復雜地質條件的隧道圍巖穩定性分析

祝塘 李劍

摘 要：貴州屬于中國西南部高原山區典型地貌，山區因地形起伏大，公路的建設須穿越長大山脈，因此，出現了大量的長大深埋隧道，特別在復雜的地質條件下，勘察實施難度及評價技術難度高，對隧道圍巖穩定性的分析評價至關重要，只有對圍巖穩定性分析評價后才能準確的劃分隧道圍巖等級，其隧道圍巖分級決定了工程造價。基于貴州省織金至普定高速公路四方洞隧道的工程地質條件分析，報告了隧道的地質現狀，提出了隧道圍巖穩定性的受控因素，分析隧道圍巖的穩定性，為類似工程提供相應借鑒。

關鍵詞：隧道;地質構造;不良地質;圍巖穩定性;圍巖分級

中圖分類號：TV223.3 文獻標識碼：A

0 引言

隨著公路的高速發展，人們對隧道圍巖穩定性研究的方法呈現出各種各樣，隧道的開挖，特別在復雜的地質條件環境下，會引起隧道內上覆巖層的圍巖應力和能量重分布，導致圍巖變形，變形發展導致圍巖破壞失穩，因此，隧道工程的圍巖穩定性研究，具有重要意義。

1 項目概況

貴州省織金至普定高速公路是“678網”第五縱赤水至望謨高速公路的中段，項目起點順接赤水至望謨高速黔西至織金段，并與廈蓉國高形成“十”字交叉，終點順接普定至安順段。路線經織金縣、珠藏、熊家場、坪上、普定縣等。

四方洞隧道為分幅隧道：左幅起點樁號為ZK34+360.00，終點樁號為ZK38+420.00，全長4 060.00 m，隧道最大埋深311.42 m。右幅起點樁號為：YK34+367.00，終點樁號YK38+415.00，全長4 048.00 m，隧道最大埋深326.27 m。

2 場區工程地質條件

2.1 地形地貌

隧道區地形屬淺切中低山侵蝕、溶蝕典型地貌，海拔高程大致在1 095～1 711.5 m之間，地形起伏較大。隧道穿越海拔1 240.00～1 629.0 m的連續山體，相對高差389.0 m，隧道軸線通過段地勢較高，森林茂密，植被覆蓋較好，基巖大部出露。

2.2 地層巖性

隧區覆蓋層為第四系殘破積（Qel+dl）粉質粘土、崩積層（Qc）塊石土，下伏基巖為三疊系下統大冶組第一段（T1d1）薄層狀泥質灰巖和第二段（T1d2）中厚層狀灰巖;二疊系上統龍潭組（P2l）煤系地層及峨眉山玄武巖組（P2β）;二疊系下統茅口組（P1m）薄～中厚層狀灰巖。

2.3 地質構造與地震

隧址區位于揚子準地臺黔北臺貴陽地質構造復雜變形區。與隧道相交的地質構造有斷層、向斜及背斜，受構造的影響，隧區不良地質較發育，對隧道圍巖穩定性影響較大。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306—2001），場區地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度小于0.05 g，場區地震基本烈度小于Ⅵ度。

2.4 水文地質條件

隧道區域地表水體不發育，巖性為煤系、泥質灰巖、灰巖及玄武巖，地下水類型為碳酸鹽巖、巖溶裂隙水及碎屑巖、玄武巖風化帶基巖裂隙水。其中泥質灰巖及灰巖為場區碳酸鹽巖可溶巖組，為巖溶裂隙水，富水性強，隧道穿越該含水層主要表現為透水。但含水層雨季水量大，特別是在向斜軸部及兩側，可能有突水危害。煤系地層、玄武巖層為不透水巖組，為相對隔水層，只存在強風化層裂隙發育帶，地下水埋藏淺，水量不大。場區地下水主要靠大氣降水補給。降水少部分經地表滲入基巖風化裂隙或巖溶裂隙從高向低徑流，在低洼處的溝谷部位排泄;大多以坡面流形式向四周低洼處徑流、排泄。

3 不良地質

受復雜地質構造的影響，場區不良地質較發育，不良地質類型發育有堆積體、巖溶、危巖體及瓦斯。堆積體及危巖體分布于隧道進口段，巖溶分布于隧道區可溶巖區域，采空區分布于隧道區煤系地層區域。根據勘察成果資料，隧區危巖體對隧道無影響，堆積體、巖溶及采空區對隧道圍巖影響較大。

4 隧道的圍巖穩定性分析

4.1 影響因素

（1）地質構造。隧道區域地質構造復雜，分布有斷層、向斜及背斜。

斷層：為正斷層，上盤T1d1泥質灰巖，下盤P2l煤系地層，與隧道呈大角度相交，根據地質調繪、物探及鉆探成果顯示，斷層破碎帶寬度約30 m，斷層傾角60°，斷層破碎帶由碎裂狀的灰巖、砂巖角礫及斷層泥組成，膠結差，且富水性好，對隧道圍巖穩定影響較大。

向斜、背斜：均與隧道相交，交角50～60°，巖體因受向背斜構造的影響，褶曲嚴重，伴生的巖溶發育，巖體完整較差，巖體破碎，同時向斜核部富水，施工中易發生涌水的影響，對圍巖穩定性影響較大。

巖層結構面：隧道區向斜核部巖層接近水平，隧道施工中頂部圍巖體易沿巖層面剝離、塌落，對隧道圍巖穩定性影響較大。

（2）地形地貌。隧道出口位于一山間溝谷底部，隧道縱軸延展長度約400 m，該段地層巖性為峨眉山（P2β）玄武巖組，根據勘察成果，其風化層較厚，受背斜影響，巖體極破碎，巖質軟，且隧道頂板埋深為15～26 m，溝谷內雨季有季節性流水，隧道施工中因巖體破碎、巖質軟、頂板埋深小，易產生坍塌、突水、突泥及冒頂的危害，對隧道圍巖穩定性影響較大。

