基于閩江隧道穿越巖土條件的研究

肖丹鳳，謝經磊

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 濮陽 457001)

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基于閩江隧道穿越巖土條件的研究

肖丹鳳，謝經磊

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 濮陽 457001)

摘要：閩江隧道穿越是海西天然氣管網二期工程(福州—三明段)的控制性工程之一，通過對閩江隧道穿越段的勘察研究，隧道通過區基巖以上侏羅統南園組凝灰熔巖為主，局部見脈狀侵入的花崗巖，隧道進、出口段及丘坡地帶有少量第四系殘坡積土，河床土質主要為沖洪積砂土，巖體完整性較好，圍巖等級為Ⅲ～Ⅳ級；地質構造簡單，附近無斷層通過；水文地質條件較好，對管道的腐蝕性較弱，適宜管道進行隧道穿越。文章建議加強施工過程的地質監測工作，采取探、掘結合的方法，嚴格執行先探后掘、先治后掘的防、治水原則，及時發現和解決問題，降低施工風險，確保工程安全。

關鍵詞：閩江隧道；地質構造；圍巖；巖土工程；研究

1區域地質背景與地震條件研究

1.1區域地形地貌

測區大地構造屬華南褶皺東部之閩東火山斷拗帶中部，次級構造屬斌溪—閩侯火山巖拗陷帶，受新華夏系構造的影響和控制，測區附近主要發育2條北北東向的火山裂隙噴發帶，即北西的溪坪—天池頂火山噴發裂隙帶和南東的小虎頭—長坑火山噴發裂隙帶。

1.2區域穩定性與地震地質條件分析

本區構造形態主要成生于燕山期，隧址區位于斌溪—閩侯火山巖拗陷帶南西段，屬相對穩定地塊，區域穩定性較好。

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2001，2009年版)[1]及《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，隧址所在區域地震動反應譜特征周期值為0.40s，地震動峰值加速度為0.05g；依據抗震設防區劃，區內建筑抗震設防烈度為6°。

2工程區地質條件研究

2.1自然條件

閩江隧道穿越位于福建省福州市閩侯縣竹歧鄉—白沙鎮之間。閩侯縣中亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，四季如春，夏長無酷暑，冬短無嚴寒，年平均氣溫19.5 ℃，年平均降水量為1 673.9 mm，冬季多偏北風，夏季多偏東南風，年平均風速3 m/s。

2.2地形地貌

穿越段閩江河道較順直，河谷呈略對稱的寬緩“U”型，河床質為中粗砂，水下地形起伏較大，主河槽偏西岸，2011年9月4日17：50實測河水位2.52m，水面寬820m，東側邊灘寬約50m，河灘水深一般在3.50～8.50 m，主河槽水深10.05～14.26 m，最大水深16.17 m，漲、落潮水位差達3.22m。兩岸屬丘陵地貌，西岸為天然岸坡，坡角約30°，坡頂為上岐—潘頭的水泥公路，高出江面約9m；東岸為人工岸坡，總體坡角約27°，坡頂為X115縣道，高出江面約13m，臨江一側為條石堡坎[1]。

2.3地層巖性

工程地質測繪和鉆探揭露證實，隧道通過區基巖以上侏羅統南園組(J3nb)凝灰熔巖為主，局部見脈狀侵入的花崗巖，隧道進、出口段及丘坡地帶有少量第四系殘坡積(Q4edl)土，河床土質主要為沖洪積(Q4apl)砂土。

2.4工程區地質構造研究

測區大地構造屬華南褶皺東部之閩東火山斷拗帶中部，次級構造屬斌溪—閩侯火山巖拗陷帶，受新華夏系構造的影響和控制，測區附近主要發育2條北北東向的火山裂隙噴發帶，即北西的溪坪—天池頂火山噴發裂隙帶和南東的小虎頭—長坑火山噴發裂隙帶。

2.5水文地質概況評價

隧址區屬構造剝蝕、侵蝕丘陵—河谷地貌，區內基巖以火山噴出巖—凝灰熔巖為主，局部花崗巖沿裂隙脈狀侵入，第四系沖洪積松散堆積層分布于閩江河道兩岸的漫灘部位，區內地下水按賦存介質的組合特征，可分為第四系松散巖類孔隙水和火山巖類基巖裂隙水二大類型，地層的富水性受含水層巖性、分布面積、裂隙發育程度及地形地貌的影響和控制。

按《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001，2009年版)第12.2節及《油氣田及管道巖土工程勘察規范》(GB 50568—2010)[3]附錄A的標準，穿越段地下水對混凝土及混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性；地表水對混凝土有弱腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性。

