四面山隧道地質(zhì)特性及其圍巖變形規(guī)律研究

郭加付+焦永寶+任松+歐陽汛

摘 要：四面山隧道屬于典型的砂泥互層圍巖隧道，其軟硬巖層性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致其層間結(jié)合力差，層理效應(yīng)明顯。通過對四面山隧道工程資料進(jìn)行收集整理，闡述了四面山隧道的地形地貌特征、地層巖性特點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造、各種不良地質(zhì)條件等方面，掌握了四面山隧道工程概況并進(jìn)行了地層巖性總結(jié)，分析了工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性，并提出了四面山隧道工程地質(zhì)評價(jià)；基于上述內(nèi)容，以四面山隧道近水平砂泥互層段為工程依托，采用數(shù)值模擬，進(jìn)行軟硬互層圍巖變形規(guī)律研究，進(jìn)而提出相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)建議，保證安全施工，研究成果對類似隧道施工及相應(yīng)支護(hù)提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞：四面山隧道 軟硬互層 圍巖變形 支護(hù)

中圖分類號：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0061-05

目前，重慶市西南區(qū)域和貴州北部交通落后，高速公路網(wǎng)相對較不完善，為改善地區(qū)間交通條件，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，因此建設(shè)重慶江津至貴州習(xí)水高速公路。四面山隧道是重慶江津至貴州習(xí)水高速公路中的一段，隧道左洞長為4 880 m，右洞長為4 875.35 m，屬于特長隧道，該隧道建設(shè)對區(qū)域經(jīng)濟(jì)及交通的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。為了更加科學(xué)地對四面山隧道進(jìn)行施工，且保證施工過程中各類防治措施的有效實(shí)施，因此，針對該隧道地質(zhì)特性進(jìn)行分析并研究其圍巖變形規(guī)律顯得尤為重要。

1 隧道工程地質(zhì)特性

1.1 地理位置及地形地貌

隧址區(qū)屬中低山地貌區(qū)。隧道進(jìn)洞口段位于斜坡地帶，高程約540～570 m，隧道進(jìn)口與斜坡坡向呈切向相交進(jìn)洞。隧道進(jìn)洞口段為一處順向坡，斜坡坡角15°～25°，局部較陡達(dá)35°，上覆土體。隧道出洞口段位于緩坡與陡崖過渡帶，高程570～650 m，擬建隧道出口延伸方向200°，隧道出洞口斜坡坡向約195°，隧道走向與斜坡坡向基本一致，斜坡坡角25°～30°，局部較達(dá)35°，上覆土體。

隧址區(qū)斜穿石龍峽背斜軸部，隧址區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)位于左線中部LZK2+280山脊線上，標(biāo)高1 197.10 m，最低標(biāo)高點(diǎn)位于隧道左線進(jìn)洞口LZK0+190，標(biāo)高540.747 m，相對高差達(dá)656.353 m，隧道最大埋深614.79 m。

1.2 地層巖性

隧址區(qū)分布地層主要為第四系（Q4）殘坡積層、崩坡積層、滑坡堆積層、白堊紀(jì)（K）上統(tǒng)夾關(guān)組及侏羅系（J）上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)斜穿石龍峽背斜軸部，其中北東翼巖層產(chǎn)狀：70°～90°∠10°～13°；軸部巖層產(chǎn)狀近水平；南西翼巖層產(chǎn)狀：185°～272°∠8°～10°，未見次級褶曲和斷層，構(gòu)造簡單。

1.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

隧址區(qū)存在的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為進(jìn)口段順向坡、進(jìn)口段崩塌堆積體、沙河1#崩坡積體、下爛壩滑坡、蔡倫屋基不穩(wěn)定斜坡、隧道出口段崩坡積體。

（1）進(jìn)口段順向坡。

隧道LZK0+190～LZK0+385段為一處順向坡，斜坡坡向45°～55°，坡角16°～22°，局部可達(dá)50°，巖層產(chǎn)狀為70°∠13°，斜坡坡角大于巖層傾角，但該段斜坡巖層產(chǎn)狀平緩，自穩(wěn)能力好，該段斜坡基巖未見變形、滑動(dòng)痕跡，斜坡基巖整體穩(wěn)定。

（2）進(jìn)口段崩塌堆積體。

該崩塌堆積體分布里程LZK0+190～LZK0+385，崩塌堆積體所處斜坡坡向約45°～55°。崩坡積體厚度約1.2～11.2 m，主要物質(zhì)組成為粉質(zhì)粘土夾砂泥巖塊石，巖土界面平緩，地表未見裂隙等變形特征，崩坡積體現(xiàn)狀處于穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，隧道左洞進(jìn)口約50 m（暗洞30 m）、右洞進(jìn)口約20 m（基本為明洞）隧道上部處于崩坡積體內(nèi)。

