陳 剛 / 廣東中天市政工程設計有限公司

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高邊坡改隧道工程設計中地質分析可行性與措施

陳 剛 / 廣東中天市政工程設計有限公司

【摘 要】本文通過對高邊坡改隧道工程地質及水文地質條件的分析及評價，確定隧道方案的可行性，并劃分出圍巖類別，為擬建隧道的設計和施工提出一些想法及建議。

【關鍵詞】隧道工程；偏壓；工程地質；圍巖分類；支護

前言

我院組織對該高邊坡的穩(wěn)定性進行重新分析論證，確定采用單幅隧道方案通過。針對隧道方案，我們組織對場地補充勘察，本次勘察根據項目要求主要采用工程地質調繪、工程地質鉆探、工程物探和取樣試驗等勘察手段。

1、工程地質條件及評價

1.1地形地貌

建設場地位于山隧道南洞口附近，與山隧道相隔一條山澗，山體天然植被發(fā)育，山勢陡峻，山頂標高達430米，山麓標高為250米，山體自然邊坡是西南側陡，西北側緩，與巖層傾向一致，順向坡緩，反向坡陡，最陡達59°。路線自山體的西側山腰近山麓處左深切山體。邊坡側山體平均自然邊坡坡度為33°，最陡為45°，最緩為25°。

1.2地層巖性

建設場地地處巾石至新村花崗巖巖體的東北緣，系屬巾石至碧洲復式向斜的南段西北翼。區(qū)內地層為寒武系上統(tǒng)水石群變質巖系（ε）和第四系全新統(tǒng)殘坡積層（）。

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1.2.1寒武系上統(tǒng)水石群（ε3）

寒武系地層為一套區(qū)域淺變質巖系，地層總體產狀為55°∠22°，地層受多期地質構造運動的作用及巖漿侵入影響，地層在區(qū)域變質的同時，受巖漿的烘烤交代接觸變質作用，區(qū)域地層處于混合巖化帶，主要表現(xiàn)為局部出現(xiàn)少量團塊狀、透鏡狀及不規(guī)則狀偉晶質和細晶質脈體，開挖后出現(xiàn)的“孤石狀”巖體，可能是混合巖化成因，隧道區(qū)內該套地層根據巖性組合可分為二大層。⑴板巖層⑵變質砂巖層：

主要為紅褐色、淺紫紅色粘土夾礫及碎石土。

1.3地質構造

1.3.1區(qū)域地質構造

區(qū)內受東西向華夏和北東向新華夏系構造的影響，構造較發(fā)育，熱液活動也十分頻繁。區(qū)內構造以斷裂構造為主，褶曲不明顯。

1.3.2區(qū)域構造應力分析

區(qū)內在加里東構造運動時期，以南北向的水平擠壓為主，逐漸形成南北方向的華夏系構造。隨著時間的推移和南北向扭動作用的加強，燕山晚期區(qū)域主應力方向也由北西——南東向逐漸轉為北西西——南東東向，因而形成了現(xiàn)在的北北東向新華夏系構造。由于早期構造地應力在斷層形成過程中被釋放，根據隧道施工觀察，本隧道的設計和施工無需考慮構造地應力的影響。對設計施工有影響的主要是由重力作用產生的地應力，特別是偏壓作用。

1.3.3隧道工程區(qū)主要地質構造及結構面

1.3.3.1斷裂構造

⑴F1斷層：位于K203+594.9～K203+596.9，逆斷層，走向北76°東，傾向北西，傾角57°，下延30米以上，斷距3米左右，斷層泥厚2米左右，不漏水。

⑵F2斷層：位于K203+626～K203+633.8，走向北76°東，傾向北西，傾角65°，下延30米以上，斷層泥厚7米左右，不漏水。

⑶F3斷層：位于K203+680～K203+690，呈北東東走向，形跡不明，巖性在此出現(xiàn)明顯突變，自北往南，由堅硬較完整變余砂巖轉變?yōu)榍稜罘凵百|板巖夾變余砂巖及石英脈體，較破碎。

