某隧道工程地質條件特征及穩定性研究

郭利召

(華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000)

0 引 言

項目建設地點位于寬城縣下河區，道路總長1 300.00 m，其中擬建隧道全長約304.0 m，高程294.716～303.190 m，埋深1.85～28.62 m，覆土厚度1.85～28.62 m，隧道紅線寬26.5 m，隧道凈高度9.17 m，凈寬度12.10 m。通過地形、地貌、工程地質等勘查，對場地的穩定性和適宜性作出評價；了解物理力學性質指標、承載力等巖土技術參數，查明隧道圍巖及進出洞口的地質條件；提出該工程施工和使用期間可能發生的巖土工程問題的預測和監控及預防措施的建議[1-4]。

1 地質環境概況

勘查區位于寬城凹褶束，總體地貌為剝蝕構造低山區，尚義-平泉斷裂，平泉-桑園斷裂分別位于擬建場區南北兩側，但遠離項目場地，影響較小。出露地層主要為中生界侏羅系中統及第四系，巖性以粗安巖、安山角礫巖為主。

2 工程地質條件

2.1 巖土特征

根據鉆孔揭露，將勘察范圍內地基巖土按物質組合、埋藏條件及成因類型等特點劃分為工程地質層，見表1。

表1 工程地質層巖土特征表Tab.1 Geotechnical features of the engineering geological strata

(1)土力物理力學性質

粉質黏土層：在該層作標貫試驗6次，最小值6.0，最大值9.0，平均擊數N=7.5，標準值N=6.4，標準差S=1.378，變異系數δ=0.184。該層取原狀樣6件，土工試驗指標標準值如下：含水率W=22.1 %，重度γ=19.6 kN/m3，孔隙比e0=0.706，液性指數IL=0.17，粘聚力c=22.5 kPa，內摩擦角φ=11.4度，壓縮模量Es0.1-0.2=6.302 Mpa(平均值)，壓縮系數a0.1-0.2=0.270 MPa-1(平均值)，屬于中壓縮性土。

角礫層：在該層作動力觸探試驗5.0 m，平均擊數N63.5=10.6，標準值N63.5=10.2，界限值8.2～13.8，標準差S=1.421，變異系數δ=0.134。該層物理力學性質建議值：變形模量E0≈30 MPa，內摩擦角φ≈30°，滲透系數k=2.0×10-1cm/s(經驗值)。

(2)巖石物理力學特征

見表2。

表2 巖石物理力學特征統計表Tab.2 Physical mechanical features of the rock

2.2 不良地質作用

根據場區工程地質調查與測繪，未發現巖溶、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等不良地質作用與地質災害。擬建工程現狀不良地質作用主要為不穩定斜坡、崩塌[3]。

(1)不穩定斜坡

隧道入口處為天然形成的斜坡，山體表層主要為強風化巖石，坡角33°，斜坡多發生于表層強風化層中，為淺表層的垮塌，規模均為小型。建議進行工程治理，已保證安全施工及運營。

(2)崩塌

經野外地質調查，隧道出口處為人工開挖高邊坡，邊坡類型為巖土混合邊坡，未進行支護，高度約為30 m，坡角約為62°。現場調查，巖質邊坡整體均處于穩定狀態，未見坡體出現隆起、剪出等變形現象，但局部由于裂隙較發育，巖體被裂隙切割成塊狀，有危巖發育，在降雨引發下產生小規模崩塌、掉塊現象，掉塊、崩塌體積一般0.5～5.0 m3，危害公路、車輛及人員安全。

3 場地的穩定性及工程建設適宜性

3.1 場地穩定性評價

勘查區沿線地勢總體起伏較大，第四系覆蓋層厚度較厚，無液化土極特殊巖土分布?，F狀條件下未發現巖溶、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等不良地質作用與地質災害，建筑場地范圍內不存在土洞、溶洞、埋藏的河道、溝浜、墓穴、孤石等對工程不利的埋藏物。綜合評定該場地穩定性劃分為基本穩定場地[2]。

3.2 建筑適宜性評價

工程場地地基條件和施工條件一般，工程建設可能誘發次生地質災害，通過工程防護可以避免，為基本適宜[4]。

4 隧道工程分析與評價

擬建隧道穿越粗安巖及安山角礫巖，進洞口位置主要地層為粉質黏土及碎塊狀強風風化巖石及中等風化巖石，強風化巖石具有透水性強、遇水軟化、崩解等特點。出洞口上方存在粉質黏土、角礫、碎塊狀強風化巖石及中等風化巖石，碎石土及強風化巖石具有透水性強、遇水軟化、崩解等特點。