（3）沙河1#崩坡積體。

平面形態(tài)呈喇叭狀，縱長3.3 km，橫寬1.9 km，整個(gè)崩坡積體分布最高高程1 000 m，最低高程290 m，最大高差約710 m，整體呈斜坡地形，坡面形態(tài)總體平直，總體坡向約54°～67°，坡角一般10°～13°，斜坡底部局部稍陡，可達(dá)25°。隧道路線LZK0+435～LZK2+240段自東北向西南方向斜穿崩坡積體下方基巖，隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)高為545.192～573.992 m，地面標(biāo)高622.436～972.925 m，高差約77～399m。

（4）下爛壩滑坡。

位于斜坡頂部、沙河1#崩坡積體內(nèi)，為2012年全市地質(zhì)災(zāi)害排查所圈定的滑坡，據(jù)前人資料，該滑坡主滑方向63°，縱長約850 m，橫寬380 m，面積32.3×104 m2，滑體厚4～9 m，均厚6 m，體積194×104 m3?；缕旅嫘螒B(tài)總體平直，局部微突，斜坡總體坡角10°～11°。通過現(xiàn)場調(diào)查及訪問，該滑坡地表未見變形跡象，僅局部土房墻體開裂。擬建隧道LZK1+100～LZK1+550段斜穿該滑坡，隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)高為555.752～563.112 m，地面標(biāo)高為749.748～834.911 m，高差約193.996～271.799 m。

（5）蔡倫屋基不穩(wěn)定斜坡。

主滑方向209°，縱長約957 m，橫寬249 m，面積23.8×104 m2，滑體厚3～9 m，均厚6 m，體積142.8×104 m3。該坡面形態(tài)總體平直，局部微突，斜坡總體坡角17°～25°?，F(xiàn)場調(diào)查該滑坡地表未見變形跡象，僅局部土房墻體開裂。擬建隧道洞身段LZK2+800～LZK3+000在其北西側(cè)200 m通過，該斜坡基本穩(wěn)定，對擬建隧道基本無影響。

（6）隧道出口段崩坡積體。

該崩塌堆積體分布里程LZK4+900～LZK5+080，崩塌堆積體所處斜坡坡向約195°。崩坡積體厚度約3.1～8.3 m，主要物質(zhì)組成為粉質(zhì)粘土夾砂泥巖塊石，地表未見裂隙等變形特征，巖土界面平緩，崩坡積體現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 隧道水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)主要為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組泥巖、砂巖。地下水主要賦存于砂巖裂隙中，為淺層地下水，泥巖為相對隔水層。該地區(qū)砂巖中風(fēng)化巖體較完整，裂隙不發(fā)育，滲透系數(shù)小，且由于砂泥巖互層，上部泥巖阻隔地下水滲入下部砂巖，因此總體水量較小。隧道區(qū)未發(fā)現(xiàn)有泉水出露，該類型地表泉水稀少，泉流量多小于0.05 L/s，并多呈季節(jié)性，泉井均為久晴即干，地面多呈貧水狀，故富水性弱，地下水貧乏。

大氣降水為地下水的主要補(bǔ)給源，隧道起點(diǎn)位于斜坡地帶，地下水排泄條件好，但雨季該地帶存在臨時(shí)匯水條件，隧道在該段埋深約0～30 m，處于淺埋段，雨季地表水可能通過基巖裂隙補(bǔ)給隧道。隧道洞身LZK2+500～LZK4+100段地表地形較陡，地下水排泄條件較好。LZK4+100～隧道終點(diǎn)段多穿越山脊斜坡地帶，地下水多順坡向作短途徑流后排向地勢低洼的東北側(cè)的溝谷及茶壩河內(nèi)。

綜上，地下水的季節(jié)性明顯，隧道所處地形地質(zhì)條件決定隧址區(qū)地下水較貧乏，賦存少量裂隙水。取樣分析結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)地表水類型為HCO3-·SO42--Ca2+型。區(qū)內(nèi)地表水及地下水對砼微腐蝕性。

3 四面山隧道圍巖變形規(guī)律研究

3.1 工程穩(wěn)定性分析

隧址區(qū)斜穿石龍峽背斜軸部，其中北東翼巖層產(chǎn)狀：70°～90°∠10°～13°；軸部巖層產(chǎn)狀近水平；南西翼巖層產(chǎn)狀：200°～272°∠8°～10°，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，未見次級褶曲和斷層，構(gòu)造簡單。洞身地面山體穩(wěn)定，地層分布連續(xù)，無斷層破碎帶，區(qū)域地質(zhì)整體穩(wěn)定性較好。穿越地層主要為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組砂巖、泥巖，隧道最大埋深左線614.7 m，右線608.5 m。根據(jù)區(qū)域資料，隧址區(qū)內(nèi)無高地應(yīng)力存在，根據(jù)區(qū)域資料，隧址區(qū)內(nèi)無高地應(yīng)力存在。隧址區(qū)內(nèi)無煤層分布，無有毒有害氣體，無采空區(qū)及巖溶現(xiàn)象，不會(huì)發(fā)生突水突泥。

