蘭海高速擴容工程大坪子隧道工程地質分析

陳江　趙占群

摘要：文章以蘭海高速公路擴容工程大坪子隧道為研究對象，調查分析了隧址區的工程地質條件，預測了隧道涌水量，并通過在室內外進行巖體物理力學參數及聲波測試，進行了隧道圍巖分級，為類似工程設計與施工提供參考。

關鍵詞：隧道工程;工程地質;涌水量;聲波測試;圍巖分級

0 引言

蘭海高速公路貴州境遵義至貴陽段擴容工程，將有效緩解貴遵高速公路的交通壓力，分流貴陽往北向的車流量，成為貴州省連接川渝、南下出海的又一條重要通道。

蘭海高速公路貴州境遵義至貴陽段地形起伏較大、巖體破碎，應查明隧址區的工程地質條件，為公路隧道的設計提供必要的依據。隧道工程建設在借鑒、吸收已有類似工程經驗時，更要注重個體工程建設條件的特殊性[1-2]。

1 工程概況

大坪子隧道為分幅長隧道。左幅起訖樁號為ZK93+860～ZK95+680，全長1 820 m，最大埋深為145 m;右幅起訖樁號為YK93+895～YK95+685，全長1 790 m，隧道最大埋深為143.0 m。設計時速為100 km/h，設計荷載為公路Ⅰ級。該分離式隧道建筑限界凈寬為14.75 m，凈高為5.0 m，內輪廓設計高程距拱頂高度為7.94 m，凈寬為15.618 m[3-4]。工程地質平面與剖面見圖1。

2 隧址區工程地質條件

隧道區地處貴州高原中部，場地隸屬開陽縣禾豐鄉所轄。隧道進出口無公路通過，交通條件差。

隧道橫穿山體，坡體植被較發育，多為灌木，進出口均位于陡坡上。隧道區附近海拔為932.9～1 240.7 m，相對高差為307.8 m。左右幅隧道軸線通過地段的地面高程為1 077.81～1 232.00 m，相對高差為154.19 m。地貌類型為溶蝕-侵蝕低中山地貌。

場區地層由上至下分述如下：

（1）含碎石黏土（Q4 el+dl）：褐黃、灰黃色，硬塑，含10～20%的白云巖、泥質白云巖等強風化碎石，主要分布于地勢平緩處，厚1～17.1 m。

（2）塊石土（Q4 col）：雜色，主要成分為白云質灰巖、泥質白云巖、白云巖，由隧道洞頂巖體崩塌堆積而成，塊石直徑為0.4～2 m，最大達8 m，表層結構松散，下部稍密實，厚7～11 m。

（3）寒武系下統清虛洞組（[XCE-1.TIF，JZ]1q）：薄至中厚層狀白云質灰巖、泥質灰巖、白云巖、泥質灰巖與粉砂質泥巖不等厚互層，局部夾粉砂巖。

①強風化層：灰黃色、淺灰色，薄至中厚層狀，節理裂隙發育，巖體破碎，巖石軟，巖芯呈碎塊狀，厚3～10 m。

②中風化層：灰色，薄至中厚層狀，巖體較破碎～較完整，巖石軟硬相間，巖芯呈柱狀、塊狀、砂狀。

（4）寒武系中統（[XCE-1.TIF，JZ]2g+s）：高臺-石冷水組白云巖夾泥質白云巖，局部夾粉砂質泥巖。

①強風化層：灰黃色，薄至中厚層狀，節理裂隙發育～很發育，巖體破碎～極破碎，巖石軟，巖芯呈砂狀、碎塊狀，厚5～14 m。

②中風化層：灰色、灰白色，薄至中厚層狀，節理發育，巖體較破碎，巖石軟硬相間，巖芯呈砂狀、塊狀、少量柱狀。

隧道區屬揚子準臺地-黔北臺隆-遵義斷拱-貴陽復雜構造變形區。根據調查，場區無構造通過，巖層單斜，地層產狀為290°～340°∠14°～20°。區內巖體主要發育J1：25°～90°∠75°～85°，J2：252°～288°∠80°，J3：320°～345°∠66°～85°三組節理裂隙，間距多在20～300 mm。強風化巖層中節理裂隙多呈張開狀，局部見黏土及碎石充填，無膠結，結合差，巖體被節理裂隙切割成碎塊、碎石狀，單條節理裂隙地表延伸長度0.5～6 m;中風化巖層內節理面較為平滑，多呈閉合狀。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），場區地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度值<0.05 g，對應地震基本烈度<Ⅵ度。

