高邊坡改隧道工程設(shè)計(jì)中地質(zhì)分析可行性與措施

陳剛

【摘 要】本文通過對(duì)高邊坡改隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的分析及評(píng)價(jià)，確定隧道方案的可行性，并劃分出圍巖類別，為擬建隧道的設(shè)計(jì)和施工提出一些想法及建議。

【關(guān)鍵詞】隧道工程；偏壓；工程地質(zhì)；圍巖分類；支護(hù)

前言

我院組織對(duì)該高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行重新分析論證，確定采用單幅隧道方案通過。針對(duì)隧道方案，我們組織對(duì)場地補(bǔ)充勘察，本次勘察根據(jù)項(xiàng)目要求主要采用工程地質(zhì)調(diào)繪、工程地質(zhì)鉆探、工程物探和取樣試驗(yàn)等勘察手段。

1、工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

1.1地形地貌

建設(shè)場地位于山隧道南洞口附近，與山隧道相隔一條山澗，山體天然植被發(fā)育，山勢陡峻，山頂標(biāo)高達(dá)430米，山麓標(biāo)高為250米，山體自然邊坡是西南側(cè)陡，西北側(cè)緩，與巖層傾向一致，順向坡緩，反向坡陡，最陡達(dá)59°。路線自山體的西側(cè)山腰近山麓處左深切山體。邊坡側(cè)山體平均自然邊坡坡度為33°，最陡為45°，最緩為25°。

1.2地層巖性

建設(shè)場地地處巾石至新村花崗巖巖體的東北緣，系屬巾石至碧洲復(fù)式向斜的南段西北翼。區(qū)內(nèi)地層為寒武系上統(tǒng)水石群變質(zhì)巖系（ε3）和第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）。

1.2.1寒武系上統(tǒng)水石群（ε3）

寒武系地層為一套區(qū)域淺變質(zhì)巖系，地層總體產(chǎn)狀為55°∠22°，地層受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用及巖漿侵入影響，地層在區(qū)域變質(zhì)的同時(shí)，受巖漿的烘烤交代接觸變質(zhì)作用，區(qū)域地層處于混合巖化帶，主要表現(xiàn)為局部出現(xiàn)少量團(tuán)塊狀、透鏡狀及不規(guī)則狀偉晶質(zhì)和細(xì)晶質(zhì)脈體，開挖后出現(xiàn)的“孤石狀”巖體，可能是混合巖化成因，隧道區(qū)內(nèi)該套地層根據(jù)巖性組合可分為二大層。⑴板巖層⑵變質(zhì)砂巖層：

1.2.2第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）

主要為紅褐色、淺紫紅色粘土夾礫及碎石土。

1.3地質(zhì)構(gòu)造

1.3.1區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)受東西向華夏和北東向新華夏系構(gòu)造的影響，構(gòu)造較發(fā)育，熱液活動(dòng)也十分頻繁。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，褶曲不明顯。

1.3.2區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析

區(qū)內(nèi)在加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，以南北向的水平擠壓為主，逐漸形成南北方向的華夏系構(gòu)造。隨著時(shí)間的推移和南北向扭動(dòng)作用的加強(qiáng)，燕山晚期區(qū)域主應(yīng)力方向也由北西——南東向逐漸轉(zhuǎn)為北西西——南東東向，因而形成了現(xiàn)在的北北東向新華夏系構(gòu)造。由于早期構(gòu)造地應(yīng)力在斷層形成過程中被釋放，根據(jù)隧道施工觀察，本隧道的設(shè)計(jì)和施工無需考慮構(gòu)造地應(yīng)力的影響。對(duì)設(shè)計(jì)施工有影響的主要是由重力作用產(chǎn)生的地應(yīng)力，特別是偏壓作用。

1.3.3隧道工程區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面

1.3.3.1斷裂構(gòu)造

⑴F1斷層：位于K203+594.9～K203+596.9，逆斷層，走向北76°東，傾向北西，傾角57°，下延30米以上，斷距3米左右，斷層泥厚2米左右，不漏水。

⑵F2斷層：位于K203+626～K203+633.8，走向北76°東，傾向北西，傾角65°，下延30米以上，斷層泥厚7米左右，不漏水。

⑶F3斷層：位于K203+680～K203+690，呈北東東走向，形跡不明，巖性在此出現(xiàn)明顯突變，自北往南，由堅(jiān)硬較完整變余砂巖轉(zhuǎn)變?yōu)榍稜罘凵百|(zhì)板巖夾變余砂巖及石英脈體，較破碎。