根據(jù)地勘資料，隧址區(qū)內(nèi)巖體為由砂巖和泥巖組成的近水平層狀圍巖，且對于隧道圍巖及其相應(yīng)施工方案進(jìn)行了總結(jié)歸類[1]，具體如表1所示。

3.2 模型建立

根據(jù)《四面山隧道施工設(shè)計(jì)說明》及相關(guān)地勘資料，對砂泥互層V級圍巖段隧道進(jìn)行開挖模擬，隧道斷面為三心拱形，其尺寸如圖1所示模擬過程中以平面應(yīng)變模型進(jìn)行處理分析，并建立幾何模型如圖2所示。所模擬圍巖范圍寬300 m，高118 m，尺寸參數(shù)遠(yuǎn)大于開挖半徑。此時(shí)隧道開挖與模型邊界相互無明顯影響。巖層自上而下為泥巖（34 m）—砂巖（31 m）—泥巖（12 m）—砂巖（9 m）—泥巖（9 m）—砂巖（23 m），其中，泥巖為軟巖，砂巖為較軟巖。用桿單元Link1模擬錨桿，梁單元Beam3模擬噴射混凝土，平面單元Plane42模擬巖體，數(shù)值模擬所需力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.3 模擬結(jié)果及分析

圖3、圖4為隧道開探位移結(jié)果，模擬結(jié)果顯示，四面山V級砂泥巖段隧道拱頂下沉相對水平收斂變形更為明顯，圖5、圖6為隧道應(yīng)力場結(jié)果?？梢姡淼绹鷰r應(yīng)力最大值集中在隧道拱肩部分，且由襯砌受力（圖7）及錨桿受力（圖8），隧道拱肩處錨桿及襯砌受力最大，拱腰處錨桿受力很小，且拱腳處部分錨桿受壓，可見目前四面山砂泥互層圍巖段隧道常用的支護(hù)設(shè)計(jì)方案可行，但造成了很大程度的浪費(fèi)，因此，針對四面山隧道可進(jìn)一步提出類似隧道的施工設(shè)計(jì)建議。

4 工程穩(wěn)定性分析及施工設(shè)計(jì)建議

該隧道V級砂泥互層圍巖分布在隧道進(jìn)口、隧道出口以及隧道洞身部分圍巖段，以隧道左洞為例，其具體圍巖質(zhì)量指標(biāo)劃分以及相應(yīng)力學(xué)性質(zhì)如表3所示。

綜合以上隧道地質(zhì)特性分析可知，隧道施工設(shè)計(jì)方案未針對性考慮圍巖中層理效應(yīng)等方面存在的影響。另外，對于近水平軟硬互層圍巖隧道穩(wěn)定性及其支護(hù)作用特點(diǎn)所進(jìn)行的工作相對不夠，因此該文針對砂泥互層V級圍巖隧道施工及其支護(hù)方案提出相應(yīng)的建議，并對水平軟硬互層圍巖隧道在初期支護(hù)方面可進(jìn)行相應(yīng)的改善。

4.1 隧道超前支護(hù)建議

四面山隧道V級砂泥互層圍巖段砂巖為較軟巖，泥巖為軟巖，可見巖性較差。開挖前需采取相應(yīng)的超前支護(hù)措施，對于超前支護(hù)手段，有超前錨桿方案和超前小導(dǎo)管方案可供選擇，超前錨桿作用在于將隧道圍巖錨固成整體，提高層間強(qiáng)度，但此方案對層狀圍巖水平方向影響較小。因此，建議采取超前小導(dǎo)管進(jìn)行噴漿，可使圍巖裂隙加固更能有效地保證圍巖的穩(wěn)定開挖。

4.2 隧道開挖建議

當(dāng)軟硬互層圍巖層理傾角為水平或者近水平時(shí)，隧道拱頂處最小主應(yīng)力明顯要小于隧道斷面的其他部位，最大主應(yīng)力則在拱腰處。由于隧道開挖后的圍巖具有沿垂直層理方向的滑動(dòng)、應(yīng)力釋放，變形特點(diǎn)表明水平軟硬互層隧道的一大特點(diǎn)，即水平層理對于隧道拱頂及拱底穩(wěn)定性不利，需時(shí)常注意拱頂及拱底的變形情況[2]。

