長距離淺埋洞室典型工程地質(zhì)問題研究與分析

季　旭

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003)

長距離淺埋洞室典型工程地質(zhì)問題研究與分析

季旭

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003)

摘要：本文以某長距離輸水隧洞工程為背景，針對(duì)穿越長距離淺埋段，地面同時(shí)有河谷、鐵路、高速公路、省級(jí)公路的復(fù)雜地形和地質(zhì)條件特點(diǎn)，通過工程地質(zhì)勘察，對(duì)該段淺埋洞室的成洞條件和穿越各地表建筑物將遇到的工程地質(zhì)問題進(jìn)行了深入研究與分析，提出了工程處理措施和建議，為長距離淺埋洞室順利施工提供有力技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：長距離；淺埋洞室；軟質(zhì)巖；輸水隧洞；工程地質(zhì)

1工程概述

勘察共在本段布置鉆孔20個(gè)，鉆孔嚴(yán)格按偏離洞軸線左側(cè)5 m的原則布設(shè)，鉆孔最小孔間距25 m，位于渾河河谷部位，一般孔間距控制在50 m左右；孔深按進(jìn)入底板以下8～10 m控制，一般孔深30 m，控制性鉆孔孔深40 m。

2基本地質(zhì)條件分析

(1)地形地貌

洞室地表為淺“U”形溝谷，河谷寬約900 m，地面高程248～251 m左右。兩岸山體較陡，坡度約38°左右。河道兩岸均有土堤，兩堤間距約140 m左右，勘察期間河水面寬約15 m左右。地形比較平坦，起伏不大，階地高出河床2～3 m左右。

(2)地層巖性

本段地層結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，上部主要為第四系沖洪積的松散堆積層，顆粒不均，下部為白堊紀(jì)小南溝組的沉積巖。

第四系沖洪積層(Qhpal)：除一級(jí)階地上表層多分布薄層的粉土層或粉質(zhì)黏土層外，地層巖性以圓礫為主，局部為礫砂或卵石，雜色，顆粒不均，層位較穩(wěn)定。砂粒的主要巖相為花崗巖、安山巖、凝灰?guī)r等，主要礦物成分為石英、長石、云母等。一般呈稍密～中密狀態(tài)，局部松散，層底埋深3.0～9.0 m，層底高程243～247 m。場地內(nèi)均有分布。

白堊紀(jì)小南溝組(K1x)：地層巖性主要為紫色凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r、頁巖及煤線。全風(fēng)化巖多呈砂狀或散體狀，其下限高程為245 m左右，厚度約1.1 m；強(qiáng)風(fēng)化巖多呈碎塊狀，其下限高程為227～243 m，厚度約2.5～16 m；弱風(fēng)化巖多呈柱狀。

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(3)地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于渾河斷裂影響帶中，該斷裂切割K1x與Ar3γδο，規(guī)模巨大，活動(dòng)歷史較長。在工程區(qū)一帶，可見幾條近于平行的沖斷帶，寬約1～3 km，擠壓特征非常明顯，可見擠壓片里、構(gòu)造扁豆體、劈理、以及揉皺等構(gòu)造現(xiàn)象。走向NE，傾向NW，傾角45°～75°。

受上述斷裂構(gòu)造控制，根據(jù)HH13鉆孔揭露，工程區(qū)內(nèi)發(fā)育一條小型斷層F1，斷層影響范圍15 m左右，傾角78°左右，斷層帶內(nèi)以斷層泥及碎裂巖為主。

(4)水文地質(zhì)條件

本區(qū)地下水主要有松散巖類孔隙潛水和裂隙水，前者分布于第四系砂卵礫石層中，與地表水的關(guān)系密切，后者分布在基巖風(fēng)化裂隙或構(gòu)造裂隙中，由于受區(qū)域構(gòu)造影響，工程區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，且洞室埋深較淺，因此在垂直方向上受地表水補(bǔ)給作用較強(qiáng)，隨深度增加而減弱，勘察期間地下水埋深較淺，一般在3.8～4 m左右。