2.6巖體的風化特征

測區淺表巖體在各種風化營力的作用下受到不同程度的風化，總體來看巖體的風化程度隨著深度的增大而迅速減弱，表現出明顯的垂直分帶性。測區巖體自上而下可分為全風化、強風化、中等風化及微風化等4個風化帶。

2.7河床及岸坡的穩定性

穿越段河床土質為二元結構，主河道堆積層厚度約8～22 m，上部為松散-稍密的中粗砂，下部為稍密的卵石土，現有河床的自然狀況較好，河道內無采石挖砂現象，河床未受擾動，抗下切侵蝕的能力較強，枯、平水期河水流量小、流速緩，沖刷作用較弱，河床穩定性較好；洪水期河水流量大、流速快，對松散表層具一定的沖刷能力，河床穩定性相對較差。

由于穿越段處閩江下游，江面較寬、水流平穩，河道平均坡降約0.1‰，河流的中-長期沖刷侵蝕與堆積補償作用基本保持動態平衡，河床的穩定性總體較好。

穿越段所在河段屬剝蝕丘陵區，河道開闊，兩岸岸線較順直，岸坡的穩定性總體較好。閩江東岸穿越斷面附近為X115縣道的條石堡坎，無天然條件下的岸坡再造問題；閩江西岸為自然岸坡，其物質構成主要為人工填土和殘坡積粉質黏土，穿越處因采石場傾渣岸坡坡面多為大塊石，因而其穩定性較好，但下游不遠處的原生岸坡在河流的側蝕作用下，已出現多處潛蝕坍塌，說明水流對西側土質岸坡有一定的沖刷破壞作用。

3隧道工程地質評價

3.1兩岸場地的穩定性

隧道進口位于閩江東岸一小沖溝南側的階梯狀緩斜坡部位，高出溝底約8.40 m，自然地形坡角約8°～12°，表層殘坡積厚度一般1～3 m，沖溝底部約8～12 m，下伏為侏羅系上統南園組凝灰熔巖，斜坡的穩定性較好。

隧道出口位于閩江西岸的采石場內，地形平坦、開闊，表層為人工填土和殘坡積土，厚度約8～13 m，下伏為侏羅系上統南園組(J3nb)凝灰熔巖，場地的穩定性好。

3.2巖、土工程性狀及物理力學指標

3.2.1土體的工程性狀

人工填土(Q4ml)：分布于兩岸公路、鐵路的路基-路肩和西岸的采石場一帶，厚度約5～8 m，主要成分為塊、碎石和粉質黏土，結構松散至稍密，東岸距隧道位置較遠，對隧道工程不構成影響；西岸為隧道斜井的開洞層位，其強度低、自穩能力差，需全斷面支護掘進。

沖洪積土(Q4apl)：分布于閩江河道內，東段厚度一般10～15 m，西段厚度一般15～25 m，以中-粗砂為主，底部卵石層較薄，結構松散至稍密，由于其遠離隧道位置，對工程影響極小。

殘坡積土(Q4edl)：分布于閩江兩岸，東岸厚度一般1～3 m、沖溝底部約8～12 m，西段厚度一般3～5 m，由粉質黏土夾塊、碎石組成，為隧道斜井的穿越層位，強度低、自穩能力差，需全斷面支護掘進。

3.2.2巖體的物理力學指標

3.2.2.1巖石物理力學試驗指標

隧道穿越段圍巖以凝灰熔巖為主，局部為花崗巖。試驗分析表明，中風化凝灰熔巖飽和單軸抗壓強度一般38.6～54.4 MPa，軟化系數一般0.56～0.69，屬易軟化的較硬巖[4]；微風化凝灰熔巖飽和單軸抗壓強度一般62.2～73.5 MPa，屬堅硬巖，軟化系數一般0.76～0.94，屬不易軟化的堅硬巖；中-微風化花崗巖飽和單軸抗壓強度39.4～8.5 MPa，軟化系數一般0.59～0.70，屬易軟化的較硬巖。

巖石物理力學指標依據室內試驗成果，按照《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001，2009年版)第14.2條進行統計分析，結果如表1。

表1　巖石主要物理力學試驗指標統計結果(標準值)表

3.2.2.2巖體物理力學指標推薦值

1)天然重度平均值：26.5kN/m3；

2)飽和抗壓強度標準值：14.20MPa(折減系數0.33)；

3)抗拉強度標準值：1.07MPa(折減系數0.20)；

4)內聚力標準值：1.80Mpa(折減系數0.33)；

5)內摩擦角標準值：38.2°(折減系數0.70)；

6)彈性模量標準值：26.13×103MPa(折減系數0.67)；

7)泊桑比標準值：0.21。

3.3隧道圍巖分級

根據《油氣田及管道巖土工程勘察規范》(GB 50585—2010)規定，依據巖石堅硬程度、巖體完整程度及圍巖基本質量指標BQ，對隧道圍巖進行基本分級，圍巖級別Ⅲ～Ⅴ。

