山區某隧道的巖土工程分析

羅 均 宇

(福建省121地質大隊工程勘察院，福建 龍巖 364000)

1 概述

永定區虎崗鎮龍溪村灌洋水庫南側的山地，隧道穿越山體，為單洞隧道。隧道凈空(寬×高)為9.00×5.0，隧道長731.667 m，設計樁號K3+365.115～K4+096.792。隧道最大埋深約102.73 m，進口洞底標高645.85 m，出口洞底標高649.53 m，設計縱坡降為0.5%，設計時速為40 km/h。

2 場地工程地質特征

2.1 地形、地貌及地質構造

隧道區屬低山地貌，進口處地面高程約648.12 m，出口處地面高程約為649.58 m，隧道軸線最高點高程為787.80 m，沿線地形呈波狀起伏，山脊(頂)渾圓，進口側山坡自然坡度約30°～35°，出口側山坡自然坡度約40°～50°。

區域位于閩西南拗陷帶西南部，大田—龍巖拗陷的南部，廣平—龍巖復式向斜的南端，未見有活動性斷裂構造發育。

根據中國地震動參數區劃圖(GB 18306—2015)福建省區劃一覽表，項目所在地區的抗震設防烈度為6度，設計地震分組第二組，設計地震加速度0.05g。

2.2 巖土層種類

①10含角礫粉質黏土：淺紫紅、黃褐色,呈硬塑狀，含30%的角礫,粒徑約10 mm～100 mm,分布不均勻。

②11強風化粉砂巖：紫紅、灰色,水平層理,中～厚層狀,巖體呈散體～碎裂狀結構,完整性差，為極軟巖。

②21強風化細砂巖：淺灰色,水平層理中～厚層狀,硅質膠結，巖體呈碎裂狀結構,為軟巖，完整性差。

②12中風化粉砂巖：紫紅色、灰色,水平層理,巖體呈層狀結構,為軟巖，完整性較好，RQD(%)=50～60。

②22中風化細砂巖：淺灰色、水平層理，硅質膠結，巖體呈層狀結構,為軟巖，完整性較好，RQD(%)=40～60。

②13微風化粉砂巖：紫紅色,水平層理,巖體完整性好,為較軟巖，RQD(%)=60～80。

②23微風化細砂巖：灰白色,水平層理，硅質膠結，巖體完整性好,RQD(%)=50～80。

2.3 巖土層的設計計算指標

本場地通過室內土工試驗、現場原位試驗及當地工程經驗見表1。

表1 巖土層設計參數推薦值

2.4 場地水文地質條件

1)地表水。

隧道區未見有地表水系經過，地表水總體較貧乏。

2)地下水。

地下水按埋藏條件及賦存介質不同分為：①基巖風化裂隙型潛水和②基巖裂隙承壓水。

①基巖風化裂隙潛水賦存于強風化巖層的網狀裂隙中。隧道區巖性為泥盆系桃子坑組細砂巖、粉砂巖，裂隙發育，富水性較好、導水性強，含水層厚度較大。接受大氣降水的補給，順坡向徑流，在坡腳低洼處排泄，含水量較小，對隧道圍巖及開挖影響相對較大。

②基巖裂隙水：受地質構造的控制，接受大氣降水的補給和基巖風化裂隙水的補給，向山體附近的溝谷中排泄，具有承壓性，隧址區內裂隙密集帶較不發育，為泥質充填，且寬度較小，兩側巖體大多為完整、堅硬，富水性一般。

地下水水位埋深31.20 m～35.00 m，標高673.20 m～700.40 m，位于隧道路面以上，水量較小。

2.5 不良地質作用和特殊性巖土特征

隧道場址區自然山坡坡體基本穩定，未發現大規模的滑坡、崩塌、泥石流等不良地質現象。場地分布巖層為非可溶巖，不存在巖溶問題，場地內未發現有礦產分布，未發現有采空區。未發現特殊性巖土。

3 隧道工程地質評價

3.1 隧道洞口工程地質評價

隧道進口段自然山坡坡度30°～35°，圍巖為薄層坡積含角礫粉質粘土及厚層強風化粉砂巖,坡體現狀整體穩定。隧道開挖后形成邊坡高約9.0 m～11.0 m，坡體主要為薄層含角礫粉質粘土及強風化巖，結構較松散，開挖后穩定性較差；隧道出口側自然山坡坡度約40°～50°，洞口圍巖為強～中風化細砂巖，坡體現狀整體穩定。

3.2 洞身工程地質評價和圍巖分類

3.2.1洞身工程地質評價

根據地質調繪及鉆探結果，隧道進口K3+365.115～K3+425.50圍巖為：強風化粉砂巖，為極軟巖，巖體破碎，圍巖的級別為Ⅴ級；K3+425.50～K3+572.73圍巖為：中風化細砂巖，為較硬巖，巖體較完整，圍巖的級別為Ⅲ級；K3+572.73～K4+025.30圍巖為：微風化細砂巖，為較硬巖，巖體完整，圍巖的級別為Ⅱ級；K4+025.30～K4+041.34圍巖為：微風化粉砂巖，為較硬巖，巖體較完整，圍巖的級別為Ⅲ級；K4+041.34～K4+083.39圍巖為：微風化細砂巖，為較硬巖，巖體較完整，圍巖的級別為Ⅲ級；K4+083.39～隧道出口K4+096.792圍巖為：為強風化細砂巖，為軟巖，巖體破碎，圍巖的級別為Ⅳ級。