1.3.3.2節(jié)理

通過地質斷面調查及鉆取巖芯分析，勘察區(qū)的巖體最少發(fā)育兩期節(jié)理裂隙，裂面有高傾角、壓性閉合或微張開等特點。早期節(jié)理裂隙一般被石英脈充填，呈膠結狀，有較高的抗剪強度；后期裂隙多呈“X”節(jié)理，由于其多向切割，巖體多半比較破碎。通過節(jié)理統(tǒng)計及“節(jié)理裂隙玫瑰圖”分析，得出主要發(fā)育的幾組優(yōu)勢節(jié)理面為：a、走向北85°西，傾向北，傾角45°～65°，與路線近垂交；b、走向北8 2°東，傾向北，傾角45°～65°，與路線近垂交；c、走向北5°～24°西，傾向西，傾角65°～85°，與路線近平行，對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

1.3.4結構面對隧道圍巖穩(wěn)定性評價

隧道圍巖中的節(jié)理裂隙是影響其穩(wěn)定的主要因素，巖層面只對右側洞壁有影響。節(jié)理裂隙又以平行洞軸線的、后期的節(jié)理裂隙面影響最大，K203+590～K203+670段隧道右側洞頂附近發(fā)育1.5米左右厚的構造破碎帶，對隧道拱頂穩(wěn)定不利。由于隧道所處的位置，地形起伏大，巖體風化分界線起伏也大，節(jié)理裂隙一般洞頂比洞底發(fā)育，洞右側比左側發(fā)育，同一掌子面出現(xiàn)巖體完整性差異，所以，設計和施工應引起重視，采取針對性工程處置措施。

1.4新構造運動及地震

勘察區(qū)地處贛中南大面積穩(wěn)定上升區(qū)，以整體間歇性緩慢抬升為主，差異運動不明顯，歷史上僅發(fā)生過4次強震，近期弱震活動亦比較少。根據《中國地震峰值加速度區(qū)劃圖》，區(qū)內地震基本烈度小于Ⅵ度，地震動峰值加速度g＜0.05，隧道工程可不考慮抗震設防。

2.水文地質條件及評價

2.1地下水類型及分布

根據地質調查和鉆探揭露分析，區(qū)域分布有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種，其中以基巖裂隙水為主?？紫端饕x存于第四系殘坡積成因的粘土碎石及基巖全風化層中，由于地勢較陡，自身透水性較好，只能作為地表水的入滲通道；基巖裂隙水主要賦存在變質巖層中，通過上覆松散巖層接受大氣降水的補給，由于基巖裂隙發(fā)育，地下水徑流通道好，而南方以暴雨等強降水形式為主，地下水較豐富。因此隧道開挖過程中應備水泵，以免影響施工進度。設計應在隧道洞頂、洞壁及洞底設置排水系統(tǒng)，如反過濾層、滲溝、盲溝等。

2.2地下水出露點調查

邊 坡 開 挖 后， 在 K203+619、K203+622、K203+695、K203+705左25米的第三級邊坡的坡腳處排泄孔中以及K203+690 右30米坡腳等處發(fā)育流量10ml/s～20ml/s的下降泉。而且據錨索成孔資料了解，大都數(shù)鉆孔均見地下水，局部水量還較大。

2.3地下水的化學成分

由于勘察區(qū)山體與隧道山體屬同一地下水系，水化學成分參考隧道水化學分析成果使用。根據水質分析評價標準，勘察區(qū)內地下水類型屬于HCO3-Ca、Mg型水，弱堿性，腐蝕等級為無腐蝕。

