四面山隧道地質特性及其圍巖變形規律研究

郭加付+焦永寶+任松+歐陽汛

摘 要：四面山隧道屬于典型的砂泥互層圍巖隧道，其軟硬巖層性質差異較大，導致其層間結合力差，層理效應明顯。通過對四面山隧道工程資料進行收集整理，闡述了四面山隧道的地形地貌特征、地層巖性特點、地質構造、各種不良地質條件等方面，掌握了四面山隧道工程概況并進行了地層巖性總結，分析了工程地質及水文地質特性，并提出了四面山隧道工程地質評價；基于上述內容，以四面山隧道近水平砂泥互層段為工程依托，采用數值模擬，進行軟硬互層圍巖變形規律研究，進而提出相應的支護參數設計建議，保證安全施工，研究成果對類似隧道施工及相應支護提供了有益借鑒。

關鍵詞：四面山隧道 軟硬互層 圍巖變形 支護

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0061-05

目前，重慶市西南區域和貴州北部交通落后，高速公路網相對較不完善，為改善地區間交通條件，促進地方經濟社會發展，因此建設重慶江津至貴州習水高速公路。四面山隧道是重慶江津至貴州習水高速公路中的一段，隧道左洞長為4 880 m，右洞長為4 875.35 m，屬于特長隧道，該隧道建設對區域經濟及交通的發展發揮了重要的作用。為了更加科學地對四面山隧道進行施工，且保證施工過程中各類防治措施的有效實施，因此，針對該隧道地質特性進行分析并研究其圍巖變形規律顯得尤為重要。

1 隧道工程地質特性

1.1 地理位置及地形地貌

隧址區屬中低山地貌區。隧道進洞口段位于斜坡地帶，高程約540～570 m，隧道進口與斜坡坡向呈切向相交進洞。隧道進洞口段為一處順向坡，斜坡坡角15°～25°，局部較陡達35°，上覆土體。隧道出洞口段位于緩坡與陡崖過渡帶，高程570～650 m，擬建隧道出口延伸方向200°，隧道出洞口斜坡坡向約195°，隧道走向與斜坡坡向基本一致，斜坡坡角25°～30°，局部較達35°，上覆土體。

隧址區斜穿石龍峽背斜軸部，隧址區內最高點位于左線中部LZK2+280山脊線上，標高1 197.10 m，最低標高點位于隧道左線進洞口LZK0+190，標高540.747 m，相對高差達656.353 m，隧道最大埋深614.79 m。

1.2 地層巖性

隧址區分布地層主要為第四系（Q4）殘坡積層、崩坡積層、滑坡堆積層、白堊紀（K）上統夾關組及侏羅系（J）上統蓬萊鎮組。

1.3 地質構造

隧址區斜穿石龍峽背斜軸部，其中北東翼巖層產狀：70°～90°∠10°～13°；軸部巖層產狀近水平；南西翼巖層產狀：185°～272°∠8°～10°，未見次級褶曲和斷層，構造簡單。

1.4 不良地質現象

隧址區存在的主要不良地質現象為進口段順向坡、進口段崩塌堆積體、沙河1#崩坡積體、下爛壩滑坡、蔡倫屋基不穩定斜坡、隧道出口段崩坡積體。

（1）進口段順向坡。

隧道LZK0+190～LZK0+385段為一處順向坡，斜坡坡向45°～55°，坡角16°～22°，局部可達50°，巖層產狀為70°∠13°，斜坡坡角大于巖層傾角，但該段斜坡巖層產狀平緩，自穩能力好，該段斜坡基巖未見變形、滑動痕跡，斜坡基巖整體穩定。

（2）進口段崩塌堆積體。

該崩塌堆積體分布里程LZK0+190～LZK0+385，崩塌堆積體所處斜坡坡向約45°～55°。崩坡積體厚度約1.2～11.2 m，主要物質組成為粉質粘土夾砂泥巖塊石，巖土界面平緩，地表未見裂隙等變形特征，崩坡積體現狀處于穩定～基本穩定狀態，隧道左洞進口約50 m（暗洞30 m）、右洞進口約20 m（基本為明洞）隧道上部處于崩坡積體內。

