長距離淺埋洞室典型工程地質問題研究與分析

季　旭

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

長距離淺埋洞室典型工程地質問題研究與分析

季旭

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

摘要：本文以某長距離輸水隧洞工程為背景，針對穿越長距離淺埋段，地面同時有河谷、鐵路、高速公路、省級公路的復雜地形和地質條件特點，通過工程地質勘察，對該段淺埋洞室的成洞條件和穿越各地表建筑物將遇到的工程地質問題進行了深入研究與分析，提出了工程處理措施和建議，為長距離淺埋洞室順利施工提供有力技術支撐。

關鍵詞：長距離；淺埋洞室；軟質巖；輸水隧洞；工程地質

1工程概述

勘察共在本段布置鉆孔20個，鉆孔嚴格按偏離洞軸線左側5 m的原則布設，鉆孔最小孔間距25 m，位于渾河河谷部位，一般孔間距控制在50 m左右；孔深按進入底板以下8～10 m控制，一般孔深30 m，控制性鉆孔孔深40 m。

2基本地質條件分析

(1)地形地貌

洞室地表為淺“U”形溝谷，河谷寬約900 m，地面高程248～251 m左右。兩岸山體較陡，坡度約38°左右。河道兩岸均有土堤，兩堤間距約140 m左右，勘察期間河水面寬約15 m左右。地形比較平坦，起伏不大，階地高出河床2～3 m左右。

(2)地層巖性

本段地層結構為雙層結構，上部主要為第四系沖洪積的松散堆積層，顆粒不均，下部為白堊紀小南溝組的沉積巖。

第四系沖洪積層(Qhpal)：除一級階地上表層多分布薄層的粉土層或粉質黏土層外，地層巖性以圓礫為主，局部為礫砂或卵石，雜色，顆粒不均，層位較穩定。砂粒的主要巖相為花崗巖、安山巖、凝灰巖等，主要礦物成分為石英、長石、云母等。一般呈稍密～中密狀態，局部松散，層底埋深3.0～9.0 m，層底高程243～247 m。場地內均有分布。

白堊紀小南溝組(K1x)：地層巖性主要為紫色凝灰質粉砂巖、凝灰巖、頁巖及煤線。全風化巖多呈砂狀或散體狀，其下限高程為245 m左右，厚度約1.1 m；強風化巖多呈碎塊狀，其下限高程為227～243 m，厚度約2.5～16 m；弱風化巖多呈柱狀。

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(3)地質構造

工程區位于渾河斷裂影響帶中，該斷裂切割K1x與Ar3γδο，規模巨大，活動歷史較長。在工程區一帶，可見幾條近于平行的沖斷帶，寬約1～3 km，擠壓特征非常明顯，可見擠壓片里、構造扁豆體、劈理、以及揉皺等構造現象。走向NE，傾向NW，傾角45°～75°。

受上述斷裂構造控制，根據HH13鉆孔揭露，工程區內發育一條小型斷層F1，斷層影響范圍15 m左右，傾角78°左右，斷層帶內以斷層泥及碎裂巖為主。

(4)水文地質條件

本區地下水主要有松散巖類孔隙潛水和裂隙水，前者分布于第四系砂卵礫石層中，與地表水的關系密切，后者分布在基巖風化裂隙或構造裂隙中，由于受區域構造影響，工程區內節理裂隙較發育，且洞室埋深較淺，因此在垂直方向上受地表水補給作用較強，隨深度增加而減弱，勘察期間地下水埋深較淺，一般在3.8～4 m左右。

3工程地質條件評價

3.1洞室巖體風化特征

根據鉆探資料與區域地質資料綜合分析可知，本段洞室巖體完整程度受渾河斷裂影響較重，加之洞室埋深較淺，故節理裂隙較發育～發育，風化銹蝕現象較重，巖石大部分呈強風化～弱風化狀態。在96+050～96+180穿越河谷段和

96+390～96+530段兩個部位巖體風化深度較大。

3.2巖石主要物理力學性質

受地層巖性、巖體結構及區域構造影響，本區巖石強度普遍較低；強風化巖，巖體破碎，巖體強度較低，屬軟巖。弱風化巖，共取樣11組，根據試驗狀態除HH10、HH11外均為無聲破裂，分析其均為沿隱形節理面開裂，強度偏低，屬軟質巖。試驗結果顯示強風化凝灰巖單軸飽和抗壓強度建議值為15 MPa左右，弱風化凝灰巖單軸飽和抗壓強度建議值為25 MPa左右。試驗成果見表1。

3.3洞室圍巖完整性

巖體的完整性一般與巖體的風化程度、構造發育程度有關，本次勘察采用對鉆探取得的巖芯進行巖芯完整率(RQD)統計的方法進行巖體完整性分析，本次統計僅對洞室部位巖體進行統計，洞室部位巖體完整性統計結果見表2。

3.4巖體滲透性

本次勘察通過勘探鉆孔內壓水試驗，對洞室部位的巖體滲透性進行初步研究。通過對壓水試驗資料的統計分析，對洞室部位巖體的滲透性進行分級，統計結果見表3。

表1　巖石物理力學參數試驗成果

表2　洞室部位巖體完整性統計表

4主要工程地質問題分析與評價

4.1圍巖初步分類

按照《水利水電工程地質勘察規范》GB 50487-2008附錄N，結合鉆探成果考慮巖石強度、巖體完整性、結構面狀態、地下水發育程度、主要結構面產狀五個主要因素，對本洞室圍巖進行工程地質分類，本段洞室圍巖類別均為Ⅴ類。