（3）不良地質。

堆積體：位于隧道進口段斜坡體上，沿隧道縱軸線分布長度80～120 m，堆積體成因為上部斜坡頂部巖體受卸荷裂隙垮塌所致，成分灰巖、泥質灰巖塊石，塊徑20～60 cm，呈松散～稍密狀，目前處于自然穩定狀態，通過物探及鉆探成果顯示，堆積體厚度約20～30 m，隧道進口段長度約20 m范圍在堆積體內部通過，堆積體承載力低，不均勻，對隧道進口段圍巖穩定性影響較大。須采用工程處治對堆積體進行處治，提高堆積體地基承載力，同時確保隧道施工后整體安全穩定。

巖溶：隧道可溶巖分布區域的巖溶較發育，巖溶形態有地表巖溶洼地及巖溶溶洞。地表巖溶洼地共分布有5處，呈橢圓狀，長度23～172 m，寬度14～71 m，深度15～32 m，洼地內均有消水洞，為洼地的排水通道;巖溶溶洞分布于ZK35+530～580左21～60 m段，洞口呈三角形，洞口最寬約160 m，洞深約60 m，洞底有灰巖塊石堆積，距隧道設計標高約150 m。施工中易發生涌水、涌泥的影響，對圍巖穩定性影響較大。

采空區：分布于隧道區域煤系地層段，根據勘察成果資料，場區共分布可采煤層為5層，分別為①、②、③、④、⑤號煤層，煤層平均厚度為1～3 m，煤質較好，為優質煤，呈塊狀，地表分布有17個采區煤洞，洞口已被政府炸封，現仍可見炸封痕跡，按其開采規模及位置分化為三個采區，分別為采空ⅠⅡⅢ區。現對其分述如下：

采空Ⅰ區：分布的采空煤洞為MD1、2、3號，長約177 m，寬約124 m，該采空區主要為上世紀煤礦開采區，其開采規模較大，開采深度約200～300 m，煤洞MD1為煤礦開采主井，現已炸封，MD2為煤礦開采風井，可測深度約30 m。其開采煤層為②號煤層。于2000年左右停止開采并封閉。該開采區已穿過隧道，其開采面主要為順巖層層面開采，傾角18°，對隧道圍巖穩定性影響較大，須采用工程處治（如注漿加固）加固圍巖穩定性，同時施工中應做好煤洞積水的應急預案，確保隧道安全、穩定。

采空Ⅱ區：分布的采空煤洞為MD4～MD10號，長約73 m，寬約125 m，該采空區為當地村民私自開采開挖，現已停止開采并封閉。其開采煤層為①、②號煤層。于2000年左右停止開采并封閉。位于隧道區域外，對隧道建設無影響。

采空Ⅲ區：分布的采空煤洞為MD11～MD17號，長約122 m，寬約141 m，為當地村民私自開采開挖，現已停止開采并封閉。其開采煤層為①、②、④、⑤號煤層。于2000年左右停止開采并封閉。位于隧道區域外，對隧道建設無影響。

4.2 圍巖穩定性分析

根據隧道圍巖穩定的影響因素，隧道圍巖穩定性受控于巖體的完整性、巖石強度、結構面的組合狀態、結構面的性質、分布的不良地質及地下水的影響，在復雜地質構造的環境下，斷層的錯位移動，向斜、背斜褶曲扭動的影響下，導致巖體完整性差，導水性好，根據鉆孔孔內巖體彈性波速測試并結合巖石彈性波速測試，受地質構造影響區域，巖體完整性系數Kv=0.18～0.25，巖體破碎。在斷層破碎帶區域，巖體導水性強，向斜核部巖體富水性強，隧道圍巖穩定性影響較大，且伴生的不良地質體發育，隧道圍巖穩定性差;根據勘察成果資料，隧道巖溶較發育，地表巖溶洼地分布多，規模大，洼地內未見積水現象，其洼地內的消水洞聯通性好，導水性強，雨季施工，隧道內易產生涌流狀出水，對隧道圍巖穩定性影響較大。穿越隧道的采空區段，存在隧道圍巖臨空、頂板積水，對隧道圍巖穩定影響較大。

4.3 圍巖分級

根據隧道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（公式為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），同時根據修正系數K1、K2、K3，對BQ值進行了修正，得出修正后的[BQ]，計算公式為[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）。

根據計算、分析及評價：隧道圍巖級別為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三種級別，V級圍巖分布于隧道地質薄弱段，如隧道進出口、地質構造與隧道交叉處、巖溶洼地、巖溶溶洞段、巖體富水段、采空區及煤系地層軟巖分布段落。IV級圍巖分布于隧道洞身巖體完整性較差段落，III級圍巖分布于隧道洞身巖體完整性好、巖石強度較硬、無不良地質、無地質構造較叉段落。

5 結語

山區地形、地質條件復雜，尤其在貴州西南地區，高速公路往往需要建設長大隧道，復雜地質條件的隧道圍巖分級決定了工程項目的造價，對工程造成極大影響。

參考文獻：

[1]余波，崔建恒，劉曉，等.公路工程地質勘察規范：JTG C20-2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]化建新，鄭建國，張繼文，等.工程地質手冊：第五版[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[3]蔣樹屏，吳德興，丁文其，等.公路隧道設計規范：JTG 3370.1-2018[S].北京：人民交通出版社，2019.