某隧道隧址區(qū)初步工程地質(zhì)特征研究

邵亞紅

摘要 為了實現(xiàn)“十三五”安徽省高速公路縣縣通工程，S11巢黃高速為連接南北重要通道，其中位于青陽、涇縣縣界的某隧道更為控制性節(jié)點工程。文章以該隧道地質(zhì)特征為研究對象，利用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探及室內(nèi)試驗等手段，結(jié)合相關(guān)資料分析該隧道的地質(zhì)特征，探索設(shè)計解決施工過程中難點、重點工作的方案，為類似的隧道設(shè)計、施工提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 隧道隧址區(qū)；初步工程；地質(zhì)特征

中圖分類號 U452.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0116-03

0 引言

結(jié)構(gòu)面J1、J3、J4陡傾，可能發(fā)生崩塌、掉塊。邊坡穩(wěn)定性除受結(jié)構(gòu)面影響外，還受巖性、風(fēng)化程度、雨水沖刷等多種因素控制。進(jìn)洞口段表層粉質(zhì)黏土及強風(fēng)化層受雨水浸泡強度降低，抗沖刷能力差，在重力、風(fēng)化作用、地表水下滲作用和地下水浸蝕作用、施工擾動等不利條件下，易發(fā)生順傾滑塌、楔形體滑塌及崩塌掉塊，應(yīng)加強防護(hù)。特殊性巖土主要為花崗巖風(fēng)化殘積土，局部分布于隧址區(qū)地表，主要表現(xiàn)為透水、富水能力強。隨著含水量增大，其抗剪強度下降很大，工程性質(zhì)較差，由于組成物質(zhì)松散，易受水流沖刷造成水土流失，或沿風(fēng)化界面產(chǎn)生滑塌。

1 隧址區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

1.1 地層

隧址區(qū)上覆薄層殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為東堡超單元楊沖單元（K1Y）鉀長花崗巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域資料[1]和野外工程地質(zhì)調(diào)繪，隧址區(qū)發(fā)育F4、F5火山斷層，為平移斷層，分別與線路相交于K37+480（ZK37+440）、K38+200（ZK38+200）附近，其中F4斷層走向313 °、傾角90 °，F(xiàn)5斷層走向355 °、傾角90 °，受斷層影響，斷層影響范圍內(nèi)基巖完整性差，巖體極破碎～破碎，對工程建設(shè)影響大[2]。通過工程地質(zhì)調(diào)繪，主要觀測點節(jié)理裂隙統(tǒng)計情況見表1。

1.3 水文地質(zhì)條件

在初步工程中，隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件是非常重要的。對于隧道工程的設(shè)計、施工和運營都會產(chǎn)生直接影響[3]。

水文地質(zhì)條件的研究主要包括水文地質(zhì)勘察和水文地質(zhì)分析。通過對隧道區(qū)域周邊的水文地質(zhì)勘察，可以獲取以下信息：季節(jié)性及長期降雨量的大小和變化規(guī)律，河流和溪流的密度和徑流情況，地下水位和水質(zhì)的分布以及地下水與地表水之間的關(guān)系等。了解水文地質(zhì)條件對于隧道工程具有重要的意義，例如，高水位和強降雨可能導(dǎo)致地下水位升高，增加隧道施工中的排水難度和風(fēng)險。此外，地下水的滲漏也可能引起隧道結(jié)構(gòu)的濕潤、浸泡和浸蝕，對隧道的穩(wěn)定性和安全性造成潛在威脅[4]。

1.4 巖土工程地質(zhì)特征

綜合調(diào)繪、鉆探、物探（大地電磁、地震折射、聲波測井）[5-6]及室內(nèi)試驗等[7]，隧址區(qū)上覆薄層粉質(zhì)黏土，局部夾少量碎石，下伏基巖出露為東堡超單元楊沖單元（K1Y）鉀長花崗巖。具體地層巖土工程特征如下：

粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑～硬塑，局部夾少量碎石。土石等級為Ⅱ級，土石類別為普通土，Vp=500～700 m/s，鉆孔揭露層厚0.8～1.4 m。推薦承載力特征值〔fa0〕=160 kPa。

強風(fēng)化鉀長花崗巖呈現(xiàn)出灰黃色外觀，結(jié)構(gòu)粗粒，并具有塊狀構(gòu)造。據(jù)土石等級評定，該巖石屬于Ⅳ級土石，也是一種軟石。其縱波速度（Vp）介于1 200～2 200 m/s之間。通過鉆孔揭露，可看到巖層的厚度為5.2～7.9 m。推薦的承載力特征值〔fa0〕約為450～600 kPa。