4.2洞室圍巖穩定問題

本段洞室未發現較大規模的斷裂構造通過，僅鉆孔HH13揭露一小型斷層f1，受其影響洞室部位巖體破碎，但受區域構造(渾河斷裂)影響，巖體節理發育，巖體完整程度較差。本段地層巖性主要以為凝灰巖為主，泥質膠結，強度較低，洞頂上部基巖層較薄，僅3.0～8.5 m，洞室圍巖極不穩定，變形破壞嚴重[3]。

其中96+010～96+200、96+390～96+550兩段洞頂巖石多為強風化，巖石強度極低，巖體破碎。開挖過程中極易引起塌方失穩，甚至可能會有冒頂現象發生。

表3　鉆孔洞室部位基巖壓水試驗透水率統計表

建議施工過程中本段采用管棚超前支護，在開挖過程中采用弱爆破、短進尺的開挖方式進行半斷面開挖，開挖后及時采取H形型鋼的剛性支護措施進行初期支護，并及早對剛性支護進行仰拱封閉[4-5]。初期支護后加強洞室圍巖的變形量測工作，如有必要應跟進掌子面進行澆筑混凝土初襯。

4.3洞室涌水、突水問題

洞室于樁號96+050～96+260穿越渾河河谷，該部位洞室最小埋深僅7.9 m，基巖以強風化為主，節理裂隙發育，根據鉆孔壓水試驗成果揭露，本段巖體透水率為32.01～35.04 Lu，為中等透水。渾河全年水量豐沛，勘察期間為冬季，河水面寬約15 m左右，垂直方向受地表水補給作用較強。由于勘察鉆孔揭露f1斷層位于河道內，受該斷層影響巖體破碎，易形成匯水通道，故開挖過程中極易產生涌水、突水現象。

建議在臨近河道洞室段開挖過程中，采取循環探孔的方式觀測掌子面前的地下水發育情況，如遇地下水量突增，則可結合循環探孔對前方巖體進行超前注漿。

對穿越河谷段提前采取預注漿處理措施，建議結合施工過程中出水量的情況，采取地面注漿和洞內超前注漿相結合的處理措施。

4.4穿越公路、鐵路

洞室分別于樁號96+588、96+090、96+470、96+600左右穿越沈吉高速公路、202省級公路、原202公路和沈吉鐵路，3處公路車流量較大，且不乏有重車通過，沈吉鐵路每天有客運、貨運近20余次列車通過；嚴格控制穿越處的隧洞變形、坍塌、地表沉降，確保地表鐵路、公路的運營安全是本段洞室施工的重點、難點。

該部位洞室巖體以強風化～弱風化為主，巖體完整性差～較破碎，呈弱透水～中等透水狀態，推測開挖期間地下水多呈滴水～線流狀態。

建議開挖過程中應采用弱爆破、短進尺的方式嚴格控制開挖進尺，并采取超前支護措施，對已開挖洞室及時采取剛性支護，并跟進澆筑混凝土襯砌。建議開挖時應與相關的鐵路、公路部門協商，制訂較為合理的施工方案。

5結論

隧洞的淺埋段施工較為常見，穿越河道、公路、鐵路的施工亦較為常見，但在如此短的施工距離，且上覆基巖厚度極薄的地質條件下，穿越如此多的重點部位實屬少見。通過高精度的勘察手段，結合多年的隧洞施工經驗，對該段復雜的典型工程地質條件進行了深入的分析和研究，提出了工程處理措施和建議，為洞室的安全施工和穩定運行提供了有效的指導。

通過施工后的對比得知，開挖揭露的地質條件與勘察成果給出的基本一致，采納了勘察建議的開挖通過方式后，安全通過了本段淺埋洞室，未出現較大的施工問題，在未影響洞室施工直線工期的前提下，也保證了地表公路、鐵路的安全運營。

參考文獻：

[1]季旭.可溶巖區長隧洞工程地質問題研究與分析[J].水利規劃與設計，2015(2):94-97.

[2]張志恒，許仙娥.南非katse水電工程地質問題及其處理措施[J].水利規劃與設計，2006(2):52-54.

[3]趙文斌，于紅周，于廣云.深埋與淺埋軟巖洞室的開挖變形[J].力學與實踐，2013(2):56-61.

[4]吳家耀.淺埋軟土地下洞室開挖支護研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[5]梁詠寧.淺埋洞室開挖與支護穩定性數值模擬及其參數優化研究[D].青島：青島理工大學，2000.

Research and analysis of typical engineering geological problems inlong distance shallow underground excavation

JI Xu

(InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerLiaoningProvince，Shenyang110003,China)

Abstract：Take a certain long distance water conveyance tunnel as example,the characteristic of water conveyance tunnel have the following characteristics:crossing shallow-buried section,complex terrain and geologic condition which have valley,railway,highway,provincial road.The status of cavitation and engineering geological problems when crossing surface buildings were analyzed,and proposed treatment measures and proposals.This paper provides technical support for the construction of long distance shallow underground excavation.

Key words：long distance;shallow underground excavation;soft rock;water conveyance tunnel;engineering geology

基金項目：國家公益性行業科研專項項目(201201021)

作者簡介：季旭(1983-)，男，工程師，從事工程地質勘察及施工地質等方面的工作。

中圖分類號：U451+.2;TU457

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)05-0005-04