由于巖質(zhì)多軟弱，以軟巖為主，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，層間結(jié)合一般。無自穩(wěn)能力，洞口淺埋段洞頂易坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，淺埋時(shí)易出現(xiàn)地表下沉（陷）或坍至地表，洞身段拱部及側(cè)壁無支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生坍塌、失穩(wěn)。施工時(shí)應(yīng)采用導(dǎo)洞或臺(tái)階分部開挖，同時(shí)采取二次復(fù)合支護(hù)。

4.3 錨桿支護(hù)建議

水平軟硬互層圍巖隧道另一特點(diǎn)，即隧道水平收斂數(shù)值相對較小這一事實(shí)，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，并對層狀圍巖隧道而言，錨桿作用大都體現(xiàn)在錨固作用方面，即錨桿的作用主要在于提高層間強(qiáng)度。綜合以上特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，錨桿對水平巖層層理影響較小，目前的支護(hù)方案相對更為保守，但在錨桿使用上卻造成了很大的浪費(fèi)，因此，對初期支護(hù)中的錨桿支護(hù)作用進(jìn)行了分析。對錨桿支護(hù)，由于水平方向的錨桿受力很小，錨桿所產(chǎn)生的作用對隧道圍巖穩(wěn)定性基本無較大影響，針對此狀況，可結(jié)合數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證其合理性[3]。將一定角度范圍內(nèi)的錨桿取消，不僅可獲得良好的加固效果，錨桿受力更充分，并實(shí)現(xiàn)錨桿與圍巖共同承載。此外，節(jié)省了錨桿支護(hù)數(shù)量，降低了支護(hù)材料消耗和支護(hù)成本[4]。且更好地應(yīng)對開挖所產(chǎn)生的應(yīng)力場變化和位移場的變化。

另外，對于拱肩錨桿受力較拱頂錨桿大的特點(diǎn)，需加強(qiáng)對錨桿支護(hù)作用的監(jiān)控量測，與此同時(shí)，將拱頂錨桿稍移向拱肩也是可行的。

4.4 初襯支護(hù)建議

水平層狀圍巖拱頂處松動(dòng)圈范圍大，拱腰處松動(dòng)范圍小，這與其他類型的隧道有著明顯的差距。針對四面山隧道V級砂泥互層圍巖特點(diǎn)，對初期支護(hù)采取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，此類支護(hù)方案大有裨益，解決了后期支護(hù)開裂問題，也對二次襯砌后的隧道安全性、耐久性、承載能力等方面進(jìn)行了完善。

4.5 二襯支護(hù)建議

由于四面山砂泥互層V級圍巖明顯的層理作用，在保證安全規(guī)范地施工前提下，縮短二襯養(yǎng)護(hù)時(shí)間，不僅能更好地保證開挖歩距規(guī)范化，還能保證隧道施工安全、高效的進(jìn)行。

5 結(jié)論

對四面山隧道進(jìn)行地址特性分析，并對砂泥互層V級圍巖隧道進(jìn)行分析及施工設(shè)計(jì)建議，主要得到以下結(jié)論。

（1）對于四面山砂泥互層V級圍巖隧道中出現(xiàn)明顯層理作用的情況，在施工過程中必須時(shí)常注意拱頂及拱底處隧道圍巖的穩(wěn)定性。另外，對于拱肩錨桿作用大于拱頂錨桿的特點(diǎn)，需加強(qiáng)拱肩錨桿受力的監(jiān)控量測。

（2）針對砂泥互層V級圍巖隧道段并結(jié)合其特點(diǎn)，建議超前支護(hù)采取超前小導(dǎo)管對隧道圍巖進(jìn)行加固。

（3）四面山砂泥互層V級圍巖段隧道由于圍巖巖性較弱，建議采取臺(tái)階法或?qū)Ф捶ㄟM(jìn)行分步開挖。

（4）砂泥互層V級圍巖段隧道拱腰部分錨桿支護(hù)作用較小，建議取消拱腰處一定角度的錨桿，并結(jié)合數(shù)值模擬方法進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)；另外，根據(jù)拱肩部分錨桿受力大于拱頂錨桿特點(diǎn)，可將拱頂部分錨桿移向拱肩，既保證了圍巖的穩(wěn)定，錨桿受力也更充分，也實(shí)現(xiàn)了錨桿圍巖的共同承載，減少了錨桿浪費(fèi)。

（5）根據(jù)四面山砂泥互層V級圍巖松動(dòng)圈范圍，建議初期支護(hù)采取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（6）建議四面山砂泥互層V級圍巖段在保證安全規(guī)范地施工前提下，縮短二襯養(yǎng)護(hù)時(shí)間，規(guī)范開挖歩距，保證隧道安全高效施工。

（7）四面山隧道砂泥互層V級圍巖段開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)建議適用于類似隧道施工，并具有一定的借鑒意義。

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