某隧道工程地質條件特征及穩定性研究

王昭祥

(甘肅省地質礦產勘查開發局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020)

0 引 言

子洪1號隧道位于山西省祁縣峪口鄉下王莊村南側約1 500 m處。隧道洞體凈空(寬×高)為975 cm×500 cm。洞體軸線進口段為弧線形，軸向為169°；洞身段為直線型，軸向為180°；出口段為直線型，軸向為196°。左線洞體全長1 221 m，洞口底板設計高程987.95 m，隧道底板最大埋深161.346 m，該文通過工程地質調查及穩定性分析，為工程施工提供參考[1-4]。

1 區域地質環境

隧址區位于一級構造單元為燕山斷塊的呂梁—太行斷塊內，其所處的二級構造單元為沁水塊坳，三級構造單元為普洞—來遠北東東向褶斷帶。屬侵蝕低中山區，山脊連續，山坡以陡坡為主，坡度介于30°～50°之間，局部為陡坎，多呈“V”字型。地層結構較復雜，由新至老依次為，第四系上更新統坡洪積物、三疊系中統二馬營組沉積巖、三疊系下統和尚溝組沉積巖，巖性以砂巖、泥巖為主，巖層傾向北西，傾角4°～12°。

2 隧址區地質構造

隧址區附近有2條斷層通過，斷層明顯錯動，斷裂帶內巖體破碎，節理裂隙很發育，主要由斷層角礫、碎石及碎裂巖組成，多呈角礫狀、碎塊狀及碎裂狀結構。其中，泥巖、砂巖，節理線密度約4條/m以上，平均間距0.20～0.30 m，Jv=22～30條/m3，可見延伸長度1～4 m，張開度1～5 mm，節理面粗糙，大部分無充填，局部泥質或巖屑充填，結合差，貫通性差。隧址區巖體節理裂隙較發育，巖體破碎，對本隧道圍巖穩定性有一定影響。節理裂隙統計，詳見表1。

表1 節理裂隙統計表Tab.1 List of joints

根據節理統計結果，繪制隧道節理走向玫瑰花圖，見圖1。其中，J1為主要發育節理，走向為北東東向，傾向為163°∠61°，巖性為泥巖、砂巖，節理線密度約6條/m，間距20～25 cm，結合差，節理貫通性一般，可見延伸長度2～6 m，張開度1～4 mm，節理面粗糙，多為泥質巖屑充填；J2為次一級發育節理，走向為北西西向，傾向為207°∠74°，巖性為泥巖、砂巖，節理線密度約5條/m，間距25～30 cm，結合一般—差，節理貫通性較好，可見延伸長度5～8 m，張開度1～2 mm，節理面粗糙，多為泥質巖屑充填。根據節理走向玫瑰花圖辨別，J1組節理與隧道軸線走向均呈大角度相交，對隧道洞壁穩定性影響較小；J2組節理與隧道軸線走向均呈大角度相交，對隧道洞壁穩定性影響較小。巖體受結構面的切割，普遍破碎—較破碎，且巖層產狀較平緩，對隧道拱頂圍巖穩定性有較大影響。

圖1 隧道節理走向玫瑰花圖Fig.1 Rose chart of the tunnel’s joint strike

3 物探測試成果分析

綜合分析物探測試成果，測線實測電阻率橫向變化較大，電阻率范圍值1～1 025 Ω·m，主要受斷裂構造、巖性和巖體完整程度影響，此外可能還與巖體富水條件有關[1-3]，見圖2。

圖2 W4線EH4電阻率等值線色譜圖Fig.2 EH4 resistivity contour of W4

測線ZK862+840～ZK863+023段，表現為相對低阻特征1～55 Ω·m，推測巖體較破碎或泥質巖為主。測線ZK863+023～ZK863+195段，表現為相對高阻特征100～400 Ω·m，推測巖體完整性相對較好或砂質巖為主。測線ZK863+195～ZK863+367段，其電阻率值主要集中于1～25 Ω·m，推測為WF4破碎帶。測線ZK863+367～ZK863+550段，表現為相對低阻特征25～70 Ω·m，推測巖體較破碎或泥質巖為主。測線ZK863+550～ZK863+614段，表現為相對高阻特征70～150 Ω·m，推測巖體較完整或砂質巖為主。測線ZK863+614～ZK863+754段，電阻率值相對較低25～70 Ω·m，推測為F8斷層影響帶。測線ZK863+754～ZK863+904段，表現為相對高阻特征55～200 Ω·m，推測巖體完整性較差。測線ZK863+904～ZK864+130段，表現為相對高阻特征70～400 Ω·m，推測為F10、F11斷層影響帶，斷層傾角約82°～85°。測線ZK864+130～ZK864+447段，表現為相對低阻特征1～55 Ω·m，推測巖體較破碎。

4 工程地質特征與評價

4.1 巖土物理力學性質

通過對中風化砂巖、中風化粉砂巖、中風化泥巖，進行巖石物理力學性質試驗，統計結果。見表2。

表2 巖石物理力學性質結果統計表Tab.2 Physical mechanical properties of the rock

4.2 隧址工程地質層特征

該隧道圍巖主要由三疊系下統二馬營組砂巖、泥巖和三疊系下統和尚溝組砂巖、泥巖構成，僅在出口處分布少量第四系上更新統坡洪積粉質黏土，整體屬巖質隧道。

砂巖，強—中風化，細粒結構，中厚層狀構造，抗風化能力強，依據地層工程地質特性，強風化砂巖屬軟巖，巖體破碎，節理裂隙、層面等結構面發育，結合差，碎裂狀—鑲嵌碎裂狀結構，圍巖穩定性較差，成洞較為困難；中風化砂巖屬較堅硬巖，受構造影響，巖體破碎—較破碎，節理裂隙、層面等結構面較發育，結合一般，鑲嵌碎裂狀結構，圍巖穩定性較好，成洞較為容易。

