某隧道工程地質(zhì)條件特征及穩(wěn)定性研究

郭利召

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

0 引 言

項目建設(shè)地點位于寬城縣下河區(qū)，道路總長1 300.00 m，其中擬建隧道全長約304.0 m，高程294.716～303.190 m，埋深1.85～28.62 m，覆土厚度1.85～28.62 m，隧道紅線寬26.5 m，隧道凈高度9.17 m，凈寬度12.10 m。通過地形、地貌、工程地質(zhì)等勘查，對場地的穩(wěn)定性和適宜性作出評價；了解物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、承載力等巖土技術(shù)參數(shù)，查明隧道圍巖及進(jìn)出洞口的地質(zhì)條件；提出該工程施工和使用期間可能發(fā)生的巖土工程問題的預(yù)測和監(jiān)控及預(yù)防措施的建議[1-4]。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

勘查區(qū)位于寬城凹褶束，總體地貌為剝蝕構(gòu)造低山區(qū)，尚義-平泉斷裂，平泉-桑園斷裂分別位于擬建場區(qū)南北兩側(cè)，但遠(yuǎn)離項目場地，影響較小。出露地層主要為中生界侏羅系中統(tǒng)及第四系，巖性以粗安巖、安山角礫巖為主。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 巖土特征

根據(jù)鉆孔揭露，將勘察范圍內(nèi)地基巖土按物質(zhì)組合、埋藏條件及成因類型等特點劃分為工程地質(zhì)層，見表1。

表1 工程地質(zhì)層巖土特征表Tab.1 Geotechnical features of the engineering geological strata

(1)土力物理力學(xué)性質(zhì)

粉質(zhì)黏土層：在該層作標(biāo)貫試驗6次，最小值6.0，最大值9.0，平均擊數(shù)N=7.5，標(biāo)準(zhǔn)值N=6.4，標(biāo)準(zhǔn)差S=1.378，變異系數(shù)δ=0.184。該層取原狀樣6件，土工試驗指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值如下：含水率W=22.1 %，重度γ=19.6 kN/m3，孔隙比e0=0.706，液性指數(shù)IL=0.17，粘聚力c=22.5 kPa，內(nèi)摩擦角φ=11.4度，壓縮模量Es0.1-0.2=6.302 Mpa(平均值)，壓縮系數(shù)a0.1-0.2=0.270 MPa-1(平均值)，屬于中壓縮性土。

角礫層：在該層作動力觸探試驗5.0 m，平均擊數(shù)N63.5=10.6，標(biāo)準(zhǔn)值N63.5=10.2，界限值8.2～13.8，標(biāo)準(zhǔn)差S=1.421，變異系數(shù)δ=0.134。該層物理力學(xué)性質(zhì)建議值：變形模量E0≈30 MPa，內(nèi)摩擦角φ≈30°，滲透系數(shù)k=2.0×10-1cm/s(經(jīng)驗值)。

(2)巖石物理力學(xué)特征

見表2。

表2 巖石物理力學(xué)特征統(tǒng)計表Tab.2 Physical mechanical features of the rock

2.2 不良地質(zhì)作用

根據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查與測繪，未發(fā)現(xiàn)巖溶、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等不良地質(zhì)作用與地質(zhì)災(zāi)害。擬建工程現(xiàn)狀不良地質(zhì)作用主要為不穩(wěn)定斜坡、崩塌[3]。

(1)不穩(wěn)定斜坡

隧道入口處為天然形成的斜坡，山體表層主要為強(qiáng)風(fēng)化巖石，坡角33°，斜坡多發(fā)生于表層強(qiáng)風(fēng)化層中，為淺表層的垮塌，規(guī)模均為小型。建議進(jìn)行工程治理，已保證安全施工及運營。

(2)崩塌

經(jīng)野外地質(zhì)調(diào)查，隧道出口處為人工開挖高邊坡，邊坡類型為巖土混合邊坡，未進(jìn)行支護(hù)，高度約為30 m，坡角約為62°?，F(xiàn)場調(diào)查，巖質(zhì)邊坡整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，未見坡體出現(xiàn)隆起、剪出等變形現(xiàn)象，但局部由于裂隙較發(fā)育，巖體被裂隙切割成塊狀，有危巖發(fā)育，在降雨引發(fā)下產(chǎn)生小規(guī)模崩塌、掉塊現(xiàn)象，掉塊、崩塌體積一般0.5～5.0 m3，危害公路、車輛及人員安全。

3 場地的穩(wěn)定性及工程建設(shè)適宜性

3.1 場地穩(wěn)定性評價

勘查區(qū)沿線地勢總體起伏較大，第四系覆蓋層厚度較厚，無液化土極特殊巖土分布?，F(xiàn)狀條件下未發(fā)現(xiàn)巖溶、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等不良地質(zhì)作用與地質(zhì)災(zāi)害，建筑場地范圍內(nèi)不存在土洞、溶洞、埋藏的河道、溝浜、墓穴、孤石等對工程不利的埋藏物。綜合評定該場地穩(wěn)定性劃分為基本穩(wěn)定場地[2]。

3.2 建筑適宜性評價

工程場地地基條件和施工條件一般，工程建設(shè)可能誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，通過工程防護(hù)可以避免，為基本適宜[4]。

4 隧道工程分析與評價

擬建隧道穿越粗安巖及安山角礫巖，進(jìn)洞口位置主要地層為粉質(zhì)黏土及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)風(fēng)化巖石及中等風(fēng)化巖石，強(qiáng)風(fēng)化巖石具有透水性強(qiáng)、遇水軟化、崩解等特點。出洞口上方存在粉質(zhì)黏土、角礫、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖石及中等風(fēng)化巖石，碎石土及強(qiáng)風(fēng)化巖石具有透水性強(qiáng)、遇水軟化、崩解等特點。