3工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

3.1洞室?guī)r體風(fēng)化特征

根據(jù)鉆探資料與區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析可知，本段洞室?guī)r體完整程度受渾河斷裂影響較重，加之洞室埋深較淺，故節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，風(fēng)化銹蝕現(xiàn)象較重，巖石大部分呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀態(tài)。在96+050～96+180穿越河谷段和

96+390～96+530段兩個(gè)部位巖體風(fēng)化深度較大。

3.2巖石主要物理力學(xué)性質(zhì)

受地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)及區(qū)域構(gòu)造影響，本區(qū)巖石強(qiáng)度普遍較低；強(qiáng)風(fēng)化巖，巖體破碎，巖體強(qiáng)度較低，屬軟巖。弱風(fēng)化巖，共取樣11組，根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)除HH10、HH11外均為無聲破裂，分析其均為沿隱形節(jié)理面開裂，強(qiáng)度偏低，屬軟質(zhì)巖。試驗(yàn)結(jié)果顯示強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度建議值為15 MPa左右，弱風(fēng)化凝灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度建議值為25 MPa左右。試驗(yàn)成果見表1。

3.3洞室圍巖完整性

巖體的完整性一般與巖體的風(fēng)化程度、構(gòu)造發(fā)育程度有關(guān)，本次勘察采用對(duì)鉆探取得的巖芯進(jìn)行巖芯完整率(RQD)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行巖體完整性分析，本次統(tǒng)計(jì)僅對(duì)洞室部位巖體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，洞室部位巖體完整性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

3.4巖體滲透性

本次勘察通過勘探鉆孔內(nèi)壓水試驗(yàn)，對(duì)洞室部位的巖體滲透性進(jìn)行初步研究。通過對(duì)壓水試驗(yàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)洞室部位巖體的滲透性進(jìn)行分級(jí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表1　巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果

表2　洞室部位巖體完整性統(tǒng)計(jì)表

4主要工程地質(zhì)問題分析與評(píng)價(jià)

4.1圍巖初步分類

按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB 50487-2008附錄N，結(jié)合鉆探成果考慮巖石強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水發(fā)育程度、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀五個(gè)主要因素，對(duì)本洞室圍巖進(jìn)行工程地質(zhì)分類，本段洞室圍巖類別均為Ⅴ類。

4.2洞室圍巖穩(wěn)定問題

本段洞室未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造通過，僅鉆孔HH13揭露一小型斷層f1，受其影響洞室部位巖體破碎，但受區(qū)域構(gòu)造(渾河斷裂)影響，巖體節(jié)理發(fā)育，巖體完整程度較差。本段地層巖性主要以為凝灰?guī)r為主，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較低，洞頂上部基巖層較薄，僅3.0～8.5 m，洞室圍巖極不穩(wěn)定，變形破壞嚴(yán)重[3]。

其中96+010～96+200、96+390～96+550兩段洞頂巖石多為強(qiáng)風(fēng)化，巖石強(qiáng)度極低，巖體破碎。開挖過程中極易引起塌方失穩(wěn)，甚至可能會(huì)有冒頂現(xiàn)象發(fā)生。

表3　鉆孔洞室部位基巖壓水試驗(yàn)透水率統(tǒng)計(jì)表

建議施工過程中本段采用管棚超前支護(hù)，在開挖過程中采用弱爆破、短進(jìn)尺的開挖方式進(jìn)行半斷面開挖，開挖后及時(shí)采取H形型鋼的剛性支護(hù)措施進(jìn)行初期支護(hù)，并及早對(duì)剛性支護(hù)進(jìn)行仰拱封閉[4-5]。初期支護(hù)后加強(qiáng)洞室圍巖的變形量測工作，如有必要應(yīng)跟進(jìn)掌子面進(jìn)行澆筑混凝土初襯。

