某公路隧道圍巖結構特征及力學性質研究

王丹微，龐大鵬

(1.吉林建筑大學測繪與勘查工程學院,吉林 長春 130118; 2.東北電力設計院有限公司,吉林 長春 130033)

公路隧道在施工及后期運行質量維護方面,會不同程度地受到隧道圍巖工程性質的影響與制約[1]。尤其是特殊地質地貌條件下,如何避免由于機械設備開挖引起圍巖變形量過大,進而出現一系列諸如硬巖巖爆、軟巖大變形等失穩事故的發生,已成為山區長大隧道工程施工中的重要議題。在實踐工程中,可通過對公路隧址區進行詳細工程地質勘察,查明隧道通過地段的地形、地貌、地層巖性、地質構造等工程地質條件,在此基礎上,進一步查明隧址區斷層破碎帶位置及斷裂活動性[2],同時探明隧道圍巖主要軟弱結構面的產狀性質及其與隧道軸線關系。通過巖體力學室內試驗及原位測試,對隧道各洞段圍巖的成因類型、性質、分布范圍、發生發展規律進行深入探討[3],為隧道地質超前預報提供定量化的參數支撐。

1 隧道圍巖地層基本特性分析

3)太古界鞍山群四道砬子河組(Ars):分布于整個隧道區,巖性上部由石榴二云片巖、含榴黑云石英片巖、石英云母片巖組成;中部由混合片麻巖、混合巖化黑云斜長片麻巖組成;下部由更長微斜混合片麻巖夾角閃片巖殘留體組成,本隧道區段位于巖組下部。

2 隧址區大地構造分析

2.1 構造單元及其基本特征

2.1.1 褶皺構造分析

1)龍崗復式背斜:位于測區南部,核部為四道砬子組,兩翼為四道砬子河組上Ⅱ組、楊家店組及夾皮溝群三道溝組,北西翼產狀320°～340°∠30°～50°,南東翼130°～150°∠40°～60°,背斜軸向北東50°～60°、長120 km,寬約40 km～50 km,由許多次背、向斜組成。本場地位于該背斜北西翼的次一級向斜—涼水河子南向斜核部。2)涼水河子南向斜:發育在四道砬子河組下部 Ⅱ 組的混合巖化黑云斜長片麻巖中,寬約3 km～5 km,長約5 km,其產狀自南東向北西約為345°∠46°,170°∠66°,310°∠20°。

2.1.2 斷裂構造分析

孤山子—涼水沖斷層:斷層長大于20 km,西部延出測區外,東部被玄武巖所覆蓋,走向東西,傾向北,傾角50°～60°,主要發育在四道砬子河組混合巖中。該斷層于線路相交部位被玄武巖覆蓋,受該斷裂影響隧址區次級小型斷裂或巖石節理密集帶發育。

2.2 隧址區新構造運動研究

第三紀初期,測區基本全部隆起,晚期火山活動較劇烈,玄武巖占有較多面積。第四紀早期,斷裂構造發育,沿斷裂有大量的玄武巖漿溢出,多分布于溝谷兩側。第四紀中更新世,由于南北向擠壓應力增強,促使本區東西向構造重新活動,使老的構造形跡不斷得到加強,新的斷裂陸續發生,而地殼內部火山氣體和巖漿趨于地殼內部壓力,沿斷裂上升,在構造發育部位噴出地表,形成龍崗火山群。至中更新世后期,龍崗火山造錐結束,晚更新世早期,龍崗火山群再次活動,至后期火山活動停止,接受了新黃土沉積。全新統晚期龍崗火山群第三次活動,在構造應力繼續加強的情況下,使大椅山等火山口噴出大量玄武巖漿,形成了今日所見的玄武巖地貌。

根據地震資料可知,1975年5月3日在龍崗火山群玄武巖臺地之下,曾發生過1.8級地震,表明龍崗火山群玄武巖臺地之下,基底構造仍有活動,火山處于相對穩定期,屬于休眠火山。

2.3 隧址區區域地震情況

境內地震與清密斷裂帶活動關系較為密切,設計路線50 km左右范圍內,震級最高為里氏2.2級,震中位于輝南縣慶陽公社。區域東側也有微震記錄,說明區內東西向、北東向構造活動跡象明顯[5]。本區沒有Ⅵ級以上地震歷史記載,根據建設部建抗[1993]13號文和GB 18306—2001中國地震動參數區劃圖,本區屬構造穩定區。

3 隧道圍巖結構特征

隧址區出露的巖性主要為混合片麻巖,受涼水河子南向斜和孤山子—涼水沖斷層擠壓影響,隧址區局部小型斷裂構造發育。依據物探解譯成果結合地質調繪、地質鉆探和收集的資料[6],隧址區發育1條擠壓斷裂破碎帶,由構造次生的節理裂隙對隧道圍巖影響較大,具體分析評述如下:1)斷層破碎帶。斷裂破碎帶F1:物探解譯近南北延伸,破碎帶斜交洞體軸線于地表K43+887,YK43+888附近,物探異常顯示低阻帶,破碎帶影響寬度60 m,斷裂傾向東,表現壓扭性,傾角約70°,破碎帶內巖體碎裂松散,裂隙充水,淺部巖體受擠壓影響風化強烈。2)巖體節理裂隙。隧址區主要結構面發育特征及公路走向的空間關系見表1,結構面特征和赤平極射投影見圖1。