3 隧道涌水量預測

隧道區沖溝較多，受降雨影響明顯，大部分為雨源型沖溝，旱季干涸。隧道開挖易產生涌水現象。

根據隧道地形及水文地質條件，采用《鐵路工程地質手冊》（修訂版，2000年）中降水入滲法、地下水徑流模數法分別進行估算。

查《區域水文地質普查報告》得該區域的年平均徑流模數M=21.2 l/s·km 2，計算得Q=6 227 m 3/d。

通過以上兩種涌水量進行計算，選取最大預測涌水量Q=6 371 m 3/d。

根據水樣測試分析，場區水質類型為[C]CaⅠ型，即為碳酸鹽鈣質水。依據《公路工程地質勘察規范》（JTGC20-2011），場區水體對混凝土結構具有硫酸鹽、鎂鹽、氯鹽和侵蝕性CO2的微腐蝕性。

4 隧道圍巖分級

4.1 巖石單軸飽和抗壓強度

對隧道區不同地層不同巖性進行了取樣試驗，其單軸飽和抗壓強度指標統計見表1。

4.2 巖體聲波測試

對隧道代表性鉆孔進行聲波測試，結果見表2。

4.3 隧道圍巖分級

根據圍巖巖體的完整程度、風化狀態、結構、構造、節理裂隙發育情況及水文地質等定性特征，結合基本質量指標BQ計算值（BQ=90+3Rc+250Kv，其中Rc為單軸飽和抗壓強度指標;Kv為巖體完整性系數），同時對BQ值根據地下水修正系數修正得[BQ]，對隧道區圍巖級別進行了劃分，見表3。

5 不良地質現象分析評價

5.1 不良地質現象

隧道區不良地質主要為巖溶、堆積體、危巖體。

[HJ1.7mm]

5.1.1 巖溶

（1）根據調查及SDK6鉆孔揭露，位于1 106.88～1 113.78 m高程范圍內存在溶洞，洞高6.9 m，充填黏土。該段隧道淺埋，建議將隧道頂板揭露做好初支及二襯后回填處理。若采用暗挖形式通過時，隧道頂板極易冒頂，建議在淺埋段沖溝內采取反壓回填，同時對溶洞內充填物掏空采用混凝土回填等形式處理。

（2）隧道進口段頂部YK94+200右65 m處分布一巖溶洼地，洞口直徑約為45 m，深度約為12 m，洼地內緣側壁基巖出露，底部存在豎向小型裂隙，底部大部分被黏土覆蓋。該洼地距離右幅軸線較近，雨季地表水向洼地內排泄，洼地附近隧道開挖可能產生涌水、突泥等現象，應加強此段圍巖支護處理和防排水設計，同時加強超前地質預報。

5.1.2 堆積體

分布于ZK95+557～ZK95+795段左80 m～右48 m（隧道出口陡崖至長灘河特大橋左幅3 #墩之間）的堆積體長200 m，寬114 m，平均厚度為7～11 m，呈階梯狀分布，局部位置厚20 m（分布于左幅0 #橋臺處），由陡崖巖體長期崩塌堆積而成。

按典型斷面進行穩定性分析，在正常工況下（坡體處于自然狀態），取γ=20 kN/m 3、綜合φ=28°，經驗算得穩定性系數Fs=1.20。非正常工況Ⅰ下（坡體處于暴雨或連續降雨狀態），取γ=21 kN/m 3、綜合φ=26°，經驗算得穩定性系數Fs=1.09。該堆積體處于自然穩定狀態，但堆積體若受大規模施工開挖擾動易垮塌失穩，對結構物及施工安全構成隱患，需要對其進行治理。

5.1.3 危巖體

分布于大坪子隧道出口頂部ZK95+554（YK95+600）處陡崖一線，陡崖巖體豎向切割裂隙發育，局部危巖孤立，現狀穩定，危巖體約300 m 3。危巖體受大規模爆破開挖震動易產生崩塌掉塊，對結構物及施工安全構成隱患。