中風(fēng)化鉀長花崗巖是一種青灰色的巖石，具有中粗粒結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。巖芯通常呈現(xiàn)短柱狀、柱狀或少量的塊狀，其中柱狀巖芯的長度一般在10～35 cm之間，最長可達(dá)90 cm。根據(jù)土石等級評定標(biāo)準(zhǔn)，中風(fēng)化鉀長花崗巖被歸類為Ⅵ級土石，屬于次堅石類別。其縱波速度（Vp）大于2 800 m/s。通過鉆孔揭露的情況來看，未揭穿的層厚約為130.4～160.9 m。中風(fēng)化鉀長花崗巖具備推薦承載力特征值〔fa0〕為2 500 kPa。

該次隧址區(qū)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)及巖石工程等級見表2。

1.5 不良地質(zhì)及特殊性巖土

隧址區(qū)出露巖性為鉀長花崗巖，其礦物成分差異明顯，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和濕熱交替氣候影響，花崗巖球狀風(fēng)化不良地質(zhì)現(xiàn)象極為發(fā)育，造成地基巖土的不均勻性，給隧道開挖施工帶來較大困難[8]。

特殊性巖土主要為花崗巖風(fēng)化殘積土，局部分布于隧址區(qū)地表，主要表現(xiàn)為透水、富水能力強。隨著含水量增大，其抗剪強度下降很大，工程性質(zhì)較差，由于組成物質(zhì)松散，易受水流沖刷造成水土流失，或沿風(fēng)化界面產(chǎn)生滑塌。

2 隧道圍巖級別劃分

2.1 圍巖分級的依據(jù)和方法

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）及交通部標(biāo)準(zhǔn)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）對公路隧道圍巖的分級規(guī)定，圍巖分級采取初步分級和詳細(xì)定級兩個步驟進(jìn)行。

初步分級是依據(jù)巖石的堅硬程度、巖體完整程度兩個基本因素的定性特征和定量的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]值進(jìn)行，[BQ]值根據(jù)公式（1）、公式（2）計算求?。?/p>

BQ=100+3Rc+250Kv （1）

Kv=（Vpm/Vpr）2 （2）

式中，Rc——巖石飽和單軸抗壓強度平均值；Kv——巖體完整性系數(shù)；Vpm——巖體彈性縱波波速；Vpr——巖石彈性縱波波速。

注：當(dāng)Rc＞90Kv+30時，以Rc=90Kv+30和Kv代入公式計算；

當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4時，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入公式計算。

各鉆孔設(shè)計洞底標(biāo)高以上約三倍洞徑范圍內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

詳細(xì)定級是在巖體基本質(zhì)量指標(biāo)分級基礎(chǔ)上考慮地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，按照修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]值，結(jié)合巖體的定性特征綜合確定。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]按下式計算求取：

BQ=BQ?100（K1+K2+K3） （3）

式中，BQ——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；K1——地下水影響修正系數(shù)；K2——主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)；K3——初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

2.2 圍巖級別確定

根據(jù)上述依據(jù)和方法，結(jié)合調(diào)繪、物探、隧道洞口鉆探資料及試驗等勘察成果，按圍巖或土體結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、受構(gòu)造影響及節(jié)理裂隙發(fā)育程度、地應(yīng)力、地下水等定性特征，綜合確定隧道圍巖級別。

3 工程地質(zhì)條件評價

3.1 區(qū)域穩(wěn)定性

根據(jù)區(qū)域資料和野外工程地質(zhì)調(diào)繪，受斷層影響，斷層影響范圍內(nèi)基巖完整性差，巖體極破碎～破碎，對該工程建設(shè)影響大，區(qū)域穩(wěn)定性一般。

3.2 洞口穩(wěn)定性評價

隧道東端右線洞口軸線方向286 °，左線洞口軸線方向286 °，洞口位于斜坡地段，自然坡度約25 °～40 °，局部較陡，地表未見崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，自然邊坡穩(wěn)定。

隧道仰坡為自然坡，坡面傾向為98 °。邊坡開挖巖性為強～中風(fēng)化鉀長花崗巖，邊坡開挖后右側(cè)開挖坡面傾向為196 °，左側(cè)開挖坡面傾向為16 °，根據(jù)開挖后邊坡傾向、坡率（1∶0.75～1∶1.00）及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀作赤平投影圖（見圖1）。