1.3.3.2節(jié)理

通過地質(zhì)斷面調(diào)查及鉆取巖芯分析，勘察區(qū)的巖體最少發(fā)育兩期節(jié)理裂隙，裂面有高傾角、壓性閉合或微張開等特點(diǎn)。早期節(jié)理裂隙一般被石英脈充填，呈膠結(jié)狀，有較高的抗剪強(qiáng)度；后期裂隙多呈“X”節(jié)理，由于其多向切割，巖體多半比較破碎。通過節(jié)理統(tǒng)計(jì)及“節(jié)理裂隙玫瑰圖”分析，得出主要發(fā)育的幾組優(yōu)勢節(jié)理面為：a、走向北85°西，傾向北，傾角45°～65°，與路線近垂交；b、走向北82°東，傾向北，傾角45°～65°，與路線近垂交；c、走向北5°～24°西，傾向西，傾角65°～85°，與路線近平行，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

1.3.4結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

隧道圍巖中的節(jié)理裂隙是影響其穩(wěn)定的主要因素，巖層面只對(duì)右側(cè)洞壁有影響。節(jié)理裂隙又以平行洞軸線的、后期的節(jié)理裂隙面影響最大，K203+590～K203+670段隧道右側(cè)洞頂附近發(fā)育1.5米左右厚的構(gòu)造破碎帶，對(duì)隧道拱頂穩(wěn)定不利。由于隧道所處的位置，地形起伏大，巖體風(fēng)化分界線起伏也大，節(jié)理裂隙一般洞頂比洞底發(fā)育，洞右側(cè)比左側(cè)發(fā)育，同一掌子面出現(xiàn)巖體完整性差異，所以，設(shè)計(jì)和施工應(yīng)引起重視，采取針對(duì)性工程處置措施。

1.4新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震

勘察區(qū)地處贛中南大面積穩(wěn)定上升區(qū)，以整體間歇性緩慢抬升為主，差異運(yùn)動(dòng)不明顯，歷史上僅發(fā)生過4次強(qiáng)震，近期弱震活動(dòng)亦比較少。根據(jù)《中國地震峰值加速度區(qū)劃圖》，區(qū)內(nèi)地震基本烈度小于Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度g<0.05，隧道工程可不考慮抗震設(shè)防。

2.水文地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

2.1地下水類型及分布

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和鉆探揭露分析，區(qū)域分布有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種，其中以基巖裂隙水為主?？紫端饕x存于第四系殘坡積成因的粘土碎石及基巖全風(fēng)化層中，由于地勢較陡，自身透水性較好，只能作為地表水的入滲通道；基巖裂隙水主要賦存在變質(zhì)巖層中，通過上覆松散巖層接受大氣降水的補(bǔ)給，由于基巖裂隙發(fā)育，地下水徑流通道好，而南方以暴雨等強(qiáng)降水形式為主，地下水較豐富。因此隧道開挖過程中應(yīng)備水泵，以免影響施工進(jìn)度。設(shè)計(jì)應(yīng)在隧道洞頂、洞壁及洞底設(shè)置排水系統(tǒng)，如反過濾層、滲溝、盲溝等。

2.2地下水出露點(diǎn)調(diào)查

邊坡開挖后，在K203+619、K203+622、K203+695、K203+705左25米的第三級(jí)邊坡的坡腳處排泄孔中以及K203+690右30米坡腳等處發(fā)育流量10ml/s～20ml/s的下降泉。而且據(jù)錨索成孔資料了解，大都數(shù)鉆孔均見地下水，局部水量還較大。

2.3地下水的化學(xué)成分

由于勘察區(qū)山體與隧道山體屬同一地下水系，水化學(xué)成分參考隧道水化學(xué)分析成果使用。根據(jù)水質(zhì)分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，勘察區(qū)內(nèi)地下水類型屬于HCO3-Ca、Mg型水，弱堿性，腐蝕等級(jí)為無腐蝕。

3、圍巖分類與支護(hù)分析

3.1圍巖參數(shù)的確定

⑴巖體聲波速度根據(jù)P-S測井獲取縱波、橫波；

⑵巖土完整性系數(shù)：I=Vp2 / Up2 其中：

Vp為巖體縱波波速，Up為巖石縱波波速；

⑶泊松比根據(jù)波速計(jì)算確定：

μd=Vp2-2Vs2/[2（Vp2-Vs2）]

⑷動(dòng)彈性模量根據(jù)下式計(jì)算確定：

Ed=ρVp2（1+μd）（1-2μd）/[g（1-μd）]