5.2 不良地質現象處治措施建議

5.2.1 巖溶

大坪子隧道巖溶發育，施工中對于溶洞或采空區可采取以下處治措施：

（1）當溶洞在隧底，小型溶洞可挖出充填物換填;對于規模較大的溶洞根據跨度大小采用梁跨、拱跨等措施。

（2）溶洞在側墻，可局部挖除溶洞充填物后在襯砌外采用混凝土或漿砌片石砌筑。

（3）溶洞在隧頂，可待溶洞充填物自流穩定后，在拱頂以上澆筑混凝土護拱，護拱之上充砂或用輕質泡沫混凝土灌注充填，然后再修建隧道;溶槽在隧頂，可利用超前支護鉆孔對隧頂溶槽充填物進行高壓劈裂注漿加固后再進行開挖，并加強隧道支護。

（4）大坪子隧道巖溶發育，施工開挖時易產生突水現象。施工中，應進行超前探水，查明坑道前方地下水分布情況及水量后，適時采取預注漿，將大量的地下水盡可能地封堵在圍巖內，使坑道開挖不出現大量的涌水，為后續施工和洞室穩定創造條件。

（5）為保護地表水環境，應根據實際情況分別采用全斷面深孔預注漿、部分斷面深孔預注漿、深孔周邊預注漿、開挖后周邊注漿及開挖后局部注漿堵水。

5.2.2 堆積體

堆積體規模較大，為確保堆積體穩定，左幅由于堆積體厚，山體較陡，在地面線向外凸起的地方對堆積體按1∶1的坡率進行清方，清方之后對坡體采用錨索進行防護，并在隧道洞口設置6根抗滑樁，待錨索、抗滑樁施工完畢并待樁身混凝土達到強度后，方可進行洞口開挖。隧道洞口開挖及時進行防護，隧道洞口段堆積體洞身采用斜向（環向）鋼花管注漿固結，施工中必須保證注漿質量。隧道洞口段開挖采用弱爆破，短進尺，盡量減少隧道爆破開挖對危巖體的擾動。右幅隧道堆積體稍薄，洞口開挖及時進行防護，隧道洞口段堆積體洞身采用斜向（環向）鋼花管注漿固結，施工中必須保證注漿質量。

5.2.3 危巖體

危巖體現狀穩定，但局部小規模巖體受施工爆破等因素震動易崩塌失穩，建議施工前進行清除處理。

5.3 隧道進出口工程地質評價

隧道進口地形坡度較陡，強風化層較厚，為順向邊坡，巖體節理裂隙發育，巖體破碎～極破碎，隧道洞門及進口段大規模爆破開挖易產生坍塌失穩，應加強邊坡仰坡的防護設計。

隧道出口段分布有堆積體，平均厚度為7～11 m，現狀穩定，但隧道邊仰坡開挖擾動易產生部分垮塌或失穩。建議對隧道仰坡進行局部清方并采取框架錨索結合注漿加固處理，同時加強防排水措施。

6 結語

（1）隧道圍巖大部分以碳酸鹽巖為主，除鉆孔揭露的溶洞外，局部存在隱伏巖溶的可能，尤其在可溶巖與粉砂質泥巖、砂巖等不透水層接觸部位，溶洞極可能發育。隧道開挖揭露溶洞易產生突水、突泥等危害。施工期建議加強超前地質預報工作及施工監控，若遇溶洞應視具體情況采取相應的輔助工程措施，確保洞室穩定。

（2）隧道圍巖級別為Ⅴ～Ⅳ級，施工開挖必須減少爆破藥量，防止大規模爆破震動誘發圍巖坍塌失穩。嚴格按照“短進尺、弱爆破”的原則進行開挖，按照設計圖紙施工，及時做好初支二襯。

（3）針對巖溶、堆積體、危巖體等不良地質現象，結合橋梁及隧道關系特點，應進行綜合處治。建議對隧道仰坡進行局部清方并采取框架錨索結合注漿加固處理;在0 #臺～2 #墩之間適當位置采取抗滑支擋處理;堆積體上禁止大量堆載和大規模臨空開挖擾動;加強隧道邊仰坡、橋梁基坑邊坡、橋隧相接路段的防排水措施。

（4）施工中若發現新的地質情況，應及時反饋，以便有關各方及時解決。

參考文獻：

[1]許崇幫，王華牢.杜公嶺隧道工程地質特征及工程危害性分析[J].公路交通科技，2019，36（8）：93-107.

[2]李 劍.小春灣隧道工程地質條件的相關分析[J].城市道橋與防洪，2017（6）：294-295.

[3]貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司.蘭海高速貴州境遵義至貴陽段擴容工程第9合同段兩階段施工圖設計[R].2015.

[4]貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司.蘭海高速貴州境遵義至貴陽段擴容工程第10合同段大坪子隧道施工圖設計階段工程地質勘察報告[R].2014.