后逐漸減小，目前減小至10.8 mm；左右兩側(cè)位移向中心收斂，說明隧道底部受兩側(cè)擠壓力而隆起，不存在整體位移現(xiàn)象。DK359+102斷面拱頂下沉、水平收斂數(shù)值波動較大，存在測量誤差。DK359+476仰拱隆起、下沉交替發(fā)生，存在測量誤差；左右兩側(cè)位移向中心收斂，不存在整體位移現(xiàn)象。DK359+476拱頂沉降波動大，存在測量誤差；邊墻以水平收斂為主，最大收斂達(dá)7.3 mm。

通過洞內(nèi)仰拱隆起、位移、拱頂下沉、水平收斂的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，洞內(nèi)整體呈現(xiàn)拱頂下沉、水平收斂現(xiàn)象，仰拱不存在水平位移跡象，故判定洞身范圍內(nèi)不存在水平位移，鉆孔底部基本穩(wěn)定，但可能受洞內(nèi)變形影響。

3山體穩(wěn)定性評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該坡面共發(fā)現(xiàn)四處疑似不穩(wěn)定斜坡體，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號堆積體滑體物質(zhì)為千枚巖角礫包裹灰?guī)r塊石、巨石，坡度35°～43°，目前處于蠕動—滑動變形階段；Ⅳ號堆積體滑體物質(zhì)為黃土，自然坡度約35°，根據(jù)開裂情況、前緣未見剪出口且周邊無剪切裂縫出現(xiàn)等周界條件判斷，處于蠕動變形階段。根據(jù)監(jiān)測，對隧道影響最大的Ⅰ、Ⅱ號堆積體不存在整體滑動的可能，但覆蓋層及風(fēng)化千枚巖、炭質(zhì)千枚巖存在局部蠕動變形現(xiàn)象，深度不大于35 m。

3.1　Ⅰ號堆積體

Ⅰ號堆積體后緣不明顯，且未發(fā)現(xiàn)地表開裂現(xiàn)象；前緣位于紅水溝內(nèi)，鼓脹現(xiàn)象不明顯，局部水流沖刷形成陡坎，坎高小于5 m；坡面坡度達(dá)40°，表層巖性雜亂，為千枚巖角礫夾雜塊石、巨石。根據(jù)坡體前緣BG1Z-3孔內(nèi)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，17～20 m深度范圍內(nèi)存在疑似滑動帶，在洪水溝常年沖刷侵蝕的作用下，存在局部蠕動淺層變形現(xiàn)象，不存在整體滑動的可能。

3.2　Ⅱ號堆積體

Ⅱ號堆積體后緣基巖零星出露、擦痕明顯，產(chǎn)狀穩(wěn)定，陡壁高小于10 m，形成基巖陡坎；坡體前緣位于水泥廠溝內(nèi)，鼓脹現(xiàn)象不明顯，由于水流沖刷及朔源侵蝕作用，導(dǎo)致前緣后退，形成陡坎，坎高小于15 m，未見剪出口；坡面坡度達(dá)35°，地表受水流沖刷，形成多條深切沖溝，坡面中上部沖溝內(nèi)可見穩(wěn)定基巖，滑體物質(zhì)為千枚巖角礫夾雜塊石、巨石。根據(jù)BG2Z-2孔內(nèi)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，26～31 m深度范圍為疑似滑帶，坡體表層存在局部覆蓋層蠕動變形現(xiàn)象，不存在深層整體滑動的可能。

3.3?、筇柖逊e體

Ⅲ號堆積體后緣不明顯，且未發(fā)現(xiàn)地表開裂現(xiàn)象；前緣位于紅水溝內(nèi)，鼓脹現(xiàn)象不明顯，坡面坡度達(dá)43°，表層巖性雜亂，為千枚巖角礫夾雜塊石、巨石。由此判斷，該堆積滑面剪出口應(yīng)在紅水溝溝床內(nèi)，在降雨、地震、前緣水流沖刷的作用下，前緣逐漸剝蝕，牽引山體蠕變，不存在深層滑動的可能。

3.4?、籼柖逊e體

Ⅳ號堆積體后緣基巖零星出露、產(chǎn)狀穩(wěn)定，并形成拉裂縫，形成錯臺高約2 m，深切至基巖面；前緣位于便道邊，形成黃土陡坎，坎高約5 m；坡面黃土質(zhì)地疏松，發(fā)育兩條長大黃土裂縫；坡面中后部發(fā)育一寬大平臺，平臺15°下傾，地表為黃土覆蓋，雜草茂盛；兩側(cè)邊緣未見剪切裂縫。由此判斷，該堆積屬于覆蓋層堆積，滑面位于土石分界面上，深度小于10 m，目前處于蠕動階段，存在深層滑動的可能。

4堆積體對隧道洞身的影響

4.1?、裉柖逊e體對隧道的影響評價

Ⅰ號堆積體整體地貌呈上小下大塔式地貌，前緣受紅水溝泥石流沖刷嚴(yán)重，軟弱炭質(zhì)千枚巖地層在前緣沖刷失去支撐的作用下，前緣存在覆蓋層蠕變現(xiàn)象，由此按最不利情況判斷，以風(fēng)化層下底面為滑面，距離洞身最近點距離約130 m，不會影響洞身穩(wěn)定。

4.2　Ⅱ號堆積體對斜井隧道影響評價

Ⅱ號堆積體整體地形低于穩(wěn)定坡面，主要受地表水侵蝕較大，坡面泥石流侵蝕掉大部分滑體物質(zhì)，更多具有坡面泥石流特征；該溝口發(fā)育有穩(wěn)定灰?guī)r層，說明前緣剪出口高程應(yīng)高于溝口高程，由此判斷該堆積體為軟弱炭質(zhì)千枚巖地層在前緣沖刷、朔源侵蝕的作用下失去支撐形成的牽引式堆積，前緣高程應(yīng)與溝床高程一致。按最不利情況判斷，以風(fēng)化層下底面為滑面，距離洞身最近點距離約145 m，不會影響洞身穩(wěn)定。

通過與隧道關(guān)系最為密切的Ⅰ、Ⅱ號堆積體主軸斷面判斷，最不利推測滑面與洞身垂直距離大于100 m；加之隧道開裂段落位于DK359+203～DK359+395段，該段地表出露為灰?guī)r、板巖地層，地層穩(wěn)定，不在堆積體范圍內(nèi)；隧道內(nèi)襯砌變形以拱頂縱向開裂為主，墻角縱向開裂為輔，未見底板位移，襯砌錯動等變形情況，由此判斷隧道洞身變形與地表堆積無關(guān)。

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中圖分類號：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0049-04

作者簡介：第一孫成智(1979—)，男，2005年畢業(yè)于成都理工大學(xué)工程地質(zhì)專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-01-07