復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道圍巖穩(wěn)定性分析

祝塘 李劍

摘 要：貴州屬于中國(guó)西南部高原山區(qū)典型地貌，山區(qū)因地形起伏大，公路的建設(shè)須穿越長(zhǎng)大山脈，因此，出現(xiàn)了大量的長(zhǎng)大深埋隧道，特別在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，勘察實(shí)施難度及評(píng)價(jià)技術(shù)難度高，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)至關(guān)重要，只有對(duì)圍巖穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)后才能準(zhǔn)確的劃分隧道圍巖等級(jí)，其隧道圍巖分級(jí)決定了工程造價(jià)。基于貴州省織金至普定高速公路四方洞隧道的工程地質(zhì)條件分析，報(bào)告了隧道的地質(zhì)現(xiàn)狀，提出了隧道圍巖穩(wěn)定性的受控因素，分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，為類似工程提供相應(yīng)借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道;地質(zhì)構(gòu)造;不良地質(zhì);圍巖穩(wěn)定性;圍巖分級(jí)

中圖分類號(hào)：TV223.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著公路的高速發(fā)展，人們對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性研究的方法呈現(xiàn)出各種各樣，隧道的開挖，特別在復(fù)雜的地質(zhì)條件環(huán)境下，會(huì)引起隧道內(nèi)上覆巖層的圍巖應(yīng)力和能量重分布，導(dǎo)致圍巖變形，變形發(fā)展導(dǎo)致圍巖破壞失穩(wěn)，因此，隧道工程的圍巖穩(wěn)定性研究，具有重要意義。

1 項(xiàng)目概況

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

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

2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道區(qū)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(xù)山體，相對(duì)高差389.0 m，隧道軸線通過段地勢(shì)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(qū)覆蓋層為第四系殘破積（Qel+dl）粉質(zhì)粘土、崩積層（Qc）塊石土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組第一段（T1d1）薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r和第二段（T1d2）中厚層狀灰?guī)r;二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）煤系地層及峨眉山玄武巖組（P2β）;二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）薄～中厚層狀灰?guī)r。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)貴陽地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜變形區(qū)。與隧道相交的地質(zhì)構(gòu)造有斷層、向斜及背斜，受構(gòu)造的影響，隧區(qū)不良地質(zhì)較發(fā)育，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2001），場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度小于0.05 g，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度。

2.4 水文地質(zhì)條件

隧道區(qū)域地表水體不發(fā)育，巖性為煤系、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r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(fēng)化帶基巖裂隙水。其中泥質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r為場(chǎng)區(qū)碳酸鹽巖可溶巖組，為巖溶裂隙水，富水性強(qiáng)，隧道穿越該含水層主要表現(xiàn)為透水。但含水層雨季水量大，特別是在向斜軸部及兩側(cè)，可能有突水危害。煤系地層、玄武巖層為不透水巖組，為相對(duì)隔水層，只存在強(qiáng)風(fēng)化層裂隙發(fā)育帶，地下水埋藏淺，水量不大。場(chǎng)區(qū)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給。降水少部分經(jīng)地表滲入基巖風(fēng)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(zhì)

受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的影響，場(chǎng)區(qū)不良地質(zhì)較發(fā)育，不良地質(zhì)類型發(fā)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(jìn)口段，巖溶分布于隧道區(qū)可溶巖區(qū)域，采空區(qū)分布于隧道區(qū)煤系地層區(qū)域。根據(jù)勘察成果資料，隧區(qū)危巖體對(duì)隧道無影響，堆積體、巖溶及采空區(qū)對(duì)隧道圍巖影響較大。

4 隧道的圍巖穩(wěn)定性分析

4.1 影響因素

（1）地質(zhì)構(gòu)造。隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，分布有斷層、向斜及背斜。

斷層：為正斷層，上盤T1d1泥質(zhì)灰?guī)r，下盤P2l煤系地層，與隧道呈大角度相交，根據(jù)地質(zhì)調(diào)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?guī)r、砂巖角礫及斷層泥組成，膠結(jié)差，且富水性好，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)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(gòu)造的影響，褶曲嚴(yán)重，伴生的巖溶發(fā)育，巖體完整較差，巖體破碎，同時(shí)向斜核部富水，施工中易發(fā)生涌水的影響，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。

巖層結(jié)構(gòu)面：隧道區(qū)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(duì)隧道圍巖穩(wěn)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(zhǎng)度約400 m，該段地層巖性為峨眉山（P2β）玄武巖組，根據(jù)勘察成果，其風(fēng)化層較厚，受背斜影響，巖體極破碎，巖質(zhì)軟，且隧道頂板埋深為15～26 m，溝谷內(nèi)雨季有季節(jié)性流水，隧道施工中因巖體破碎、巖質(zhì)軟、頂板埋深小，易產(chǎn)生坍塌、突水、突泥及冒頂?shù)奈：Γ瑢?duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

（3）不良地質(zhì)。

堆積體：位于隧道進(jìn)口段斜坡體上，沿隧道縱軸線分布長(zhǎng)度80～120 m，堆積體成因?yàn)樯喜啃逼马敳繋r體受卸荷裂隙垮塌所致，成分灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r塊石，塊徑20～60 cm，呈松散～稍密狀，目前處于自然穩(wěn)定狀態(tài)，通過物探及鉆探成果顯示，堆積體厚度約20～30 m，隧道進(jìn)口段長(zhǎng)度約20 m范圍在堆積體內(nèi)部通過，堆積體承載力低，不均勻，對(duì)隧道進(jìn)口段圍巖穩(wěn)定性影響較大。須采用工程處治對(duì)堆積體進(jìn)行處治，提高堆積體地基承載力，同時(shí)確保隧道施工后整體安全穩(wěn)定。

