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

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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。區內地層為寒武系上統水石群變質巖系（ε）和第四系全新統殘坡積層（）。

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1.2.1寒武系上統水石群（ε3）

寒武系地層為一套區域淺變質巖系，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，地層在區域變質的同時，受巖漿的烘烤交代接觸變質作用，區域地層處于混合巖化帶，主要表現為局部出現少量團塊狀、透鏡狀及不規則狀偉晶質和細晶質脈體，開挖后出現的“孤石狀”巖體，可能是混合巖化成因，隧道區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區域地質構造

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

1.3.2區域構造應力分析

區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，巖性在此出現明顯突變，自北往南，由堅硬較完整變余砂巖轉變為千枚狀粉砂質板巖夾變余砂巖及石英脈體，較破碎。

1.3.3.2節理

通過地質斷面調查及鉆取巖芯分析，勘察區的巖體最少發育兩期節理裂隙，裂面有高傾角、壓性閉合或微張開等特點。早期節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”節理，由于其多向切割，巖體多半比較破碎。通過節理統計及“節理裂隙玫瑰圖”分析，得出主要發育的幾組優勢節理面為：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，對隧道圍巖穩定性影響較大。

1.3.4結構面對隧道圍巖穩定性評價

隧道圍巖中的節理裂隙是影響其穩定的主要因素，巖層面只對右側洞壁有影響。節理裂隙又以平行洞軸線的、后期的節理裂隙面影響最大，K203+590～K203+670段隧道右側洞頂附近發育1.5米左右厚的構造破碎帶，對隧道拱頂穩定不利。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，節理裂隙一般洞頂比洞底發育，洞右側比左側發育，同一掌子面出現巖體完整性差異，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

勘察區地處贛中南大面積穩定上升區，以整體間歇性緩慢抬升為主，差異運動不明顯，歷史上僅發生過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劃圖》，區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。孔隙水主要賦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，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：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、開挖穩定性及巖體縱波波速、巖體完整系數、巖石質量指標等實測參數指標綜合確定。

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，節理裂隙很發育，可見4組以上節理裂隙，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，局部發育構造破碎帶。圍巖總體較完整穩定，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，對于施工中可能發現的局部破碎帶、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塌陷。右壁處理不當易出現大坍塌，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。考慮到進口段坡體穩定性差，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，同時影響上部現有邊坡的穩定。

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，若發現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測。