（3）沙河1#崩坡積體。

平面形態呈喇叭狀，縱長3.3 km，橫寬1.9 km，整個崩坡積體分布最高高程1 000 m，最低高程290 m，最大高差約710 m，整體呈斜坡地形，坡面形態總體平直，總體坡向約54°～67°，坡角一般10°～13°，斜坡底部局部稍陡，可達25°。隧道路線LZK0+435～LZK2+240段自東北向西南方向斜穿崩坡積體下方基巖，隧道的設計標高為545.192～573.992 m，地面標高622.436～972.925 m，高差約77～399m。

（4）下爛壩滑坡。

位于斜坡頂部、沙河1#崩坡積體內，為2012年全市地質災害排查所圈定的滑坡，據前人資料，該滑坡主滑方向63°，縱長約850 m，橫寬380 m，面積32.3×104 m2，滑體厚4～9 m，均厚6 m，體積194×104 m3。滑坡坡面形態總體平直，局部微突，斜坡總體坡角10°～11°。通過現場調查及訪問，該滑坡地表未見變形跡象，僅局部土房墻體開裂。擬建隧道LZK1+100～LZK1+550段斜穿該滑坡，隧道的設計標高為555.752～563.112 m，地面標高為749.748～834.911 m，高差約193.996～271.799 m。

（5）蔡倫屋基不穩定斜坡。

主滑方向209°，縱長約957 m，橫寬249 m，面積23.8×104 m2，滑體厚3～9 m，均厚6 m，體積142.8×104 m3。該坡面形態總體平直，局部微突，斜坡總體坡角17°～25°。現場調查該滑坡地表未見變形跡象，僅局部土房墻體開裂。擬建隧道洞身段LZK2+800～LZK3+000在其北西側200 m通過，該斜坡基本穩定，對擬建隧道基本無影響。

（6）隧道出口段崩坡積體。

該崩塌堆積體分布里程LZK4+900～LZK5+080，崩塌堆積體所處斜坡坡向約195°。崩坡積體厚度約3.1～8.3 m，主要物質組成為粉質粘土夾砂泥巖塊石，地表未見裂隙等變形特征，巖土界面平緩，崩坡積體現狀處于穩定狀態。

2 隧道水文地質條件

隧址區主要為侏羅系上統蓬萊鎮組泥巖、砂巖。地下水主要賦存于砂巖裂隙中，為淺層地下水，泥巖為相對隔水層。該地區砂巖中風化巖體較完整，裂隙不發育，滲透系數小，且由于砂泥巖互層，上部泥巖阻隔地下水滲入下部砂巖，因此總體水量較小。隧道區未發現有泉水出露，該類型地表泉水稀少，泉流量多小于0.05 L/s，并多呈季節性，泉井均為久晴即干，地面多呈貧水狀，故富水性弱，地下水貧乏。

大氣降水為地下水的主要補給源，隧道起點位于斜坡地帶，地下水排泄條件好，但雨季該地帶存在臨時匯水條件，隧道在該段埋深約0～30 m，處于淺埋段，雨季地表水可能通過基巖裂隙補給隧道。隧道洞身LZK2+500～LZK4+100段地表地形較陡，地下水排泄條件較好。LZK4+100～隧道終點段多穿越山脊斜坡地帶，地下水多順坡向作短途徑流后排向地勢低洼的東北側的溝谷及茶壩河內。

綜上，地下水的季節性明顯，隧道所處地形地質條件決定隧址區地下水較貧乏，賦存少量裂隙水。取樣分析結果表明，區內地表水類型為HCO3-·SO42--Ca2+型。區內地表水及地下水對砼微腐蝕性。

