山西黎城至霍州段高速公路寓仁隧道工程地質特性及穩定性評價

孔德民

(甘肅省地質勘查開發局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020)

1 序言

寓仁隧道位于山西省沁源縣靈空山鎮寓仁村北側約1 km處。隧道按左、右分離式設計，洞體凈空為1 025 cm×500 cm(寬×高)，兩洞中軸線最大間距約28 m，最小間距約為15 m，洞體軸線進出口段均為弧線形，洞身段為直線型，總體軸向呈東—西向，軸向260°(圖1、圖2)。左線洞體全長2 080 m，霍州端洞口底板設計高程1 145.57 m，洞體最大埋深184.5 m；右線洞體全長2 049 m，霍州端洞口底板設計高程1 149.76 m，洞體最大埋深182.99 m。

圖1 隧道沁源端洞口處地形地貌

圖2 隧道霍州端洞口處地形地貌

2 地質環境概況

2.1 地形地貌

隧址區地貌屬侵蝕剝蝕小起伏中山區，山體以侵蝕作用為主，剝蝕作用次之，山巒疊嶂，溝壑縱橫，地形復雜，起伏大，溝谷形態多呈“V”字形。微地貌為基巖山脊、陡崖、深谷等，山勢較高，山脊呈狹長形，山坡坡度一般15°～50°。出露地層為古生界二疊系、石炭系砂巖、泥巖、頁巖、灰巖及煤層等。地面相對高差一般在200～250 m之間。

2.2 地質構造

隧址區位于郭道—安澤近南北向褶帶內，于太岳山坳緣翹起帶與沾尚—武鄉—陽城褶帶之間，南北長約140 km，東西寬20 km(北寬南窄)；出露地層為石炭系、二疊系、三疊系。該褶帶走向北北東，褶皺排列較為緊密，單個褶曲的寬度2～3 km，兩翼傾角為10°～40°，偏西部的褶曲軸面略向東傾，兩翼不對稱；東部褶曲的兩翼近于對稱。該褶帶延長較長，受到北東東向構造干擾所致，使這些褶皺的樞紐呈波浪狀起伏。

2.3 地震及新構造運動

隧址周邊地區共發生6級以上地震4次、5級以上地震6次；屬板內構造地震區，震源淺，強度大，平面上為北北東向、北東向，隧址區場地地震活動具備中強地震的地質條件。隧址區一直處于間歇性的上升區，主要表現為樹枝狀沖溝發育，溝岸切割強烈，下部基巖裸露，溝谷多呈“V”字形；其次發育有不同高程和規模的夷平面、階地等，亦表明區內經歷了多次上升和相對穩定時期。

3 隧址物探特征

以測線里程樁號為橫坐標，海拔高程為縱坐標(圖3、圖4)。縱向上，視電阻率曲線從淺到深呈現由低—中—高的電性特征，數值為30～600 Ω·m，反映了新生界地層和表層基巖中強風化面的電性變化；深部為高阻或相對低阻表現，推斷礦區采空區的影響[1]。

圖3 左線瞬變電磁視電阻率擬斷面解釋圖

圖4 右線瞬變電磁視電阻率擬斷面解釋圖

4 隧道穩定性分析評價

4.1 隧道圍巖分級

隧道左線全長2 080 m，洞體由Ⅳ3～Ⅴ2級圍巖構成，其中Ⅳ3級圍巖長度130 m，約占洞體圍巖總量的6.3%，Ⅴ1級圍巖長度1 483 m，約占洞體圍巖總量的71.3%，Ⅴ2級圍巖長度467 m，約占洞體圍巖總量的22.4%；右線全長2 049 m，洞體由Ⅳ3～Ⅴ2級圍巖構成，其中Ⅳ3級圍巖長度130 m，約占洞體圍巖總量的6.3%，Ⅴ1級圍巖長度1 458 m，約占洞體圍巖總量的71.2%，Ⅴ2級圍巖長度461 m，約占洞體圍巖總量的22.5%。

