基于多種勘察手段的隧道圍巖工程特性研究

賈海鵬

(深圳市勘察測繪院(集團)有限公司,廣東 深圳 518028)

0 引 言

擬建隧道位于深圳市羅湖區(qū)羅芳村北側(cè),東西向橫穿貓窩嶺山,全長 317 m,隧道頂山體最高約 46 m。擬建隧道位于羅湖大斷裂中,穿越兩條斷層,其中F1斜切隧道入口段,破碎帶寬度0.5～5.0 m,F1325斜切隧道中后段,破碎帶度寬十余米至數(shù)十米不等。構(gòu)造帶內(nèi)巖石呈碎裂結(jié)構(gòu),地下水易沿破碎帶出滲,隧道開挖時可能會發(fā)生嚴(yán)重的圍巖穩(wěn)定性問題。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,建造難度大,如何保證施工期間隧道圍巖的穩(wěn)定性是隧道建設(shè)中面臨的主要問題[1]。因此,有必要對隧道圍巖的透水性和巖體基本質(zhì)量等級進行客觀、準(zhǔn)確評價[2,3]。

圍巖滲透系數(shù)可通過多種方法獲得,如室內(nèi)數(shù)值模擬[4,5]、滲透試驗[6]及現(xiàn)場原位壓水試驗等[7,8]。巖石質(zhì)量等級的評價方法是采用指標(biāo)RQD,巖石基本質(zhì)量的評價方法常采用的方法有國標(biāo)(BQ)分級系統(tǒng)、RMR系統(tǒng)和Q系統(tǒng)等[9-11]。

本工程對隧道段布孔12個,編號為SD2、SD4、SD6、SD8、SD10和SD13～SD19。隧道鉆孔在松散地層中鉆孔深度宜進入隧道底板以下不小于1.5倍隧道高度,即鉆至開挖底板以下 25 m,在微風(fēng)化及中等風(fēng)化巖石中鉆孔深度應(yīng)進入隧道底板以下0.5倍隧道高度,即鉆至開挖底板以下不小于 8 m。選取SD2、SD4、SD6、SD8、SD10和SD13～SD18號鉆孔進行層剪切波測試驗,得到區(qū)域巖石和巖體的彈性橫波波速。選取SD13和SD15號鉆孔微風(fēng)化圍巖段進行壓水試驗,得到了圍巖壓強與流量曲線,進而計算得到滲透系數(shù)。通過工程鉆探、工程物探及現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗的多種勘察手段,采用RQD和BQ分級系統(tǒng)對隧道圍巖的工程特性進行了相關(guān)分析。

1 工程特性研究方法

1.1 壓水試驗

本次壓水試驗在SD13和SD15號鉆孔的微風(fēng)化圍巖段各進行了一段,試驗長度為 5 m,均位于地下水位以下。壓水試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 壓水試驗裝置示意圖

試驗采用“五點法”,自上而下分段進行。對試驗鉆孔進行清空,完成試壓試驗后,進行正式壓水試驗。

試驗壓力采用0.3 MPa,0.6 MPa,1.0 MPa,0.6 MPa,0.3 MPa。第一次壓力為 0.3 MPa(維持壓力穩(wěn)定)(第一階段):在穩(wěn)定壓力下每2分鐘記錄一次壓入流量Q。直至流量無持續(xù)增大趨勢,且5次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%,或最大值與最小值之差小于 1 L/min,即可結(jié)束本階段試驗,以最終值作為計算值。完成第一次壓力試驗后,將壓力增大至 0.6 MPa(維持壓力穩(wěn)定)(第二階段),重復(fù)上一次壓力試驗工作,在穩(wěn)定壓力下每2分鐘記錄一次壓入流量,直至達(dá)到試驗結(jié)束要求。第二次壓力試驗結(jié)束后增壓至 1 MPa(維持壓力穩(wěn)定)(第三階段),再記錄壓入流量,直至達(dá)到試驗結(jié)束要求。第三次壓力試驗結(jié)束后減壓至 0.6 MPa(第四階段),重復(fù)上述工作,直至本階段試驗結(jié)束。最后減壓至 0.3 MPa(第五階段),記錄壓入流量,直至本階段試驗結(jié)束。至此,整段壓水試驗全部結(jié)束。試驗過程中,采用MPM489壓力傳感器和K300(D40)流量傳感器進行壓力和流量的監(jiān)測與記錄。

1.2 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD

巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值是圍巖級別高低(或巖體質(zhì)量好壞)的綜合反映。本工程對隧道段所有鉆孔的中、微風(fēng)化巖進行了RQD指標(biāo)統(tǒng)計。

