華南某典型花崗巖隧道工程的地質(zhì)特征及意義

徐燕君

（廣州市政府投資項目研究評審中心 廣州510800）

0 引言

應(yīng)力場隨隧道開挖發(fā)生重分布［1-5］，應(yīng)力重分布區(qū)域即為圍巖［6-9］。華南地區(qū)廣泛分布花崗巖，構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)隧道工程建設(shè)的最常見圍巖類型，尤其是長大深埋隧道隧道工程。基于此，本研究以華南地區(qū)某穿越花崗巖圍巖的隧道工程為對象，利用隧道的圍巖分級、隧道涌水及穩(wěn)定性評價等手段探究花崗巖地區(qū)隧道建設(shè)的工程地質(zhì)條件及應(yīng)對策略為該隧道的建設(shè)提供參考。

1 區(qū)域特征

某隧道工程全長2 944 m 并屬于典型的長隧道。隧址區(qū)屬于華南褶皺系粵中拗陷，在構(gòu)造綱要上為褶皺凸起的丘陵臺地，受北東向紫金-博羅大斷裂控制，項目區(qū)位于東莞斷陷盆地東南部邊緣，它是拗陷帶中的相對隆起區(qū)，多為燕山期巖體所貫入，呈北東向和東西向展布。區(qū)域斷裂主要有南坑-虎門和石龍-厚街兩條北東向斷裂，這兩條斷裂隱伏于該區(qū)域的南北兩側(cè)。

隧址區(qū)在地貌上屬于低山丘陵地貌類型，山頂部地形相對較緩，共兩側(cè)地形較陡，多形成陡坡或懸崖，沿隧道軸線地形最高高程約202.32 m，最大埋深124.6 m。隧道起點洞口外側(cè)地勢起伏較大，線路基本垂直地形線進(jìn)洞，斜坡坡向約263°左右，整體地形坡角30°～45°。隧道終點洞口南及東側(cè)地勢起較平坦，北側(cè)地形起伏較大，多為果園，線路基本平行北側(cè)山坡走向出洞，斜坡坡向約80°左右，整體地形坡角15°～30°。

2 地層巖性

野外調(diào)研及鉆探結(jié)果顯示，該地區(qū)勘察場地下部巖土大體可分為如下7層：

⑴素填土：灰褐色、灰白色，稍濕，主要由粘性土和花崗巖塊組成，為舊采石場回填。零星分布，厚0.80～5.50 m。鉆孔樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為30 kPa，地基承載力基本容許值110 kPa。

⑵耕植土：黃紅色，以粘性土為主，結(jié)構(gòu)松散。局部分布，厚1.30～1.80 m。鉆孔樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為30 kPa，地基承載力基本容許值110 kPa。

⑶粉質(zhì)粘土：褐黃色，坡積成因，主要成份為粘土顆粒，混有10%～25%的不均勻石英顆粒，硬塑。局部分布，厚1.00～6.50 m。鉆孔樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為65 kPa，地基承載力基本容許值250 kPa。

⑷強風(fēng)化花崗巖：極軟巖，褐黃色～褐灰色，半巖半土狀，巖塊直徑1～8 cm 為主，可折斷或易擊碎。零星分布，厚7.70～15.60 m。鉆孔樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為100 kPa，地基承載力基本容許值450 kPa。

⑸強風(fēng)化花崗巖：灰白色、灰褐色，巖石風(fēng)化強烈而解體，結(jié)構(gòu)已大部破壞，僅石英和部分鉀長石較完整，巖芯呈半巖半土狀，遇水極易軟化、崩解，干鉆不易鉆進(jìn)。分布廣泛，厚1.30～16.70 m。鉆孔樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為120 kPa，地基承載力基本容許值500 kPa。

⑹中風(fēng)化花崗巖：灰白色、肉紅色，塊狀、中粗結(jié)構(gòu)，礦物成份以石英、長石、黑云母為主，裂隙發(fā)育、呈灰褐色，巖芯呈塊、柱狀，錘擊易沿裂隙裂開，錘擊場清脆，節(jié)長在0.05～0.20 m不等。全場地分布，厚1.50～76.20 m。