或 Ed=ρVs2（3Vp2-4Vs2）/（Vp2-Vs2）

其中：ρ為密度 g為重力加速度；

⑸靜彈模量：Es=0.1Ed1.43 ；

⑹飽和抗壓強(qiáng)度采用最小平均值確定。

3.2圍巖類別確定

隧道圍巖分類主要依據(jù)工程地質(zhì)條件、開挖穩(wěn)定性及巖體縱波波速、巖體完整系數(shù)、巖石質(zhì)量指標(biāo)等實(shí)測參數(shù)指標(biāo)綜合確定。

3.3隧道圍巖分段劃分及建議支護(hù)

3.3.1K203+557～K203+610（北洞口及洞身）

圍巖巖性為變余砂巖夾板巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙很發(fā)育，可見4組以上節(jié)理裂隙，多呈“X”型，巖體較破碎。拱部無支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定，圍巖類別綜合定為Ⅱ類。建議：采用導(dǎo)坑法或臺(tái)階法施工并及時(shí)采取超前支護(hù)措施，洞口段適當(dāng)接部分明洞。

3.3.2K203+610～K203+680（洞身）

圍巖巖性為弱～微風(fēng)化變余砂巖，局部發(fā)育構(gòu)造破碎帶。圍巖總體較完整穩(wěn)定，局部呈碎裂結(jié)構(gòu)，由于隧道淺埋偏壓，左側(cè)巖體堅(jiān)硬完整，右上部洞室圍巖范圍內(nèi)，巖體比較破碎。拱部無支護(hù)可能產(chǎn)生坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，圍巖類別綜合定為Ⅳ類。建議：施工采用先拱后墻法施工，對(duì)于施工中可能發(fā)現(xiàn)的局部破碎帶、斷層軟弱破碎帶，應(yīng)局部特殊處理。

3.3.3K203+680～K203+750（洞身及南洞口）

圍巖巖性為以全、強(qiáng)風(fēng)化千枚狀粉砂質(zhì)板巖為主夾變余砂巖及石英脈體，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體軟硬不均，總體較軟，地下水較豐富。圍巖橫、縱向變化均比較大。右側(cè)洞壁較薄甚至裸露，巖體風(fēng)化呈土夾石狀，左側(cè)洞壁稍好。圍巖易坍塌變形，處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生大坍塌，右上角地表可能出現(xiàn)塌陷。右壁處理不當(dāng)易出現(xiàn)大坍塌，圍巖類別綜合定為Ⅱ類。建議：采用單壁導(dǎo)坑法或正臺(tái)階法施工或暗洞明做，開挖前必須進(jìn)行超前支護(hù)處理，洞口和洞頂應(yīng)采用長導(dǎo)管超前支護(hù)，洞壁采用深孔注漿阻水和抗偏壓，確定開挖期間洞室的穩(wěn)定，開挖后噴錨支護(hù)并襯砌。對(duì)于洞壁較薄段應(yīng)考慮接明洞通過。

3.3.4K203+750～K203+779（左側(cè)高邊坡）

本段上部20米左右千枚狀粉砂質(zhì)板巖夾變余砂巖全強(qiáng)風(fēng)化層及其殘坡積土，巖體風(fēng)化呈粉土狀，且處于地下水出露帶，地下水比較豐富，土體抗沖刷能力差。局部下部切入強(qiáng)、弱風(fēng)化變余砂巖，呈碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡巖體總體偏軟且破碎。建議：邊坡不陡于1：1，部分錨桿強(qiáng)支護(hù)，注意坡體及地表排水設(shè)置?？紤]到進(jìn)口段坡體穩(wěn)定性差，建議接長明洞處理，確保運(yùn)營安全。

4 .結(jié)語

4.1隧道處于山體斜坡處，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，洞身左側(cè)埋深在22左右，右側(cè)最大埋深在13米左右，隧道屬于淺埋偏壓型短隧道，設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)充分考慮這方面因素。

4.2隧道開挖爆應(yīng)采用控制爆破（光面爆破或預(yù)裂爆破），盡量使圍巖少受損傷，以免爆破過大，產(chǎn)生過量費(fèi)方，影響施工進(jìn)度，同時(shí)影響上部現(xiàn)有邊坡的穩(wěn)定。

4.3隧道圍巖分類，是綜合鉆探、物探及地質(zhì)調(diào)繪等成果確定，在隧道開挖過程中，若發(fā)現(xiàn)圍巖類別劃分不準(zhǔn)確時(shí)應(yīng)根據(jù)施工實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。

4.4作為“新奧法”的重要組成部分，隧道施工必須進(jìn)行施工監(jiān)測。