4.2 隧道洞身穩定性分析評價

(1)左側隧道整體位于汾西煤業太岳煤礦采空區之上，采空區位于隧道底板設計深度之下421～434 m之間。洞體埋深為29.7～175.1 m，圍巖由二疊系石盒子組砂巖、泥巖組成；砂巖節理裂隙發育—較發育，巖體破碎，呈碎裂結構，巖體體積節理數Jv=20～35條/m3，巖體完整性系數Kv=0.15～0.35，單軸飽和抗壓強度Rc=23.0～36.24 MPa，圍巖基本質量指標BQ為244～283.72，圍巖質量指標修正值[BQ]為204.0～243.72；泥巖巖體破碎，結構面發育，呈碎裂狀結構，Jv=20～35條/m3，Kv=0.15～0.35，Rc=6.87～11.4 MPa，BQ為195.61～209.2，[BQ]為155.61～169.2。圍巖穩定性主要受煤礦采空區影響，圍巖自穩能力較差，開挖時跨度>6 m，完全無自穩性，可發生中—大塌方，成洞較困難，地下水出水狀態為點滴狀出水[2]。

(2)右側隧道整體位于汾西煤業太岳煤礦采空區之上，采空區位于隧道底板設計深度之下421～434 m之間。洞體埋深為36.2～171.69 m，圍巖由二疊系石盒子組砂巖、泥巖組成；砂巖，砂質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育—較發育，巖體破碎，呈碎裂結構，Jv=20～35條/m3，Kv=0.15～0.35，Rc=25.9～43.98 MPa，BQ為240.2～294.44，[BQ]為200.2～254.44；泥巖，強—中風化，屬軟巖，泥質結構，中厚層狀構造，巖體破碎，結構面發育，結合一般，呈碎裂狀結構，Jv=20～35條/m3，Kv=0.15～0.35，Rc=8.8～9.25 MPa，BQ為188.9～190.25，[BQ]為48.9～150.25。碎石土，土質不均，以砂巖碎塊為主，混雜粉質黏土，無膠結，稍濕、稍密，呈散體狀，圍巖無自穩能力。圍巖自穩能力較差，開挖時跨度>4 m完全無自穩性，可發生中—大塌方，成洞較困難，地下水出水狀態為點滴狀出水[3]。

4.3 隧道進出口邊坡穩定性評價

(1)沁源端洞口：洞口位于沖溝西側斜坡上，坡向60°左右，坡角在20°～40°之間，左右線洞口仰坡高15～20 m，洞口圍巖由第四系碎石土、二疊系泥巖、砂巖組成。泥巖、砂巖呈互層狀，裂隙發育，巖體破碎—較破碎，巖層產狀90°∠10°，穩定性較差。在工程開挖擾動條件下易發生上部碎石土沿土石界面產生順層滑動和砂巖沿泥巖軟弱結構面順層滑塌等現象，洞口邊坡穩定性差[4]。

(2)霍州端洞口：洞口位于沖溝東側斜坡上，坡向280°左右，坡角在30°～50°之間，左右線洞口仰坡高40～60 m，洞口圍巖由二疊系泥巖、砂巖組成，以泥巖為主；風化和構造裂隙發育，巖體破碎—較破碎，巖層產狀270°∠5°，巖層傾向坡腳，但由于巖層傾角較緩，邊坡基本穩定，在工程開挖擾動條件下易發生碎落及小范圍內坍塌等現象，洞口邊坡穩定性較差[4]。

5 結論

(1)隧址區地形地貌復雜，地層巖性為強—中風化的泥巖、砂巖，巖土種類簡單，水文地質條件簡單，地質構造較發育，受煤礦采空區影響場地穩定性為基本穩定。綜合評價，隧址區場地穩定較差，工程建設適宜性較差，基本適宜隧道工程的建設。

(2)隧道為左右線分離式洞體，隧道左線全長2 080 m，洞體由Ⅳ3～Ⅴ2級圍巖構成；右線全長2 049 m，洞體由Ⅳ3～Ⅴ2級圍巖構成。大部分為Ⅴ1級圍巖，占洞體圍巖總量的70%以上。

(3)隧址區范圍內無特殊巖土分布，影響場地穩定性的不良地質為煤礦采空區，采空區位于地表埋深之下421～434 m，采空區場地穩定性等級為基本穩定，對路線工程有影響，影響程度中度。