1.3 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ

本工程采用國標(biāo)(BQ)分級系統(tǒng)對隧道圍巖進行基本質(zhì)量分級。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的計算公式采用多參數(shù)法,以兩個分級因素的定量指標(biāo):巖石單軸飽和抗壓強度RC和巖體完整性系數(shù)KV為參數(shù),根據(jù)大量工程實測數(shù)據(jù)采用逐步回歸,逐步判別等方法建立起來的,屬和差模型[11]。本次巖體縱波測試采用單孔超聲波測井方法,使用的儀器為武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-ST02C型巖土聲波儀。除SD2和SD19號鉆孔外,其余鉆孔均進行了BQ指標(biāo)統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍巖滲透性

壓水試驗的目的是了解與工程有關(guān)地段巖體的相對透水性,估算巖體的滲透系數(shù),為設(shè)計和工程處理提供基本資料。

兩段壓水試驗的P-Q曲線如圖2所示。從圖中可以看出,SD13號鉆孔P-Q曲線類型為B型(紊流),SD15號鉆孔P-Q曲線類型為A型(層流)[12]。

圖2 SD13和SD15號鉆孔P-Q曲線

兩段巖體的透水率按式(1)進行計算[12]:

(1)

式中:q—試驗段的透水率(Lu);

L—試驗段長度(m),本試驗取5 m;

Q3—第三階段的計算流量(L/min);

P3—第三階段的試驗壓力(MPa)。

當(dāng)試驗段位于地下水位以下,透水性較小(q<10Lu)、P-Q曲線為A型(層流)時,巖體滲透系數(shù)按式(2)進行計算[12]:

(2)

式中:k—巖體滲透系數(shù)(m/d);

Q—壓入流量(m3/d);

H—試驗水頭(m);

r0—鉆孔半徑(m),本試驗取0.045 m。

當(dāng)試驗段位于地下水位以下,透水性較小、P-Q曲線為B型(紊流)時,可用第一階段的壓力P1(換算成水頭值,以m計)和流量Q1代入(2)式近似地計算滲透系數(shù)。

當(dāng)試段位于地下水位以下,壓力-流量(P-Q)曲線為擴張型(C型)、沖蝕型(D型)或充填型(E型)時,可取各級壓力下最大的透水率,并用最大透水率對應(yīng)的試驗壓力值和流量值按本規(guī)程公式(2)計算滲透系數(shù)。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》壓水試驗章節(jié)中表9-3-15[12],巖體透水率、滲透系數(shù)及巖體評價結(jié)果如表1所示。

表1 壓水試驗結(jié)果

2.2 巖石質(zhì)量分類

本工程所有鉆孔RQD指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001及表中結(jié)果可得出,本工程隧道圍巖質(zhì)量等級為極差。

表2 鉆孔RQD統(tǒng)計結(jié)果

2.3 巖體基本質(zhì)量等級

根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》JTG/T D70-2020,圍巖的基本質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)根據(jù)分級因素的定量指標(biāo)RC值和KV值,按下式計算[13]:

BQ=90+3RC+250KV

(3)

(4)

式中:RC—巖石飽和單軸抗壓強度(MPa);

KV—巖體完整性系數(shù);

Vpm—評價區(qū)域巖體的彈性縱波波速(km/s);

Vpr—評價區(qū)域巖石的彈性縱波波速(km/s)。

按上式計算時,應(yīng)符合下列限制條件:

(1)當(dāng)RC>90KV+30時,應(yīng)以RC=90KV+30和KV帶入計算BQ值。

(2)當(dāng)KV>0.04RC+0.4時,應(yīng)以KV=0.04RC+0.4和RC代入計算BQ值。

計算結(jié)果如表3所示。根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》JTG/T D70-2020中關(guān)于公路隧道巖質(zhì)圍巖的基本質(zhì)量分級原則和本隧道的埋深、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件綜合分析可得,隧道設(shè)計里程K0+187.5～K0+287.92和K0+459.01～K0+502.50段巖體基本質(zhì)量等級為Ⅵ,K0+287.92～K0+459.01段巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ。

表3 巖體基本質(zhì)量等級計算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文通過工程鉆探、工程物探及現(xiàn)場壓水試驗等多種勘察手段,對擬建貓窩嶺隧道圍巖石英砂巖的透水性、巖石質(zhì)量和巖體基本質(zhì)量的工程特性進行研究與分析。主要得出以下結(jié)論:

(1)巖體最完整～完整段微風(fēng)化巖滲透系數(shù)為6.8×10-4m/d～4.8×10-3m/d,為微透水性。施工過程中可考慮制定相關(guān)備用措施,防止地下水突涌。

(2)中風(fēng)化巖RQD平均值6.71%,微風(fēng)化巖RQD平均值12.58%,巖石質(zhì)量等級屬極差。

(3)隧道設(shè)計里程K0+187.5～K0+287.92和K0+459.01～K0+502.50段巖體基本質(zhì)量等級為Ⅵ,K0+287.92～K0+459.01段巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ。

(4)施工過程中,根據(jù)不同圍巖分級洞段地質(zhì)特征、地下水特征,結(jié)合隧道工程結(jié)構(gòu)特點、隧道埋深等情況,不同圍巖分級洞段應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)木蜻M方法和支護措施,以維持圍巖的穩(wěn)定性。