公路隧道地質調查及圍巖穩定性研究

楊青云，楊化林，張天宇

（1.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004）

隧道的開挖方式有控制爆破法和機械開挖法，在IV級圍巖以上圍巖隧道一般采取爆破開挖法，然而使用爆破開挖容易對圍巖造成擾動，因此使用符合當前圍巖抗振要求的爆破方法十分重要；另外隧道的開挖形成了大面積的地下空間，開挖后的圍巖中的原巖應力場被破壞，巖石應力重新分布，在隧道輪廓附近巖石中的應力集中分布，重新形成的應力平衡容易遭受破壞，容易產生軟弱破碎帶坍塌、突水和突泥的安全事故[1]，這與巖石的地應力環境、區域斷裂構造和地下水情況有關[2]，為了給合理的爆破方法的選擇提供依據，保證隧道的穩定性，對隧道圍巖地質情況進行了調查分析。

1 遂址區地質特征

1.1 隧道概況

梧州市環城公路工程3標1、2工區位于梧州市城郊，經萬秀區龍湖鎮旺步村、朱品村、倒水村、河步等地。新建隧道4座，熊沖隧道右洞1536m，左洞1495m；沙子塘隧道右洞550m，左洞545m；底沖隧道右洞505m，左洞508m；上雷嶺隧道右洞975m，左洞978m。遂址區屬丘陵地貌，地形起伏較大，溝谷發育，沿隧道走向地表由破殘積層覆蓋，殘丘上植被發育，局部見基巖出露地表，無不良地質現象，隧道基本情況見表1。

表1 梧州市環城高速隧道概況

1.2 巖石性質

熊沖、底沖和上雷嶺隧道下伏基巖為寒武系上亞群中組砂巖，砂子塘隧道下伏基巖為寒武系上亞群上組砂巖，圍巖砂狀結構；中厚層狀構造。熊沖、底沖隧道巖石呈黃色和灰色，巖質較硬，錘擊聲清脆，巖體較破碎—較完整，節理裂隙發育，裂隙面多被鐵錳質浸染，局部石英填充，巖芯多呈短柱狀、碎塊狀少量呈碎塊狀，強風化層和中風化層分布于整個場地，以中風化層為主；上雷嶺隧道巖石以強中風化層為主；砂子塘隧道巖石為黃色，巖質軟，風化不均勻，局部夾全風化，錘擊聲啞、易碎，巖體極破碎—破碎，節理裂隙發育，裂隙面多被鐵錳質浸染，巖芯多呈砂狀，少量呈碎塊狀，強風化層和風化層分布于整個場地，以強風化層為主。如表2所示。

1.3 遂址區斷層與斷裂情況

利用地震波的反射原理對遂址區圍巖進行地質監測發現[3]，熊沖隧道在遂址區西約3.5km處發育逆斷裂，長度約為10km，走向近于正北，傾向西北，為不明性質斷層，本隧道通過區域存在3處斷層或破碎帶，影響深度分布為55m、60m及80m。砂子塘隧道東約3km處存在一處發育逆斷裂，長度為10km，走向近于南北，傾向北西，現場物探表明隧道洞身范圍內無斷裂及構造破碎帶，區域地質較穩定。底沖隧道遂址區無區域性斷裂及破碎帶。上雷嶺隧道遂址區無斷裂，本隧道通過區域存在2處斷層，影響深度分別為30m和50m。詳見表3。

表2 隧道巖石性質

表3 遂址區斷層與斷裂分布

2 遂址區節理裂隙調查分析

2.1 節理裂隙調查

節理裂隙是巖體在應力作用下形成的結構面，是一種能反映出巖體內主要構造特點的結構特征[4]。節理的分布情況影響著圍巖的穩定性和可爆性，通過對隧道圍巖內分布的節理裂隙進行測量，記錄其產狀、數量等，將節理裂隙分布情況制作成玫瑰圖，來分析圍巖的完整性及抗振能力，為爆破參數的選取及隧道支護提供依據。

