某隧洞主要工程地質問題分析與評價

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司, 沈陽 110006)

1 工程概況

某隧洞工程位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內,總長度約28.4km,采用圓拱直墻式無壓隧洞,洞寬2.53m,洞高3.35m,直墻高2.15m,圓拱中心角180°。洞室一般埋深150～200m,最大埋深300m。

2 地形地貌

隧洞大部分為構造剝蝕地形——緩隆起剝蝕低山——渾圓狀低山區。地面高程一般在150～400m,最大高程約410m,地表植被較發育～不發育,基巖埋深較淺,山頂一般直接裸露,表層多為殘積物掩蓋,一般層厚1～2m。

3 地層巖性

線路穿越地層巖性主要為:中生界地層、新生界地層。中生界地層:侏羅系中統髫髻山組(J2t)、侏羅系上統張家口組(J3z)、白堊系下統義縣組(K1y),新生界地層:第四系更新統(Qp3m)和全新統(Qh1pal)。

3.1 侏羅系中統髫髻山組(J2t)

主要分布在本區的西南,隧洞中后部大部分地區,隧洞前段也有揭露。以安山巖、玄武巖等中基性熔巖及少量火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖組成。

3.2 侏羅系上統張家口組(J3z)

主要分布在隧洞前部,巖性有石英粗面巖、安山質角礫巖、石英安山玢巖、流紋質火山角礫巖,火山集塊角礫巖、復成分礫巖,含礫凝灰質巖屑砂巖等。

3.3 白堊系下統義縣組(K1y)

分布在本區東北部和北部,隧洞中前部,底部與髫髻山組(J2t)角度不整合接觸,巖性特征為中基性火山熔巖夾火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖。

3.4 第四系更新統(Qp3m)

分布于七道嶺鄉二良圖溝蘇家營子巴圖營子河右岸和隧洞出口處,巖性主要為坡洪積砂礫石、亞砂土。多呈密實狀,位于Ⅱ級基座階地表層。

3.5 第四系全新統(Qh1pal)

分布于巴圖營子河河谷。主要巖性為砂、礫石、卵石等,砂層中多發育交錯層理構造,為河流沖洪積產物。多形成河漫灘及一級階地。

4 地質構造

本區屬華北古陸東北部,晚古生代——中生代侏羅紀末處于興蒙復合造山區的前峰帶(原內蒙地軸)和前陸盆地,北臨西蒙造山帶。中生代白堊紀以來被環太平洋構造帶所疊加,區內構造復雜。晚侏羅紀張家口組比較特殊,它堆積于金嶺寺——羊山盆地隆起帶或斷裂帶上。

工程區以燕山期構造為主,其特點為褶皺構造作用較弱,多形成平坦開闊的背向斜和單斜,斷裂構造極為發育,并以逆斷層為主,規模較大,它們多集中于構造盆地邊緣,控制著各期火山巖的分布。

4.1 斷裂構造

根據現場實測及1∶5萬遙感解譯,主要有兩條較大斷裂:沈家臺——新立屯斷裂(F6)、上園——金嶺寺斷裂(F4),本區斷裂構造發育。

4.2 層理構造

侏羅系、白堊系沉積的凝灰質砂礫巖、復成分礫巖多呈厚層～巨厚層狀,層理面并不明顯。

層理(沉積韻律)構造對洞室穩定有一定的影響,但由于其多閉合,為隱蔽層理,不構成軟弱結構面,對洞室穩定性影響有限,主要反映在對巖石強度各向異性影響上。

5 水文地質條件

5.1 地下水類型

洞線地下水類型主要為:松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水、構造裂隙水。松散巖類孔隙潛水賦水性強,滲透性強,多為洞室淺埋河谷段,特別在砂卵礫石層地區,洞室開挖過程中易發生涌突水,影響洞室穩定及施工。基巖裂隙的賦水性較差,地下水活動微弱。局部穿越斷層部位構造裂隙水,有較好的賦水條件,且滲透性較好,易產生突水、涌水,從而影響洞室穩定。