3 四面山隧道圍巖變形規律研究

3.1 工程穩定性分析

隧址區斜穿石龍峽背斜軸部，其中北東翼巖層產狀：70°～90°∠10°～13°；軸部巖層產狀近水平；南西翼巖層產狀：200°～272°∠8°～10°，產狀較穩定，未見次級褶曲和斷層，構造簡單。洞身地面山體穩定，地層分布連續，無斷層破碎帶，區域地質整體穩定性較好。穿越地層主要為侏羅系上統蓬萊鎮組砂巖、泥巖，隧道最大埋深左線614.7 m，右線608.5 m。根據區域資料，隧址區內無高地應力存在，根據區域資料，隧址區內無高地應力存在。隧址區內無煤層分布，無有毒有害氣體，無采空區及巖溶現象，不會發生突水突泥。

根據地勘資料，隧址區內巖體為由砂巖和泥巖組成的近水平層狀圍巖，且對于隧道圍巖及其相應施工方案進行了總結歸類[1]，具體如表1所示。

3.2 模型建立

根據《四面山隧道施工設計說明》及相關地勘資料，對砂泥互層V級圍巖段隧道進行開挖模擬，隧道斷面為三心拱形，其尺寸如圖1所示模擬過程中以平面應變模型進行處理分析，并建立幾何模型如圖2所示。所模擬圍巖范圍寬300 m，高118 m，尺寸參數遠大于開挖半徑。此時隧道開挖與模型邊界相互無明顯影響。巖層自上而下為泥巖（34 m）—砂巖（31 m）—泥巖（12 m）—砂巖（9 m）—泥巖（9 m）—砂巖（23 m），其中，泥巖為軟巖，砂巖為較軟巖。用桿單元Link1模擬錨桿，梁單元Beam3模擬噴射混凝土，平面單元Plane42模擬巖體，數值模擬所需力學參數如表2所示。

3.3 模擬結果及分析

圖3、圖4為隧道開探位移結果，模擬結果顯示，四面山V級砂泥巖段隧道拱頂下沉相對水平收斂變形更為明顯，圖5、圖6為隧道應力場結果。可見，隧道圍巖應力最大值集中在隧道拱肩部分，且由襯砌受力（圖7）及錨桿受力（圖8），隧道拱肩處錨桿及襯砌受力最大，拱腰處錨桿受力很小，且拱腳處部分錨桿受壓，可見目前四面山砂泥互層圍巖段隧道常用的支護設計方案可行，但造成了很大程度的浪費，因此，針對四面山隧道可進一步提出類似隧道的施工設計建議。

4 工程穩定性分析及施工設計建議

該隧道V級砂泥互層圍巖分布在隧道進口、隧道出口以及隧道洞身部分圍巖段，以隧道左洞為例，其具體圍巖質量指標劃分以及相應力學性質如表3所示。

綜合以上隧道地質特性分析可知，隧道施工設計方案未針對性考慮圍巖中層理效應等方面存在的影響。另外，對于近水平軟硬互層圍巖隧道穩定性及其支護作用特點所進行的工作相對不夠，因此該文針對砂泥互層V級圍巖隧道施工及其支護方案提出相應的建議，并對水平軟硬互層圍巖隧道在初期支護方面可進行相應的改善。

4.1 隧道超前支護建議

四面山隧道V級砂泥互層圍巖段砂巖為較軟巖，泥巖為軟巖，可見巖性較差。開挖前需采取相應的超前支護措施，對于超前支護手段，有超前錨桿方案和超前小導管方案可供選擇，超前錨桿作用在于將隧道圍巖錨固成整體，提高層間強度，但此方案對層狀圍巖水平方向影響較小。因此，建議采取超前小導管進行噴漿，可使圍巖裂隙加固更能有效地保證圍巖的穩定開挖。

4.2 隧道開挖建議

當軟硬互層圍巖層理傾角為水平或者近水平時，隧道拱頂處最小主應力明顯要小于隧道斷面的其他部位，最大主應力則在拱腰處。由于隧道開挖后的圍巖具有沿垂直層理方向的滑動、應力釋放，變形特點表明水平軟硬互層隧道的一大特點，即水平層理對于隧道拱頂及拱底穩定性不利，需時常注意拱頂及拱底的變形情況[2]。