2.2 節理裂隙整體分布情況

熊沖隧道巖體較破碎，節理呈不規則狀交錯分布，存在幾組發育節理，產狀分別為160°∠15°（2～3條/m）、115°∠62°（2～3條/m）115°∠63°（2～3條/m）、155°∠48°（3～4條/m）、180°∠45°（4～5條/m）、50°∠85°（3條/m）115°∠70°（2～3條/m）、186°∠55°（3～4條/m）；砂子塘隧道中節理裂隙發育，呈碎裂及鑲嵌碎裂結構，產狀分別為160°∠45°（3條/m）、330°∠48°（2條/m）；底沖隧道區域地質較完整，存在幾組節理產狀為230°∠75°（2～3條/m）、286°∠68°（3 條/m）、150°∠58°（3 條/m）193°∠66°（2～3條/m）；上雷嶺隧道發育節理產狀為250°∠80°（2～3條/m）、25°∠53°（2～3條/m）、70°∠72°（3～4條/m）、85°∠65°（2～3條/m）、10°∠65°（3～4條/m）、40°∠65°（2條/m）、168°∠60°（4條/m）、340°∠78°（2～3條/m）、174°∠50°（3～4條/m）。

2.3 熊沖隧道節理統計分析

節理裂隙的測量一般采用測線法，即在巖體表面布置一條測線，每隔一段距離取一個測點測量節理裂隙產狀及位置[5]。熊沖隧道節理的測量則是將掌子面圍巖進行測量及分組則，如表4、圖1所示。

圍巖的節理裂隙分布情況對爆破效果有著很大影響，沿著優勢節理方向爆破爆破能量損失較大，需要更大的裝藥量才能達到效果，從測得的節理裂隙來看，存在2組優勢節理，1組走向范圍為0°～40°，平均走向為9°，平均傾向為34.5°，節理裂隙條數為6條；2組走向范圍為320°～360°，平均走向為336°，平均傾向為48.9°，節理裂隙條數為10條，在這2組優勢節理方向需加大裝藥量進行爆破。

式中：K——裂隙率；

B——節理寬度；

L——節理長度；

A——調查區域面積。

K≤2%說明被調查巖體節理裂隙不發育，2%≤K≤8%則說明被調查巖體節理裂隙較發育，K≥8%則說明被調查巖體節理裂隙發育，經計算節理裂隙率為9.7%，計算節理平均間距RS進行評價[6]，計算得熊沖隧道RS為37.4cm。當前隧道圍巖為節理裂隙發育巖體。

表4 熊沖隧道某斷面節理走向情況統計

圖1 節理裂隙統計圖

3 結語與建議

對遂址區進行地質調查發現隧道受附近斷裂帶的影響較大，基巖為寒武系上亞中組砂巖，巖石風化程度高，圍巖節理裂隙發育。以熊沖隧道為例，對其開挖面進行節理統計，發現存在多組發育節理，節理之間距離近RS為38.4，裂隙率K大于8%，巖體為節理裂隙發育巖體，為保證其安全性需做適當的支護。

隧道圍巖的地質特征是隧道施工的重要參考資料，影響隧道的穩定性，給隧道掘進方案提供指導，本文通過對遂址區地質情況，巖石性質節理裂隙的調查分析，進行了分析和總結，提出以下建議。

（1）隧道的水文地質情況對隧道施工也具有一定影響，對隧道涌水預測常采用降水入滲法[7]，南方地區雨量充沛，巖溶發育，隧道內易產生積水，若水未及時排出，長時間浸泡隧道地面，容易碎漲擴容強度降低，不利于隧道的穩定[8]。

（2）遂址區巖石節理裂隙發育，爆破作用效果降低，針對巖性特點，需要采用合適的爆破工藝進行開挖爆破。

（3）破碎帶與完整性圍巖交替位置，需加強超前支護與輔助施工工藝，保證隧道的安全性，降低塌方風險[9]。

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