某隧洞主要工程地質(zhì)問題分析與評價(jià)

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 沈陽 110006)

1 工程概況

某隧洞工程位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內(nèi),總長度約28.4km,采用圓拱直墻式無壓隧洞,洞寬2.53m,洞高3.35m,直墻高2.15m,圓拱中心角180°。洞室一般埋深150～200m,最大埋深300m。

2 地形地貌

隧洞大部分為構(gòu)造剝蝕地形——緩隆起剝蝕低山——渾圓狀低山區(qū)。地面高程一般在150～400m,最大高程約410m,地表植被較發(fā)育～不發(fā)育,基巖埋深較淺,山頂一般直接裸露,表層多為殘積物掩蓋,一般層厚1～2m。

3 地層巖性

線路穿越地層巖性主要為:中生界地層、新生界地層。中生界地層:侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)、侏羅系上統(tǒng)張家口組(J3z)、白堊系下統(tǒng)義縣組(K1y),新生界地層:第四系更新統(tǒng)(Qp3m)和全新統(tǒng)(Qh1pal)。

3.1 侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)

主要分布在本區(qū)的西南,隧洞中后部大部分地區(qū),隧洞前段也有揭露。以安山巖、玄武巖等中基性熔巖及少量火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖組成。

3.2 侏羅系上統(tǒng)張家口組(J3z)

主要分布在隧洞前部,巖性有石英粗面巖、安山質(zhì)角礫巖、石英安山玢巖、流紋質(zhì)火山角礫巖,火山集塊角礫巖、復(fù)成分礫巖,含礫凝灰質(zhì)巖屑砂巖等。

3.3 白堊系下統(tǒng)義縣組(K1y)

分布在本區(qū)東北部和北部,隧洞中前部,底部與髫髻山組(J2t)角度不整合接觸,巖性特征為中基性火山熔巖夾火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖。

3.4 第四系更新統(tǒng)(Qp3m)

分布于七道嶺鄉(xiāng)二良圖溝蘇家營子巴圖營子河右岸和隧洞出口處,巖性主要為坡洪積砂礫石、亞砂土。多呈密實(shí)狀,位于Ⅱ級基座階地表層。

3.5 第四系全新統(tǒng)(Qh1pal)

分布于巴圖營子河河谷。主要巖性為砂、礫石、卵石等,砂層中多發(fā)育交錯層理構(gòu)造,為河流沖洪積產(chǎn)物。多形成河漫灘及一級階地。

4 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)屬華北古陸東北部,晚古生代——中生代侏羅紀(jì)末處于興蒙復(fù)合造山區(qū)的前峰帶(原內(nèi)蒙地軸)和前陸盆地,北臨西蒙造山帶。中生代白堊紀(jì)以來被環(huán)太平洋構(gòu)造帶所疊加,區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜。晚侏羅紀(jì)張家口組比較特殊,它堆積于金嶺寺——羊山盆地隆起帶或斷裂帶上。

工程區(qū)以燕山期構(gòu)造為主,其特點(diǎn)為褶皺構(gòu)造作用較弱,多形成平坦開闊的背向斜和單斜,斷裂構(gòu)造極為發(fā)育,并以逆斷層為主,規(guī)模較大,它們多集中于構(gòu)造盆地邊緣,控制著各期火山巖的分布。

4.1 斷裂構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測及1∶5萬遙感解譯,主要有兩條較大斷裂:沈家臺——新立屯斷裂(F6)、上園——金嶺寺斷裂(F4),本區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育。

4.2 層理構(gòu)造

侏羅系、白堊系沉積的凝灰質(zhì)砂礫巖、復(fù)成分礫巖多呈厚層～巨厚層狀,層理面并不明顯。

層理(沉積韻律)構(gòu)造對洞室穩(wěn)定有一定的影響,但由于其多閉合,為隱蔽層理,不構(gòu)成軟弱結(jié)構(gòu)面,對洞室穩(wěn)定性影響有限,主要反映在對巖石強(qiáng)度各向異性影響上。

5 水文地質(zhì)條件

5.1 地下水類型

洞線地下水類型主要為:松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。松散巖類孔隙潛水賦水性強(qiáng),滲透性強(qiáng),多為洞室淺埋河谷段,特別在砂卵礫石層地區(qū),洞室開挖過程中易發(fā)生涌突水,影響洞室穩(wěn)定及施工。基巖裂隙的賦水性較差,地下水活動微弱。局部穿越斷層部位構(gòu)造裂隙水,有較好的賦水條件,且滲透性較好,易產(chǎn)生突水、涌水,從而影響洞室穩(wěn)定。