3.2.2圍巖基本質量分級

按照巖石堅硬程度(Rc)及巖體的完整性(Kv)，結合地下水、裂隙、圍巖應力狀態等對圍巖的影響，根據JTG D70—2004公路隧道設計規范公式(1)，公式(2)計算隧道圍巖體基本質量指標[BQ]，按照JTG D70—2004公路隧道設計規范表3.6.5進行隧道圍巖的分級，結合巖石堅硬程度(Rc)、巖體的完整性(RQD、Kv等)進行對比驗證。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(2)

其中，BQ為圍巖體基本質量指標；[BQ]為修正后圍巖體基本質量指標；Rc為巖石飽和單軸抗壓強度;Kv為巖體完整性系數;K1為地下水影響修正系數;K2為主要軟弱結構面產狀影響修正系數;K3為初始應力狀態影響修正系數。

隧道圍巖分級和圍巖物理指標如表2，表3所示。

3.3 隧道地應力評價

擬建隧道最大埋深約238.80 m，洞身圍巖為微風化細砂巖，為硬巖，節理較～不發育，經分析，該隧道為低地應力區，隧道開挖發生巖爆的可能性較小。

3.4 隧道涌水量分析

隧道區地下水主要為風化基巖中網狀裂隙～孔隙水，以及基巖構造裂隙水。根據TB 10049—2004/J 339—2004鐵路工程水文地質勘察規程，按隧道匯水面積范圍內降水的入滲率，估算隧道涌水量。

表2 圍巖物理力學指標標準值表

表3 各級圍巖所占比例表

1)降水入滲法。

現取匯水長度(隧道長度)731.68 m，寬度1 000 m，當地年均降雨量為1 940.50 mm，入滲系數取0.18，按TB 10049—2004/J 339—2004鐵路工程水文地質勘察規程附錄B.1.2條，采用降水入滲法初步估算隧道的涌水量如下：

降水入滲法公式：Qs=2.74×a×W×A。

其中，Qs為隧道正常涌水量，m3/d；2.74為換算系數；a為降水入滲系數：取0.18；W為多年年均降水量，本測區取1 940.50 mm；A為隧道集水面積0.721×1.0=0.731 km2。

正常涌水量：Qs=2.74×0.18×1 940.50×0.731=699.61 m3/d。

2)TB 10049—2004鐵路工程水文地質勘察規程附錄B.2.1條谷德曼公式和佐藤邦明經驗式。

最大涌水量：Q0=q0×L；

q0=2πKH÷ln(4H÷d)。

其中，Q0為隧道最大涌水量;L為隧道計算長度;K為含水層滲透系數(計算及經驗值);H為含水層中靜止水位至隧道等價圓中心的距離,m;d為隧道洞身斷面的等價圓直徑,m;qs為隧道單位長度經常涌水量，m3/(d·m)；B為隧道通過含水層中長度，m；R為隧道排水影響寬度，m。

根據野外鉆孔注水試驗成果，碎塊狀強風化巖通過地段的滲透系數為K=1.11 m/d。根據上述公式對隧道進行分段計算得出：隧道最大涌水量為34 269.88 m3/d，正常涌水量為1 481.92 m3/d。

4 場地環境地質評價

擬建隧道位于永定區虎崗鎮龍溪村灌洋水庫南側的山地，隧道穿越山體，為單洞隧道，進口位于永定縣灌陽農業有限公司東北側的坡地，出口位于灌洋水庫大壩的南側坡地，隧道附近無人居住，施工開挖期間該區域地下水可能下降，對農作物局部可能造成一些影響，但施工后影響不大，造成次生地質災害。

隧道施工應在隧道進出口附近山溝各設棄碴場堆放棄碴，并做好棄碴的攔護壩，以免破壞生態環境，造成水土流失或碴體溜坍。

5 結語

1)隧址區構造運動不強烈，未見影響場地穩定的活動性斷裂，未見滑坡、崩塌、泥石流、采空區、地下洞穴等不良地質作用。

2)場區地震基本烈度為6度；工程場地50年超越概率10%的平均土質條件下峰值加速度為0.05g，設計地震第二組，屬中硬場地土，場地類別為Ⅱ類場地，地震動反應譜特征周期值為0.40 s。

3)隧道位于當地侵蝕基準面之上，山坡坡體較陡，未見有地表水系經過。本隧道圍巖為弱透水層，該隧道單洞正常涌水量為1 500 m3/d。

4)隧道進出洞口處仰坡和兩側開挖邊坡穩定性較差，建議采用安全坡率放坡開挖，并加強坡面防護措施。

5)隧道洞身及進口圍巖級別為Ⅳ級～Ⅴ級，出口段圍巖級別均為Ⅱ級～Ⅲ級。

6)擬建隧道最大埋深約238.80 m，深部圍巖為微風化細砂巖，為低地應力區，隧道開挖發生巖爆的可能性較小。

7)隧道施工對坡地上植被及農作物局部有影響，應合理設置棄渣堆放點，應妥善處理棄渣，以免產生次生地質災害，隧道施工期間對周圍環境有一定影響，應做好防治工作。