由于巖質多軟弱，以軟巖為主，風化裂隙較發育，層間結合一般。無自穩能力，洞口淺埋段洞頂易坍塌，側壁經常小坍塌，淺埋時易出現地表下沉（陷）或坍至地表，洞身段拱部及側壁無支護時可產生坍塌、失穩。施工時應采用導洞或臺階分部開挖，同時采取二次復合支護。

4.3 錨桿支護建議

水平軟硬互層圍巖隧道另一特點，即隧道水平收斂數值相對較小這一事實，進行圍巖穩定性分析，并對層狀圍巖隧道而言，錨桿作用大都體現在錨固作用方面，即錨桿的作用主要在于提高層間強度。綜合以上特點發現，錨桿對水平巖層層理影響較小，目前的支護方案相對更為保守，但在錨桿使用上卻造成了很大的浪費，因此，對初期支護中的錨桿支護作用進行了分析。對錨桿支護，由于水平方向的錨桿受力很小，錨桿所產生的作用對隧道圍巖穩定性基本無較大影響，針對此狀況，可結合數值計算，驗證其合理性[3]。將一定角度范圍內的錨桿取消，不僅可獲得良好的加固效果，錨桿受力更充分，并實現錨桿與圍巖共同承載。此外，節省了錨桿支護數量，降低了支護材料消耗和支護成本[4]。且更好地應對開挖所產生的應力場變化和位移場的變化。

另外，對于拱肩錨桿受力較拱頂錨桿大的特點，需加強對錨桿支護作用的監控量測，與此同時，將拱頂錨桿稍移向拱肩也是可行的。

4.4 初襯支護建議

水平層狀圍巖拱頂處松動圈范圍大，拱腰處松動范圍小，這與其他類型的隧道有著明顯的差距。針對四面山隧道V級砂泥互層圍巖特點，對初期支護采取鋼筋混凝土結構，此類支護方案大有裨益，解決了后期支護開裂問題，也對二次襯砌后的隧道安全性、耐久性、承載能力等方面進行了完善。

4.5 二襯支護建議

由于四面山砂泥互層V級圍巖明顯的層理作用，在保證安全規范地施工前提下，縮短二襯養護時間，不僅能更好地保證開挖歩距規范化，還能保證隧道施工安全、高效的進行。

5 結論

對四面山隧道進行地址特性分析，并對砂泥互層V級圍巖隧道進行分析及施工設計建議，主要得到以下結論。

（1）對于四面山砂泥互層V級圍巖隧道中出現明顯層理作用的情況，在施工過程中必須時常注意拱頂及拱底處隧道圍巖的穩定性。另外，對于拱肩錨桿作用大于拱頂錨桿的特點，需加強拱肩錨桿受力的監控量測。

（2）針對砂泥互層V級圍巖隧道段并結合其特點，建議超前支護采取超前小導管對隧道圍巖進行加固。

（3）四面山砂泥互層V級圍巖段隧道由于圍巖巖性較弱，建議采取臺階法或導洞法進行分步開挖。

（4）砂泥互層V級圍巖段隧道拱腰部分錨桿支護作用較小，建議取消拱腰處一定角度的錨桿，并結合數值模擬方法進行進一步確認；另外，根據拱肩部分錨桿受力大于拱頂錨桿特點，可將拱頂部分錨桿移向拱肩，既保證了圍巖的穩定，錨桿受力也更充分，也實現了錨桿圍巖的共同承載，減少了錨桿浪費。

（5）根據四面山砂泥互層V級圍巖松動圈范圍，建議初期支護采取鋼筋混凝土結構。

（6）建議四面山砂泥互層V級圍巖段在保證安全規范地施工前提下，縮短二襯養護時間，規范開挖歩距，保證隧道安全高效施工。

（7）四面山隧道砂泥互層V級圍巖段開挖及支護設計建議適用于類似隧道施工，并具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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