工程區(qū)主要受大氣降水及地表水的補(bǔ)給。豐水期大氣降水通過地表徑流等方式沿裂隙和孔隙通道直接或間接補(bǔ)給地下水,地表水受大氣降水補(bǔ)給后以短歷時補(bǔ)給地下水;枯水期地表水受兩岸地下水的補(bǔ)給。地下水主要以淺循環(huán)形式,通過徑流方式,沿水力通道(基巖裂隙和松散巖孔隙)與大氣降水及地表水發(fā)生水力聯(lián)系,局部在斷層破碎帶以深循環(huán)形式存在。

5.2 地下水腐蝕性

通過沿線鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕,對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具有弱腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)均具有微腐蝕性。

6 洞室圍巖工程特性

6.1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

洞室部位除中生代沉積的復(fù)成分礫巖、礫巖、砂巖、頁巖以及各洞室內(nèi)進(jìn)出口部位的全強(qiáng)風(fēng)化巖(屬軟巖～極軟巖)外,大部分洞室部位的弱風(fēng)化～新鮮巖石均為中硬巖～堅(jiān)硬巖。局部泥質(zhì)巖石具有一定的膨脹、崩解特性,紫紅色凝灰?guī)r崩解性較強(qiáng)[1]。

6.2 洞室圍巖完整性

影響洞室圍巖完整性的因素主要有:地形地貌、巖石結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造。地形地貌上進(jìn)出口部位多面臨空、河谷兩側(cè)臨空造成巖體卸荷裂隙較發(fā)育;溝谷淺埋部位,為強(qiáng)風(fēng)化巖;呈薄層狀的頁巖、砂巖;處于斷裂破碎帶等是造成巖體呈破碎～完整性差的主要原因,而洞室埋藏深、構(gòu)造不發(fā)育、巖體呈塊狀、中厚層～巨厚層狀則是本區(qū)洞室圍巖處于較完整～完整狀態(tài)的主要條件[2]。

工程區(qū)鉆孔揭露的構(gòu)造不發(fā)育段巖體多為完整～較完整。

6.3 洞室圍巖透水性

洞室部位巖體風(fēng)化較弱或?yàn)樾迈r巖,弱～微透水。通過鉆孔壓水實(shí)驗(yàn)分析:圍巖透水性總體均不大,一般在1～4Lu之間。主要是因?yàn)閹r體結(jié)構(gòu)面不發(fā)育,且含泥質(zhì)巖和巖漿巖居多。

7 主要工程地質(zhì)問題分析

7.1 隧洞進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定

隧洞進(jìn)出口處為弱風(fēng)化巖漿巖,呈塊狀～巨塊狀,進(jìn)口處基巖裸露,陡直,自然坡高不大,一般不超過15m。長期以來在坡腳處均未發(fā)現(xiàn)崩塌及滑移體,自然邊坡均較穩(wěn)定。邊坡開挖過程中應(yīng)根據(jù)巖體風(fēng)化情況及開挖高度適當(dāng)放坡,并采取一定護(hù)坡措施。

7.2 洞室圍巖穩(wěn)定

大部分洞室可根據(jù)圍巖類別正常施工,部分洞段存在一些特殊類型的洞室圍巖穩(wěn)定問題,需進(jìn)行專門研究和處理。

過溝、淺埋段洞室圍巖的穩(wěn)定性較為復(fù)雜,建議設(shè)計(jì)對洞室施工期的臨時支護(hù)措施進(jìn)行專門研究。

穿越斷層及影響帶、角度不整合接觸帶巖石強(qiáng)度低,巖體破碎,軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育,透水性強(qiáng),且往往富含地下水,導(dǎo)致塌方失穩(wěn)變形瞬間發(fā)生。建議設(shè)計(jì)和施工根據(jù)實(shí)際情況采取專門超前支護(hù)措施和適當(dāng)支護(hù)措施。

斷層影響帶以外巖體多完整性差～較完整,巖性主要為安山質(zhì)火山角礫集塊熔巖、蝕變安山巖及少量凝灰?guī)r,弱風(fēng)化,局部微風(fēng)化,為較軟巖～中硬巖,以滲滴水～線流為主,圍巖局部穩(wěn)定性差,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

在洞室開挖過程中遇到軟質(zhì)巖段可能出現(xiàn)層板狀連續(xù)塌落現(xiàn)象,同時在洞室埋深較深部位會出現(xiàn)圍巖變形過大的問題。洞室開挖遇到上述巖石應(yīng)及時支護(hù),并封閉仰拱,同時設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)先考慮圍巖變形過大的問題[3]。