⑺微風(fēng)化花崗巖：灰黑色，肉紅色，塊狀構(gòu)造，中粗粒結(jié)構(gòu)，以石英、長石、黑云母為主，裂隙稍發(fā)育，巖芯呈柱狀-短柱狀，節(jié)長在0.05～0.55 m 不等。大部分布，厚89.70 m。地基承載力基本容許值2 500 kPa。

3 工程特性分析

3.1 圍巖特征分析

在本研究中，洞底以上3 倍洞高的洞室范圍內(nèi)以及洞底板下按巖性分別采取巖石進(jìn)行物性、強度、變形、剪切試驗，其結(jié)果如表1所示。

圍巖質(zhì)量指標(biāo)BQ和［BQ］值的計算公式如下：

式中：Rc為巖石的飽和抗壓強度；Kv為巖體完整性系數(shù)，由節(jié)理裂隙發(fā)育、鉆探巖芯的采取率等因素綜合確定，隧道K10+203～K10+900、K12+200～K13+179 的巖體以較完整為主，Kv為0.55～0.75；隧道K10+900～K12+200 的巖體以破碎為主，對應(yīng)的Kv值為0.15～0.35。

BQ須進(jìn)行修正：

式中：K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)。該隧址區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙走向與隧道洞軸線夾角大于60°，結(jié)構(gòu)面傾角小于75°，因此K3可取值為0.3；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)（本隧道暫定為0）。

3.2 圍巖分級

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本隧道圍巖可分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三級，其中Ⅴ級圍巖長約2 831 m，占隧道全長的約48.3%；Ⅳ級圍巖長約1 800 m，占隧道全長的約30.7%；Ⅲ級圍巖長約1 225 m，占隧道全長的約21.0%。隧道洞身段圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主，巖性為中風(fēng)化花崗巖，強度較一般～高，穩(wěn)定性較好，屬于較軟巖，局部巖體破碎，裂隙較發(fā)育，易產(chǎn)生涌水、突水現(xiàn)象，應(yīng)做好支護(hù)襯砌措施，提前預(yù)防、預(yù)報，并做好地下水的疏導(dǎo)工作。隧道起點的進(jìn)口段：地形較陡，坡向約263°左右，坡角為30°～45°，洞口附近以花崗巖為主風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差，如果處理不當(dāng)有可能發(fā)生崩塌、滑塌的可能。勘察期間，該隧道洞口附近的邊坡未見崩塌。洞口段巖性為花崗巖巖，坡上覆蓋1～3 m 厚的殘坡積土；基巖中主要不利結(jié)構(gòu)面組合為346°∠84°、215°∠25°，裂隙較平整，均為硬性結(jié)構(gòu)面，洞口左、右側(cè)邊坡和仰坡形成外傾結(jié)構(gòu)面，須對邊坡進(jìn)行邊坡和仰坡錨噴+砼格梁支護(hù)。隧道終點的出口段：地面自然坡角為15°～30°，坡向約為80°，等高線與隧道軸線垂直；洞口以花崗巖為主，風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差，如果處理不當(dāng)有可能發(fā)生崩塌、滑塌的可能?？辈炱陂g，該隧道洞口附近的邊坡未見崩塌。洞口段巖性為花崗巖巖，坡上覆蓋1～3 m 厚的殘坡積土；基巖中主要結(jié)構(gòu)面組合為160°∠76°、230°∠65°，裂隙較平整，均為硬性結(jié)構(gòu)面，左、右洞自然邊坡和仰坡無外傾結(jié)構(gòu)面，對坡面穩(wěn)定無明顯的不利影響。

3.3 水文地質(zhì)特征

地下水主要為基巖裂隙潛水，由于強-中風(fēng)化巖體的裂隙較發(fā)肓，含有一定量的裂隙潛水；主要接受降水、地表水體及山坡上部地下水的下滲補給，水位埋深隨季節(jié)、地勢變化。鉆孔CSZK2～CSZK3 處巖體破碎～較破碎，裂隙較發(fā)育，連通性好，在巖體寬大裂隙帶附近，可能會產(chǎn)生涌水，隧道開挖改變了地下水排泄條件，導(dǎo)致地表水沿局部寬大裂隙向隧道內(nèi)匯集，形成短時涌水現(xiàn)象。