4.1 隧道進口邊坡穩定性分析

邊坡為天然形成的巖質邊坡，地形較陡，邊坡傾向62°，坡角約32°，邊坡主要強風化-中等風化安山角礫巖，巖體較破碎，結構面結合一般或差，現場調查未見坡體出現隆起、剪出等變形現象，目前處于自穩狀態，見圖1左。但根據巖體穩定調查，采用赤平投影圖分析見圖2，巖體局部由于裂隙很發育，被裂隙切割成塊狀，在降雨引發下可能產生小規模崩塌、掉塊現象，建議對開挖后形成的新邊坡采用漿砌片石進行防護。

圖1 隧道進口段現狀(左)、隧道出口段現狀(右)Fig.1 States of the tunnel inlet and outlet sections

圖2 隧道進口邊坡結構面赤平投影圖Fig.2 Structural plane stereogram of the tunnel’s inlet slope

4.2 隧道出口邊坡穩定性分析

隧道出口位于坡腳處，邊坡為人工開挖形成巖土混合邊坡，地形較陡，邊坡傾向113°，坡角約62°，坡頂被第四系覆蓋，厚度約1.0 m，以粉質黏土及角礫為主，第四系以下為強風化-中風化安山角礫巖及粗安巖，目前處于自穩狀態，見圖1右。但施工開挖必然會形成新的巖土混合邊坡，破壞原有的應力平衡狀態，根據巖體穩定性分析，見圖3，預測邊坡變形破壞模式為，臨空面達到一定坡度時，上部強風化巖層沿最不利結構面發生折線滑動，下部巖體局部可能出現被裂隙切割的“棱形”或“楔形”塊體掉塊、剝落，可能會使邊坡失穩，而產生局部滑動，形成嚴重的次生災害，建議做好支護工作。

圖3 隧道出口邊坡結構面赤平投影圖Fig.3 Structural plane stereogram of the tunnel’s outlet slope

4.3 隧道出入口邊坡治理方案

隧道出口隧道開挖后將形成巖土混合邊坡，自上至下主要地層依次為粉質黏土、角礫、強風化粗安巖(安山角礫巖)及中等風化粗安巖(安山角礫巖)，建議采用漿砌片石防護，同時注意坡頂地表水截流及坡面積水的疏干；隧道入口隧道開挖后將形成巖質邊坡，主要地層為強風化安山角礫巖及中等風化粗安巖(安山角礫巖)，建議采用漿砌片石防護，同時注意坡頂地表水截流及坡面積水的疏干。

4.4 巖體基本質量等級評價

該文根據巖石堅硬程度、巖體完整程度兩個基本因素的定性指標和巖石飽和抗壓強度Rc、巖體完整性指數Kv，2個分級因素的定量指標，來確定圍巖級別[2-4]。巖石圍巖基本質量指標BQ，圍巖基本質量指標修正值BQ[3]。根據現場波速測試結果及巖石取樣彈性波速測試結果，確定圍巖質量等級見表3。

表3 巖體基本質量等級評價表Tab.3 Basic quality grading of the rock mass

進口段：圍巖級別Ⅴ，裂隙發育，圍巖為中等風化安山角礫巖，巖質新鮮，巖體較破碎。開挖后，洞頂板埋深較淺，無自穩能力，拱部無支護時可能產生較大的坍塌，洞口頂部兩側易產生剝落掉塊，側壁有時失去穩定[1]。

洞身段：圍巖級別Ⅴ，隧洞上部有碎石，易坍塌，圍巖以粗安巖為主，巖體較破碎。洞頂埋深較大，拱部無支護時可能產生小坍塌，側壁基本穩定，爆破震動過大可能局部坍塌[2]。

出口段：圍巖級別Ⅴ，隧洞上部有碎石，易坍塌，圍巖以粗安巖為主，巖體較破碎。洞頂板埋深較淺，無自穩能力，拱部無支護時可能產生較大的坍塌，洞口頂部兩側易產生剝落掉塊，側壁有時失去穩定[3-4]。

5 結 語

(1)隧道施工區地質環境簡單，不良地質作用主要為不穩定斜坡、崩塌，規模較小。綜合評定該場地穩定性劃分為基本穩定場地，適宜性分級劃分為基本適宜。

(2)隧道進、出口邊坡在自然狀態處于自穩狀態，工程開挖后，可形成不穩定滑坡、崩塌等次生災害，需進行邊坡防護。

(3)隧道巖體堅硬程度較軟，為破碎-較破碎型，圍巖級別Ⅳ-Ⅴ，隧道施工過程中，側壁有時失去穩定，可能產生較大的坍塌，需進行拱部無支護處理。