4.1 隧道進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡為天然形成的巖質(zhì)邊坡，地形較陡，邊坡傾向62°，坡角約32°，邊坡主要強(qiáng)風(fēng)化-中等風(fēng)化安山角礫巖，巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般或差，現(xiàn)場調(diào)查未見坡體出現(xiàn)隆起、剪出等變形現(xiàn)象，目前處于自穩(wěn)狀態(tài)，見圖1左。但根據(jù)巖體穩(wěn)定調(diào)查，采用赤平投影圖分析見圖2，巖體局部由于裂隙很發(fā)育，被裂隙切割成塊狀，在降雨引發(fā)下可能產(chǎn)生小規(guī)模崩塌、掉塊現(xiàn)象，建議對開挖后形成的新邊坡采用漿砌片石進(jìn)行防護(hù)。

圖1 隧道進(jìn)口段現(xiàn)狀(左)、隧道出口段現(xiàn)狀(右)Fig.1 States of the tunnel inlet and outlet sections

圖2 隧道進(jìn)口邊坡結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.2 Structural plane stereogram of the tunnel’s inlet slope

4.2 隧道出口邊坡穩(wěn)定性分析

隧道出口位于坡腳處，邊坡為人工開挖形成巖土混合邊坡，地形較陡，邊坡傾向113°，坡角約62°，坡頂被第四系覆蓋，厚度約1.0 m，以粉質(zhì)黏土及角礫為主，第四系以下為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化安山角礫巖及粗安巖，目前處于自穩(wěn)狀態(tài)，見圖1右。但施工開挖必然會形成新的巖土混合邊坡，破壞原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，根據(jù)巖體穩(wěn)定性分析，見圖3，預(yù)測邊坡變形破壞模式為，臨空面達(dá)到一定坡度時，上部強(qiáng)風(fēng)化巖層沿最不利結(jié)構(gòu)面發(fā)生折線滑動，下部巖體局部可能出現(xiàn)被裂隙切割的“棱形”或“楔形”塊體掉塊、剝落，可能會使邊坡失穩(wěn)，而產(chǎn)生局部滑動，形成嚴(yán)重的次生災(zāi)害，建議做好支護(hù)工作。

圖3 隧道出口邊坡結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.3 Structural plane stereogram of the tunnel’s outlet slope

4.3 隧道出入口邊坡治理方案

隧道出口隧道開挖后將形成巖土混合邊坡，自上至下主要地層依次為粉質(zhì)黏土、角礫、強(qiáng)風(fēng)化粗安巖(安山角礫巖)及中等風(fēng)化粗安巖(安山角礫巖)，建議采用漿砌片石防護(hù)，同時注意坡頂?shù)乇硭亓骷捌旅娣e水的疏干；隧道入口隧道開挖后將形成巖質(zhì)邊坡，主要地層為強(qiáng)風(fēng)化安山角礫巖及中等風(fēng)化粗安巖(安山角礫巖)，建議采用漿砌片石防護(hù)，同時注意坡頂?shù)乇硭亓骷捌旅娣e水的疏干。

4.4 巖體基本質(zhì)量等級評價

該文根據(jù)巖石堅硬程度、巖體完整程度兩個基本因素的定性指標(biāo)和巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc、巖體完整性指數(shù)Kv，2個分級因素的定量指標(biāo)，來確定圍巖級別[2-4]。巖石圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值BQ[3]。根據(jù)現(xiàn)場波速測試結(jié)果及巖石取樣彈性波速測試結(jié)果，確定圍巖質(zhì)量等級見表3。

表3 巖體基本質(zhì)量等級評價表Tab.3 Basic quality grading of the rock mass

進(jìn)口段：圍巖級別Ⅴ，裂隙發(fā)育，圍巖為中等風(fēng)化安山角礫巖，巖質(zhì)新鮮，巖體較破碎。開挖后，洞頂板埋深較淺，無自穩(wěn)能力，拱部無支護(hù)時可能產(chǎn)生較大的坍塌，洞口頂部兩側(cè)易產(chǎn)生剝落掉塊，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定[1]。

洞身段：圍巖級別Ⅴ，隧洞上部有碎石，易坍塌，圍巖以粗安巖為主，巖體較破碎。洞頂埋深較大，拱部無支護(hù)時可能產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動過大可能局部坍塌[2]。

出口段：圍巖級別Ⅴ，隧洞上部有碎石，易坍塌，圍巖以粗安巖為主，巖體較破碎。洞頂板埋深較淺，無自穩(wěn)能力，拱部無支護(hù)時可能產(chǎn)生較大的坍塌，洞口頂部兩側(cè)易產(chǎn)生剝落掉塊，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定[3-4]。

5 結(jié) 語

(1)隧道施工區(qū)地質(zhì)環(huán)境簡單，不良地質(zhì)作用主要為不穩(wěn)定斜坡、崩塌，規(guī)模較小。綜合評定該場地穩(wěn)定性劃分為基本穩(wěn)定場地，適宜性分級劃分為基本適宜。

(2)隧道進(jìn)、出口邊坡在自然狀態(tài)處于自穩(wěn)狀態(tài)，工程開挖后，可形成不穩(wěn)定滑坡、崩塌等次生災(zāi)害，需進(jìn)行邊坡防護(hù)。

(3)隧道巖體堅硬程度較軟，為破碎-較破碎型，圍巖級別Ⅳ-Ⅴ，隧道施工過程中，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定，可能產(chǎn)生較大的坍塌，需進(jìn)行拱部無支護(hù)處理。