3.4結構面對隧道工程的影響

工程地質測繪表明，隧址區基巖主要發育產狀72°∠76°和148°∠75°二組陡傾節理，巖體結構面對隧道工程的影響，二組陡傾節理對東岸斜井的影響較大，節理與斜井頂面構成不穩定楔形體，易在斜井北側壁頂部形成掉塊，受振動時極易發生楔形體滑落；節理與隧道側壁構成的不穩定楔形體，受振動時易在斜井北側壁下部剪出。節理對隧道平巷及西岸斜井的影響不大，局部可能在隧道北側壁頂部形成小的掉塊。

3.5放射性和有害有毒氣體

本次勘察未取得巖體氣樣和放射性分析樣，根據《福州-福清-南日島幅1：20萬聯測區域地質調查報告》及鄰區《閩清縣幅1∶5萬地質圖說明書》，侏羅系火山熔巖含有微量的放射性元素釷(Th)和鈾(U)等，其含量豐度值極低，鈾(U)一般<10×10-6，釷(Th)一般<35×10-6，不會對人體構成危害；隧道穿越地層不含煤層和有機物，無瓦斯、甲烷、硫化氫等有毒有害氣體。但施工中亦應加強放射性和有毒有害氣體的檢測，做好通風排煙工作。

3.6構造破碎巖帶工程地質評價

本次勘察證實，隧道穿越位置分布有一構造破碎巖帶，厚度13.8～21.0 m，以帶內節理裂隙密集發育、巖體破碎為顯著特點，由于其巖性與上、下原巖一致，也未見壓溶與蝕變等動力變質特征，故該帶實際上為節理、裂隙密集帶。物探資料也佐證了破碎帶的存在，并顯示該帶在隧道進洞口與鐵路外福線之間穿出地表，外福線東側沖溝 “土層+強風化層”物探顯示厚度達23.5m，正是該破碎帶穿出地表的直接反應。破碎巖帶對穿越隧道的影響主要有3個方面：①制約了對隧道標高(埋深)的選擇；②提高了隧道圍巖的支護等級；③帶來了隧道雨季涌、突水的危險。因而，在隧道設計和施工中，對此都必需給予高度的重視，選取適宜的工藝與保護措施，制定相應的應急預案。

3.7隧道棄渣場工程地質評價

本穿越隧道總長度為1 111.62 m，斷面凈尺寸初步設計為2.70×2.70m，按松散系數1.70計算，工程總出渣量預計為14 400 m3。按照就地棄土堆放的原則，東岸隧道進口可選擇鐵路外福線東側的沖溝作為棄渣場地；西岸隧道出口處為采石場，礦主正且擬建為混凝土攪拌站，附近無適宜的棄渣場地，隧道棄渣需外運堆放。東岸棄渣場可利用地形條件，就近于進洞口西在沖溝底部水溝的南東側砌筑擋渣墻，擋墻長度約185m，按擋墻高2.50 m計算，堆渣量約7 500 m3。

根據隧道物探資料，沖溝底部基巖埋深較大，表層殘坡積粉質黏土夾碎塊石最大厚度約8m。擋渣墻基礎可置于粉質黏土夾碎塊石層中，基礎埋深應保證擋渣墻的穩定，但≤1.50 m，粉質黏土的地基承在力特征值可按105 kPa取值，土對擋墻基底的磨擦系數可按0.25取值。

4結語

1)本報告過江段隧道埋深，參照Z.D.Eisenstein的挪威經驗曲線，在擬合計算的基礎上，綜合穿越斷面地層結構、巖體物理力學特征和閩江水文情況等方面資料后，按照安全、合理、經濟的原則確定的，僅作為初步的建議方案。設計方可根據設計經驗以及對隧道的全面要求進行具體調整，建議適當降低過江平巷段的隧道標高。

2)東岸斜井上段大致在離進洞口平距約35～56 m間穿過破碎巖帶，該段水平長約21m，建議采用小管棚全斷面支護掘進工藝快速通過，并用現澆鋼筋混凝土做永久性支護。為確保巷道及施工安全，必要時可對進洞口位置及平巷段長度作適當調整，請設計按實施的具體要求予以綜合考慮。

3)建議加強施工過程的地質監測工作，采取探、掘結合的方法，嚴格執行先探后掘、先治后掘的防、治水原則，及時發現和解決問題，降低施工風險，確保工程安全。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011—2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

中圖分類號：U452.11

文獻標識碼：B

[作者簡介]肖丹鳳(1982-)，女，吉林遼源人，工程師；謝經磊(1981-)，男，河南許昌人，工程師。

[收稿日期]2015-10-21

文章編號：1007-7596(2016)01-0023-03