根據(jù)赤平投影分析，仰坡：結(jié)構(gòu)面交線均位于仰坡內(nèi)側(cè)，對邊坡穩(wěn)定性影響不大；右側(cè)邊坡：隧道左右線洞門處基底地層主要為強風(fēng)化鉀長花崗巖，推薦承載力特征值〔fa0〕=450～600 kPa，工程性質(zhì)較好，承載力較高，可以作為洞門明挖基礎(chǔ)持力層。

建議洞口施工盡量貼近自然坡率，早進(jìn)洞，晚出洞，不切削原山坡，減少對仰坡的超挖，保證洞口的自然協(xié)調(diào)和邊坡穩(wěn)定。

4 主要工程地質(zhì)問題及工程建設(shè)對環(huán)境的影響

4.1 主要工程地質(zhì)問題

（1）淺埋、掉塊、坍塌、冒頂。在隧道的初步工程地質(zhì)探查中，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造活動頻繁、巖體穩(wěn)定性差。由于該區(qū)域存在斷層、裂縫等地質(zhì)構(gòu)造破壞，地下水位較高，軟弱巖體較多，因此在工程建設(shè)過程中可能面臨淺埋、掉塊、坍塌、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害問題。

（2）地下水滲漏問題。由于隧道所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，周圍巖石存在初始應(yīng)力較低的特點，加之地下水豐富，地下水的滲漏成為一個主要的地質(zhì)問題。地下水滲漏不僅會增加隧道施工的困難度，還可能給隧道的正常運行帶來不利影響。

4.2 工程建設(shè)對環(huán)境的影響

工程建設(shè)對環(huán)境的影響是一個重要的問題，并且需要充分考慮和采取措施來減少其負(fù)面影響。在隧道初步工程中，也存在一些與環(huán)境相關(guān)的問題。

（1）隧道施工過程中可能會出現(xiàn)水源污染的問題。如果不加以妥善處理，施工所用的材料、化學(xué)藥劑等可能會對地下水資源造成污染風(fēng)險。為了避免這種情況的發(fā)生，建議嚴(yán)格控制和管理施工過程中的廢水排放，確保不會對周邊水資源造成污染。

（2）隧道施工對土地利用和景觀改變也會產(chǎn)生一定的影響。在工程建設(shè)過程中，可能需要占用一部分土地資源和移除部分植被，這可能會對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)帶來一定程度的干擾。

5 結(jié)語

（1）隧址區(qū)的地下水主要來自風(fēng)化帶基巖裂隙中的水源。由于受到季節(jié)性變化的影響，地表水和地下水的水位會有較大的波動，所以在雨季進(jìn)行隧道施工時需要格外注意。根據(jù)區(qū)域的水文資料以及對工地水質(zhì)的分析，可以得知地表水和地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有一定的弱腐蝕性，并對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋造成輕微的腐蝕作用。

（2）隧道東端洞口自然坡度約25 °～40 °，局部較陡，自然邊坡穩(wěn)定，仰坡及右側(cè)邊坡開挖后整體穩(wěn)定；右側(cè)邊坡易發(fā)生順層滑塌及楔形體滑塌；結(jié)構(gòu)面J1、J3、J4陡傾，可能發(fā)生崩塌、掉塊。邊坡穩(wěn)定性除受結(jié)構(gòu)面影響外，還受巖性、風(fēng)化程度、雨水沖刷等多種因素控制。進(jìn)洞口段表層粉質(zhì)黏土及強風(fēng)化層受雨水浸泡強度降低，抗沖刷能力差，在重力、風(fēng)化作用、地表水下滲作用和地下水浸蝕作用、施工擾動等不利條件下，易發(fā)生順傾滑塌、楔形體滑塌及崩塌掉塊，應(yīng)加強防護(hù)。

（3）隧址區(qū)出露巖性為鉀長花崗巖，其礦物成分差異明顯，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和濕熱交替氣候影響，花崗巖球狀風(fēng)化不良地質(zhì)現(xiàn)象極為發(fā)育，造成地基巖土的不均勻性，給隧道開挖施工帶來較大困難。特殊性巖土主要為花崗巖風(fēng)化殘積土，局部分布于隧址區(qū)地表，主要表現(xiàn)為透水、富水能力強。隨著含水量增大，其抗剪強度下降很大，工程性質(zhì)較差，由于組成物質(zhì)松散，易受水流沖刷造成水土流失，或沿風(fēng)化界面產(chǎn)生滑塌。

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