4.3洞室涌水、突水問題

洞室于樁號(hào)96+050～96+260穿越渾河河谷，該部位洞室最小埋深僅7.9 m，基巖以強(qiáng)風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果揭露，本段巖體透水率為32.01～35.04 Lu，為中等透水。渾河全年水量豐沛，勘察期間為冬季，河水面寬約15 m左右，垂直方向受地表水補(bǔ)給作用較強(qiáng)。由于勘察鉆孔揭露f1斷層位于河道內(nèi)，受該斷層影響巖體破碎，易形成匯水通道，故開挖過程中極易產(chǎn)生涌水、突水現(xiàn)象。

建議在臨近河道洞室段開挖過程中，采取循環(huán)探孔的方式觀測掌子面前的地下水發(fā)育情況，如遇地下水量突增，則可結(jié)合循環(huán)探孔對(duì)前方巖體進(jìn)行超前注漿。

對(duì)穿越河谷段提前采取預(yù)注漿處理措施，建議結(jié)合施工過程中出水量的情況，采取地面注漿和洞內(nèi)超前注漿相結(jié)合的處理措施。

4.4穿越公路、鐵路

洞室分別于樁號(hào)96+588、96+090、96+470、96+600左右穿越沈吉高速公路、202省級(jí)公路、原202公路和沈吉鐵路，3處公路車流量較大，且不乏有重車通過，沈吉鐵路每天有客運(yùn)、貨運(yùn)近20余次列車通過；嚴(yán)格控制穿越處的隧洞變形、坍塌、地表沉降，確保地表鐵路、公路的運(yùn)營安全是本段洞室施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

該部位洞室?guī)r體以強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化為主，巖體完整性差～較破碎，呈弱透水～中等透水狀態(tài)，推測開挖期間地下水多呈滴水～線流狀態(tài)。

建議開挖過程中應(yīng)采用弱爆破、短進(jìn)尺的方式嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，并采取超前支護(hù)措施，對(duì)已開挖洞室及時(shí)采取剛性支護(hù)，并跟進(jìn)澆筑混凝土襯砌。建議開挖時(shí)應(yīng)與相關(guān)的鐵路、公路部門協(xié)商，制訂較為合理的施工方案。

5結(jié)論

隧洞的淺埋段施工較為常見，穿越河道、公路、鐵路的施工亦較為常見，但在如此短的施工距離，且上覆基巖厚度極薄的地質(zhì)條件下，穿越如此多的重點(diǎn)部位實(shí)屬少見。通過高精度的勘察手段，結(jié)合多年的隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該段復(fù)雜的典型工程地質(zhì)條件進(jìn)行了深入的分析和研究，提出了工程處理措施和建議，為洞室的安全施工和穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的指導(dǎo)。

通過施工后的對(duì)比得知，開挖揭露的地質(zhì)條件與勘察成果給出的基本一致，采納了勘察建議的開挖通過方式后，安全通過了本段淺埋洞室，未出現(xiàn)較大的施工問題，在未影響洞室施工直線工期的前提下，也保證了地表公路、鐵路的安全運(yùn)營。

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Research and analysis of typical engineering geological problems inlong distance shallow underground excavation

JI Xu

(InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerLiaoningProvince，Shenyang110003,China)

Abstract：Take a certain long distance water conveyance tunnel as example,the characteristic of water conveyance tunnel have the following characteristics:crossing shallow-buried section,complex terrain and geologic condition which have valley,railway,highway,provincial road.The status of cavitation and engineering geological problems when crossing surface buildings were analyzed,and proposed treatment measures and proposals.This paper provides technical support for the construction of long distance shallow underground excavation.

Key words：long distance;shallow underground excavation;soft rock;water conveyance tunnel;engineering geology

基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201201021)

作者簡介：季旭(1983-)，男，工程師，從事工程地質(zhì)勘察及施工地質(zhì)等方面的工作。

中圖分類號(hào)：U451+.2;TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)05-0005-04