表1 隧址區結構面特征

由表1可知,隧址區主要發育四組結構面,分別為三組構造結構面—節理J1,J2和J3,以及一組原生結構面片麻理P1。通過對三組節理特征分析可知,節理J1,J2為剪節理,節理面貫通性和延伸性均較好,節理周圍巖體蝕變嚴重,對圍巖力學性質有明顯的不利影響;節理J3為張節理,有一定張開度,可能引起巖體進一步拉裂,并引起地下水在裂隙中滲流量增大,不利于巖體穩定性。原生結構面片麻理P1,對巖體變形及破壞影響不大。

通過對圖1隧址區圍巖結構面赤平投影圖分析可知,構造結構面節理J1,J2的走向與公路走向相近,應特別重視以上兩組節理對隧道圍巖強度與變形的影響;其他兩組結構面在走向上與公路走向相關性不強。

4 隧道圍巖工程性質研究

4.1 隧道圍巖工程地質層

隧道區地層下伏太古界鞍山群四道砬子河組(Ars)混合片麻巖,上覆第四系松散層,自上而下簡述如下:

②1全風化混合片麻巖(Ars):黃褐色,原巖風化嚴重,結構、構造基本破壞,礦物基本風化蝕變,巖芯呈松散砂土狀,少量碎石狀,手掰易碎。該層分布于隧道南側出口段和洞身段上部相對低洼地段,鉆探揭露層厚10.4 m,Vp=960 m/s～1 190 m/s。

②2強風化混合片麻巖(Ars):黃褐色、灰褐色,中粗粒結構,塊狀構造,礦物部分風化蝕變,風化裂隙極發育,裂隙面鐵質侵染,巖體破碎呈松散碎裂結構,巖芯呈碎石狀、碎塊狀。該層隧址區內均有分布,局部巖體破碎帶部位厚度較大,物探、鉆探揭露層厚1.2 m～11.5 m,Vp=2 080 m/s～3 020 m/s。

②3中風化混合片麻巖(Ars):青灰色,中粗粒結構,夾片麻狀構造,礦物成分以石英、長石為主,次為角閃石、云母,局部裂隙發育,裂隙軸夾角25°,36°,48°,60°。巖芯呈碎塊狀、短柱狀,一般柱長5 cm～17 cm,裂隙面見有鐵染。該層分布整個隧道區,巖體多以鑲嵌碎裂結構為主,局部受構造影響巖體破碎帶呈碎裂松散結構,Vp=3 020 m/s～4 800 m/s。

4.2 隧道圍巖風化狀態分析

隧道區巖體風化程度不均,全、強風化程度弱,厚度一般小于15.0 m,根據物探解譯,局部受斷裂擠壓破碎影響,各鉆孔均未揭穿,其鉆孔揭露基巖風化帶厚度見表2。

表2 鉆孔揭露風化帶厚度

由表2可知,該隧址區圍巖風化帶厚度,以中等風化帶厚度最大,其次為強風化帶的厚度,因此,隧道圍巖風化程度以中等風化為主。

4.3 隧道圍巖巖石物理力學性質研究

通過鉆孔取樣,對隧址區巖體進行了室內物理、水理及力學性質參數試驗,可得整個隧址區的巖石物理力學性質指標見表3。

表3 巖石物理力學性質成果表

通過對隧道區巖石物理力學性質試驗數據分析(如表3所示)可知,取樣深度較淺的混合片麻巖其吸水率、飽和吸水率均較高,說明巖石空隙性發育良好,巖體破碎程度較高;同理其抗壓強度、抗剪強度參數也明顯低于埋深較大的巖石。因此,該隧址區圍巖性質一般,整體屬于破碎及較破碎,可能在隧道開挖過程中,發生變形過大,應及時支護。

5 結論與建議

1)經收集資料、地表調繪、物探及鉆探工作,查明了隧道區巖性特征、時代、成因。該隧址區主要巖性為變質程度較深的混合片麻巖。

2)隧址區局部小型斷裂構造發育。隧址區發育1條擠壓斷裂破碎帶,由構造次生的節理裂隙對隧道圍巖影響較大。

3)通過對隧道巖體結構分析可知,在該隧道圍巖中發育的4組結構面中,有兩組剪節理,對圍巖變形和強度有較明顯影響。

4)隧道圍巖風化程度以中等風化為主,應在開挖中,對風化帶厚度較大的洞段進行加固處理。

5)隧道圍巖力學性質較差,強度偏低,易在開挖中出現變形過大問題。