隧洞穿越白堊系、侏羅系部分凝灰質(zhì)、凝灰質(zhì)膠結(jié)火山角礫巖、砂礫巖等多具有膨脹、崩解特性。巖礦分析試驗(yàn)表明,凝灰?guī)r中具膨脹特性的蒙脫石含量在30%～44%之間。從該膨脹巖的特性推測,洞室在開挖至此巖體段時,由于巖石強(qiáng)度低,且地下水和卸荷作用,一般會發(fā)生崩解致使洞室發(fā)生崩塌破壞。在前期支護(hù)和后期運(yùn)行期間膨脹巖體會發(fā)生洞室?guī)r體變形而對襯砌產(chǎn)生一定的膨脹壓力。建議設(shè)計(jì)對開挖洞徑預(yù)留變形,施工過程中應(yīng)及時進(jìn)行支護(hù),注意監(jiān)測地下水的情況,同時嚴(yán)格控制施工用水。

7.3 隧洞涌水

由于本隧洞埋深大,圍巖多為微～若透水,采用裘布依理論式、地下水徑流模數(shù)法進(jìn)行正常隧洞涌水量預(yù)測。整體正常涌水量為2582m3/d,近似得出單位長度隧洞正常涌水量為0.04m3/d·m,說明地下水流量較小。

隧洞穿越地形為低山區(qū),地下水弱發(fā)育,圍巖多處于弱～新鮮巖之中,節(jié)理裂隙弱發(fā)育,主要為基巖裂隙水,巖體透水性較差,以面狀滴水或線流為主,施工中注意做好防排水措施[4]。

7.4 隧洞外水壓力

本工程巖層呈弱透水～微透水,且隨深度增加有變?nèi)踮厔?因此隨埋深增大洞室外水壓力一般不大。

按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》根據(jù)巖土體滲透性等級初步確定外水壓力折減系數(shù)βe值,由于正常巖體透水率均較小,外水壓力折減系數(shù)建議采取0.2～0.4。斷層、出口部位外水壓力折減系數(shù)βe可按0.8～0.9考慮。

7.5 地應(yīng)力

根據(jù)本工程地應(yīng)力的實(shí)際分布情況,初始應(yīng)力自重應(yīng)力略小于垂直向應(yīng)力。地應(yīng)力估算按σm=1.2σv,通過估算最大水平主應(yīng)力σm<12 MPa。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb一般在30～100 MPa,估算巖石強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σm一般>4,屬中等偏低地應(yīng)力量級[5]。

當(dāng)巖體同時滿足高地應(yīng)力、硬脆、較完整～完整、無地下水,則判定為巖爆。本工程洞室埋深最大為300m左右,地應(yīng)力中等偏低,巖石一般不屬于硬脆巖,根據(jù)巖爆的判別條件,一般不會發(fā)生巖爆[6]。

7.6 隧洞圍巖分類

按巖組(巖性)進(jìn)行洞室段分組,在巖組(巖性)段內(nèi)按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,通過巖石強(qiáng)度、完整性、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀5大方面進(jìn)行總評分,以評價(jià)圍巖穩(wěn)定性,通過圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比對洞室圍巖評分進(jìn)行修正,得到最終的圍巖類別[7]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)各類圍巖所占比例約為Ⅲ類81.2%(23098m)、Ⅳ類12.8%(3633m),Ⅴ類6.0%(1708m)。

7.7 有毒有害氣體等

洞線附近地表無溫泉,在鉆孔中未發(fā)現(xiàn)地溫異常,表明本區(qū)地溫正常。工程區(qū)礦產(chǎn)資料表明,洞線附近無硫鐵礦層、煤層、瀝青油頁巖等礦產(chǎn)富集地層,無有毒有害氣體來源,即使存在濃度也較小,對施工影響較輕微[8]。

8 結(jié)論與建議

通過對隧洞工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析,對主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行評價(jià):

1)隧洞進(jìn)出口段應(yīng)適當(dāng)放坡,并采取防護(hù)措施;隧洞大部分洞室可根據(jù)圍巖類別正常施工;過溝、淺埋段建議對支護(hù)措施進(jìn)行專門研究;穿越斷層及影響帶等建議采取適當(dāng)支護(hù)措施;建議膨脹巖段預(yù)留變形,并嚴(yán)格控制地下水;

2)由于本隧洞埋深較大,洞室部位地下水發(fā)育均較差,大部分洞段開挖以滴水或線流為主,施工中注意做好防排水措施;洞室隨埋深增大外水壓力一般不大;

3)根據(jù)本工程地應(yīng)力分布的實(shí)際情況,初始應(yīng)力的垂直向應(yīng)力略大于自重應(yīng)力。地應(yīng)力中等偏低,一般不會發(fā)生巖爆;本區(qū)地溫正常,無有毒有害氣體來源;經(jīng)統(tǒng)計(jì)本工程各類圍巖以Ⅲ類、Ⅳ類為主。

4)本隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜,現(xiàn)有勘察工作難以完全滿足施工精度,建議施工階段根據(jù)洞室開挖地質(zhì)情況及時調(diào)整圍巖類別及支護(hù)參數(shù)。