本次勘察采用《鐵路工程水文地質(zhì)勘測規(guī)程：TB 10049-2004》中的簡易均衡法中的大氣降雨入滲法估算隧道的涌水量。利用如下公式計算：

式中：QS為預(yù)測隧道正常涌水量（m3/d）；α為降水入滲系數(shù)，按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗及巖性來取值，α=0.57；W為多年平均降雨量（mm），根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳举Y料，多年平均降雨量為1 774.1 mm；A為隧道通過含水體地段的集水面積（km2），根據(jù)1∶10 000地形圖計算所得，A=1.865 km2。

代入數(shù)值，可計算出隧道K10+203～K13+197 預(yù)測正常涌為5 167.513 m3/d。

表1 隧道各級圍巖的主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Surrounding Rock at All Levels of Tunnel

4 討論

本研究隧道隧址區(qū)工程地質(zhì)條件一般，圍巖強度一般，穩(wěn)定性較差。該隧道的圍巖級別有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三級，巖體的完整性較差。隧道淺埋，開挖易引起巖土體的坍塌，施工時應(yīng)作好預(yù)防措施和相關(guān)的監(jiān)測工作。隧道進(jìn)出口處地形較陡峻，洞口的邊坡、仰坡，開挖易產(chǎn)生崩塌、滑塌現(xiàn)象，埋深較小，開挖易出現(xiàn)地表下沉或坍塌。

4.1 隧道進(jìn)出口

隧道進(jìn)出口邊坡和仰坡主要為土質(zhì)及類土質(zhì)邊坡為主，開挖后易產(chǎn)生滑塌，建議邊、仰坡的坡率宜按不陡于1∶1.0（對順層坡宜不陡于1∶1.25）進(jìn)行設(shè)計，同時開挖后及時采取防護(hù)措施，如護(hù)面墻、六方體砌塊護(hù)坡等，對不穩(wěn)定的順層邊坡可采用錨桿進(jìn)行加固支護(hù)。隧道進(jìn)出口部位地形較陡，是滑坡、崩塌易發(fā)生地段，隧道的施工應(yīng)作好預(yù)防措施。同時，應(yīng)作好邊坡上部地表水的引排工作。

4.2 隧道水文特征

隧道的涌水量僅采用大氣降雨入滲法進(jìn)行了估算，由于所選用的參數(shù)與現(xiàn)場地質(zhì)條件可能有一定的差別，精度不高，僅作參考；建議在施工過程中應(yīng)作好對圍巖水文的監(jiān)測、預(yù)報工作，并根據(jù)具體情況及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)和施工方案。隧道洞身上部現(xiàn)有植被發(fā)育，長勢很好，隧道的施工會引起上部山體的地下水位下降，從而使現(xiàn)有環(huán)境遭到破壞，建議隧道施工時作好洞內(nèi)地下水的防堵工作。

4.3 隧道工程地質(zhì)

本工程隧道屬于長隧道，其工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，本研究揭露的巖石完整性較差并以花崗巖為主。隧道屬于隱蔽性的地下工程，勘察時由于受到鉆探揭露的局部性、物探勘察解釋的多義性和地下巖土層變化的復(fù)雜性等客觀條件的限制，可能會出現(xiàn)實際地質(zhì)條件與本次勘察成果不一致的情況，因此在施工過程中應(yīng)作好對圍巖的超前預(yù)報工作（建議采用水平超前鉆、TSP 探測系統(tǒng)或地質(zhì)雷達(dá)等方法），及時根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況及監(jiān)測成果調(diào)整圍級別及相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)和施工方案，做到動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工，以使隧道的設(shè)計、施工和運營安全可靠、經(jīng)濟合理。

5 結(jié)論

基于勘察資料，本文對華南某花崗巖地區(qū)隧道的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明：隧道隧址區(qū)工程地質(zhì)條件一般，圍巖強度一般，穩(wěn)定性較差；隧道進(jìn)出口部位地形較陡，是滑坡、崩塌易發(fā)生地段，隧道的施工應(yīng)作好預(yù)防措施；隧道施工時作好洞內(nèi)地下水的防堵工作；應(yīng)及時根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況及監(jiān)測成果調(diào)整圍級別及相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)和施工方案，做到動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工，以使隧道的設(shè)計、施工和運營安全可靠、經(jīng)濟合理。