巖溶：隧道可溶巖分布區(qū)域的巖溶較發(fā)育，巖溶形態(tài)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(zhǎng)度23～172 m，寬度14～71 m，深度15～32 m，洼地內(nèi)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?guī)r塊石堆積，距隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高約150 m。施工中易發(fā)生涌水、涌泥的影響，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。

采空區(qū)：分布于隧道區(qū)域煤系地層段，根據(jù)勘察成果資料，場(chǎng)區(qū)共分布可采煤層為5層，分別為①、②、③、④、⑤號(hào)煤層，煤層平均厚度為1～3 m，煤質(zhì)較好，為優(yōu)質(zhì)煤，呈塊狀，地表分布有17個(gè)采區(qū)煤洞，洞口已被政府炸封，現(xiàn)仍可見炸封痕跡，按其開采規(guī)模及位置分化為三個(gè)采區(qū)，分別為采空ⅠⅡⅢ區(qū)。現(xiàn)對(duì)其分述如下：

采空Ⅰ區(qū)：分布的采空煤洞為MD1、2、3號(hào)，長(zhǎng)約177 m，寬約124 m，該采空區(qū)主要為上世紀(jì)煤礦開采區(qū)，其開采規(guī)模較大，開采深度約200～300 m，煤洞MD1為煤礦開采主井，現(xiàn)已炸封，MD2為煤礦開采風(fēng)井，可測(cè)深度約30 m。其開采煤層為②號(hào)煤層。于2000年左右停止開采并封閉。該開采區(qū)已穿過隧道，其開采面主要為順巖層層面開采，傾角18°，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，須采用工程處治（如注漿加固）加固圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)施工中應(yīng)做好煤洞積水的應(yīng)急預(yù)案，確保隧道安全、穩(wěn)定。

采空Ⅱ區(qū)：分布的采空煤洞為MD4～MD10號(hào)，長(zhǎng)約73 m，寬約125 m，該采空區(qū)為當(dāng)?shù)卮迕袼阶蚤_采開挖，現(xiàn)已停止開采并封閉。其開采煤層為①、②號(hào)煤層。于2000年左右停止開采并封閉。位于隧道區(qū)域外，對(duì)隧道建設(shè)無影響。

采空Ⅲ區(qū)：分布的采空煤洞為MD11～MD17號(hào)，長(zhǎng)約122 m，寬約141 m，為當(dāng)?shù)卮迕袼阶蚤_采開挖，現(xiàn)已停止開采并封閉。其開采煤層為①、②、④、⑤號(hào)煤層。于2000年左右停止開采并封閉。位于隧道區(qū)域外，對(duì)隧道建設(shè)無影響。

4.2 圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)隧道圍巖穩(wěn)定的影響因素，隧道圍巖穩(wěn)定性受控于巖體的完整性、巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面的組合狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、分布的不良地質(zhì)及地下水的影響，在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的環(huán)境下，斷層的錯(cuò)位移動(dòng)，向斜、背斜褶曲扭動(dòng)的影響下，導(dǎo)致巖體完整性差，導(dǎo)水性好，根據(jù)鉆孔孔內(nèi)巖體彈性波速測(cè)試并結(jié)合巖石彈性波速測(cè)試，受地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，巖體完整性系數(shù)Kv=0.18～0.25，巖體破碎。在斷層破碎帶區(qū)域，巖體導(dǎo)水性強(qiáng)，向斜核部巖體富水性強(qiáng)，隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，且伴生的不良地質(zhì)體發(fā)育，隧道圍巖穩(wěn)定性差;根據(jù)勘察成果資料，隧道巖溶較發(fā)育，地表巖溶洼地分布多，規(guī)模大，洼地內(nèi)未見積水現(xiàn)象，其洼地內(nèi)的消水洞聯(lián)通性好，導(dǎo)水性強(qiáng)，雨季施工，隧道內(nèi)易產(chǎn)生涌流狀出水，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。穿越隧道的采空區(qū)段，存在隧道圍巖臨空、頂板積水，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定影響較大。

4.3 圍巖分級(jí)

根據(jù)隧道圍巖巖體的完整程度、風(fēng)化狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育情況及水文地質(zhì)等定性特征，結(jié)合基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計(jì)算值（公式為BQ=90+3Rc+250Kv，其中Rc為單軸飽和抗壓強(qiáng)度指標(biāo);Kv為巖體完整性系數(shù)），同時(shí)根據(jù)修正系數(shù)K1、K2、K3，對(duì)BQ值進(jìn)行了修正，得出修正后的[BQ]，計(jì)算公式為[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）。

根據(jù)計(jì)算、分析及評(píng)價(jià)：隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三種級(jí)別，V級(jí)圍巖分布于隧道地質(zhì)薄弱段，如隧道進(jìn)出口、地質(zhì)構(gòu)造與隧道交叉處、巖溶洼地、巖溶溶洞段、巖體富水段、采空區(qū)及煤系地層軟巖分布段落。IV級(jí)圍巖分布于隧道洞身巖體完整性較差段落，III級(jí)圍巖分布于隧道洞身巖體完整性好、巖石強(qiáng)度較硬、無不良地質(zhì)、無地質(zhì)構(gòu)造較叉段落。

5 結(jié)語

山區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其在貴州西南地區(qū)，高速公路往往需要建設(shè)長(zhǎng)大隧道，復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道圍巖分級(jí)決定了工程項(xiàng)目的造價(jià)，對(duì)工程造成極大影響。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]化建新，鄭建國(guó)，張繼文，等.工程地質(zhì)手冊(cè)：第五版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.

[3]蔣樹屏，吳德興，丁文其，等.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3370.1-2018[S].北京：人民交通出版社，2019.