3、圍巖分類與支護分析

3.1圍巖參數(shù)的確定

⑴巖體聲波速度根據P-S測井獲取縱波、橫波；

⑵巖土完整性系數(shù)：I=Vp2/ Up2其中：

Vp為巖體縱波波速，Up為巖石縱波波速；

⑶泊松比根據波速計算確定：

μ d=Vp2-2Vs2/［2（Vp2-Vs2）］

⑷動彈性模量根據下式計算確定：

Ed=ρ Vp2（1+μ d）（1-2μ d）/［g（1-μ d）］

或 Ed=ρ Vs2（3Vp2-4Vs2）/（Vp2-Vs2）

其中：ρ為密度g為重力加速度；

⑸靜彈模量：Es=0.1Ed1.43；

⑹飽和抗壓強度采用最小平均值確定。

3.2圍巖類別確定

隧道圍巖分類主要依據工程地質條件、開挖穩(wěn)定性及巖體縱波波速、巖體完整系數(shù)、巖石質量指標等實測參數(shù)指標綜合確定。

3.3隧道圍巖分段劃分及建議支護

3.3.1K203+557～K203+610（北洞口及洞身）

圍巖巖性為變余砂巖夾板巖，風化強烈，節(jié)理裂隙很發(fā)育，可見4組以上節(jié)理裂隙，多呈“X”型，巖體較破碎。拱部無支護時可產生坍塌，側壁有時失去穩(wěn)定，圍巖類別綜合定為Ⅱ類。建議：采用導坑法或臺階法施工并及時采取超前支護措施，洞口段適當接部分明洞。

3.3.2K203+610～K203+680（洞身）

圍巖巖性為弱～微風化變余砂巖，局部發(fā)育構造破碎帶。圍巖總體較完整穩(wěn)定，局部呈碎裂結構，由于隧道淺埋偏壓，左側巖體堅硬完整，右上部洞室圍巖范圍內，巖體比較破碎。拱部無支護可能產生坍塌，側壁基本穩(wěn)定，圍巖類別綜合定為Ⅳ類。建議：施工采用先拱后墻法施工，對于施工中可能發(fā)現(xiàn)的局部破碎帶、斷層軟弱破碎帶，應局部特殊處理。

3.3.3K203+680～K203+750（洞身及南洞口）

圍巖巖性為以全、強風化千枚狀粉砂質板巖為主夾變余砂巖及石英脈體，風化強烈，巖體軟硬不均，總體較軟，地下水較豐富。圍巖橫、縱向變化均比較大。右側洞壁較薄甚至裸露，巖體風化呈土夾石狀，左側洞壁稍好。圍巖易坍塌變形，處理不當會產生大坍塌，右上角地表可能出現(xiàn)塌陷。右壁處理不當易出現(xiàn)大坍塌，圍巖類別綜合定為Ⅱ類。建議：采用單壁導坑法或正臺階法施工或暗洞明做，開挖前必須進行超前支護處理，洞口和洞頂應采用長導管超前支護，洞壁采用深孔注漿阻水和抗偏壓，確定開挖期間洞室的穩(wěn)定，開挖后噴錨支護并襯砌。對于洞壁較薄段應考慮接明洞通過。

3.3.4K203+750～K203+779（左側高邊坡）

本段上部20米左右千枚狀粉砂質板巖夾變余砂巖全強風化層及其殘坡積土，巖體風化呈粉土狀，且處于地下水出露帶，地下水比較豐富，土體抗沖刷能力差。局部下部切入強、弱風化變余砂巖，呈碎裂結構，邊坡巖體總體偏軟且破碎。建議：邊坡不陡于1：1，部分錨桿強支護，注意坡體及地表排水設置?？紤]到進口段坡體穩(wěn)定性差，建議接長明洞處理，確保運營安全。

4 .結語

4.1隧道處于山體斜坡處，地質構造相對復雜，洞身左側埋深在22左右,右側最大埋深在13米左右，隧道屬于淺埋偏壓型短隧道，設計和施工中應充分考慮這方面因素。

4.2隧道開挖爆應采用控制爆破（光面爆破或預裂爆破），盡量使圍巖少受損傷，以免爆破過大，產生過量費方，影響施工進度，同時影響上部現(xiàn)有邊坡的穩(wěn)定。

4.3隧道圍巖分類，是綜合鉆探、物探及地質調繪等成果確定，在隧道開挖過程中，若發(fā)現(xiàn)圍巖類別劃分不準確時應根據施工實際情況進行及時的調整。

4.4作為“新奧法”的重要組成部分，隧道施工必須進行施工監(jiān)測。