泥巖，強—中風化，泥質結構，薄層狀、中厚層狀構造，抗風化能力弱，依據地層工程地質特性，強風化泥巖屬軟巖，巖體破碎，節理裂隙、層面等結構面發育，結合差，呈碎裂狀—鑲嵌碎裂狀結構，圍巖穩定性差，成洞困難；中風化泥巖屬軟巖，巖體較破碎—較完整，節理裂隙、層面等結構面較發育，結合一般，碎裂狀—薄層狀結構，圍巖穩定性較差，成洞較為困難。

綜上所述，該隧道圍巖工程地質條件較復雜[3]。

4.3 場地穩定性評價

項目區地震活動相對較弱、破壞程度較輕。隧址區附近發育斷層，斷層第四系中更新統以來無明顯活動跡象，非活動性斷裂帶。隧址區不存在泥石流、崩塌、滑坡、地面沉降、地裂縫等不良地質作用或地質災害，對擬建場地穩定性影響較小。結合地震活動、地質構造、外動力地質現象及巖(土)體強度，綜合分析認為，擬建場地穩定性較好，較適宜該隧道修建[1-4]。

5 隧道穩定性評價

5.1 隧道進口穩定性評價

隧道進口斜坡坡向40°左右，坡角35°左右，在自然條件下處于基本穩定狀態。洞口仰坡、邊坡及洞口段圍巖均由砂巖、泥巖組成；砂巖、泥巖，強—中風化，巖體破碎—較破碎，巖層產狀為357°∠4°，傾向與坡向之間夾角為43°，屬較不利組合，邊坡赤平投影分析見圖3，巖層(C)傾向與邊坡(P)坡向夾角為43°，為層狀斜向結構，且其傾角小于坡腳，屬于較不穩定結構[2]。開挖極易產生碎落、崩塌等不良地質現象[3]。

圖3 隧道進口邊坡赤平投影圖Fig.3 Stereographic projection of the tunnel’s inlet slope

5.2 隧道出口穩定性評價

隧道出口斜坡坡向177°左右，坡角為41°左右，在自然條件下處于基本穩定狀態。洞口仰坡、邊坡及洞口段圍巖均由粉質黏土、碎石、砂巖、泥巖組成。巖體破碎—較破碎，巖層產狀為272°∠12°，傾向與坡向之間夾角為95°，屬較有利組合，邊坡赤平投影分析，見圖4。巖層(C)傾向與邊坡(P)坡向夾角為95°，為層狀斜向結構，且其傾角小于坡角，屬于較不穩定結構[4-5]。節理1(J1)傾向與邊坡(P)坡向夾角為14°，為同向結構，屬于不穩定結構。節理2(J2)傾向與邊坡(P)坡向夾角為48°，為斜向結構，但其傾角大于坡角，屬于較穩定結構[2]。

圖4 隧道出口邊坡赤平投影圖Fig.4 Stereographic projection of the tunnel’s outlet slope

5.3 隧道洞身穩定性分析評價

(1)ZK862+955～ZK863+081段，圍巖級別為Ⅴ。該段洞頂和側墻巖性均以砂巖和泥巖為主。受構造影響，巖體破碎。地下水出水狀態為淋雨狀出水。圍巖自穩能力差。

(2)ZK863+081～ZK863+670段，該段洞頂和側墻巖性均以砂巖為主。地下水出水狀態為點滴狀出水，局部亦有可能產生淋雨狀出水。因受構造影響，構造裂隙發育，巖體破碎。圍巖自穩能力較差。

(3)ZK863+670～ZK863+850段，該段洞頂巖性以泥巖為主，側墻巖性為泥巖和砂巖，綜合評價該段隧道圍巖級別為Ⅴ級。因受構造影響，構造裂隙發育，巖體破碎。地下水出水狀態為淋雨狀出水，局部可能突水、突泥。圍巖自穩能力差。

(4)ZK863+850～ZK864+090段，該段洞頂巖性以砂巖為主，側墻巖性為砂巖、泥巖，綜合評價該段隧道圍巖級別為Ⅳ級。地下水出水狀態為點滴狀出水。圍巖自穩能力差。

(5)ZK864+090～ZK864+176段，該該段洞頂巖性以泥巖為主，側墻巖性為泥巖和砂巖，綜合評價該段隧道圍巖級別為Ⅴ級。地下水出水狀態為淋雨狀出水。圍巖自穩能力差。

5 結 語

(1)隧址區地貌單元屬侵蝕低中山區，地層由粉質黏土、碎石、砂巖、泥巖、組成。隧址區場地穩定較好，較適宜該隧道修建。

(2)隧道進、出口邊坡穩定性均差，施工開挖過程，極易產生碎落、崩塌等不良地質現象。需采用支護措施進行治理防護，以防止邊坡坍塌。

(3)隧道洞體全長1 221 m，工程地質條件較復雜，其中Ⅴ級圍巖長度392 m，占洞體圍巖總量的32.1 %；Ⅳ級圍巖長度829 m，占洞體圍巖總量的67.9 %。圍巖穩定性在較差—較好之間。