工程區主要受大氣降水及地表水的補給。豐水期大氣降水通過地表徑流等方式沿裂隙和孔隙通道直接或間接補給地下水,地表水受大氣降水補給后以短歷時補給地下水;枯水期地表水受兩岸地下水的補給。地下水主要以淺循環形式,通過徑流方式,沿水力通道(基巖裂隙和松散巖孔隙)與大氣降水及地表水發生水力聯系,局部在斷層破碎帶以深循環形式存在。

5.2 地下水腐蝕性

通過沿線鉆孔取樣進行室內試驗,地下水對混凝土結構具弱腐蝕,對混凝土結構中的鋼筋均具有弱腐蝕性,對鋼結構均具有微腐蝕性。

6 洞室圍巖工程特性

6.1 巖石物理力學性質

洞室部位除中生代沉積的復成分礫巖、礫巖、砂巖、頁巖以及各洞室內進出口部位的全強風化巖(屬軟巖～極軟巖)外,大部分洞室部位的弱風化～新鮮巖石均為中硬巖～堅硬巖。局部泥質巖石具有一定的膨脹、崩解特性,紫紅色凝灰巖崩解性較強[1]。

6.2 洞室圍巖完整性

影響洞室圍巖完整性的因素主要有:地形地貌、巖石結構和地質構造。地形地貌上進出口部位多面臨空、河谷兩側臨空造成巖體卸荷裂隙較發育;溝谷淺埋部位,為強風化巖;呈薄層狀的頁巖、砂巖;處于斷裂破碎帶等是造成巖體呈破碎～完整性差的主要原因,而洞室埋藏深、構造不發育、巖體呈塊狀、中厚層～巨厚層狀則是本區洞室圍巖處于較完整～完整狀態的主要條件[2]。

工程區鉆孔揭露的構造不發育段巖體多為完整～較完整。

6.3 洞室圍巖透水性

洞室部位巖體風化較弱或為新鮮巖,弱～微透水。通過鉆孔壓水實驗分析:圍巖透水性總體均不大,一般在1～4Lu之間。主要是因為巖體結構面不發育,且含泥質巖和巖漿巖居多。

7 主要工程地質問題分析

7.1 隧洞進出口邊坡穩定

隧洞進出口處為弱風化巖漿巖,呈塊狀～巨塊狀,進口處基巖裸露,陡直,自然坡高不大,一般不超過15m。長期以來在坡腳處均未發現崩塌及滑移體,自然邊坡均較穩定。邊坡開挖過程中應根據巖體風化情況及開挖高度適當放坡,并采取一定護坡措施。

7.2 洞室圍巖穩定

大部分洞室可根據圍巖類別正常施工,部分洞段存在一些特殊類型的洞室圍巖穩定問題,需進行專門研究和處理。

過溝、淺埋段洞室圍巖的穩定性較為復雜,建議設計對洞室施工期的臨時支護措施進行專門研究。

穿越斷層及影響帶、角度不整合接觸帶巖石強度低,巖體破碎,軟弱結構面發育,透水性強,且往往富含地下水,導致塌方失穩變形瞬間發生。建議設計和施工根據實際情況采取專門超前支護措施和適當支護措施。

斷層影響帶以外巖體多完整性差～較完整,巖性主要為安山質火山角礫集塊熔巖、蝕變安山巖及少量凝灰巖,弱風化,局部微風化,為較軟巖～中硬巖,以滲滴水～線流為主,圍巖局部穩定性差,應加強支護。

在洞室開挖過程中遇到軟質巖段可能出現層板狀連續塌落現象,同時在洞室埋深較深部位會出現圍巖變形過大的問題。洞室開挖遇到上述巖石應及時支護,并封閉仰拱,同時設計應預先考慮圍巖變形過大的問題[3]。

隧洞穿越白堊系、侏羅系部分凝灰質、凝灰質膠結火山角礫巖、砂礫巖等多具有膨脹、崩解特性。巖礦分析試驗表明,凝灰巖中具膨脹特性的蒙脫石含量在30%～44%之間。從該膨脹巖的特性推測,洞室在開挖至此巖體段時,由于巖石強度低,且地下水和卸荷作用,一般會發生崩解致使洞室發生崩塌破壞。在前期支護和后期運行期間膨脹巖體會發生洞室巖體變形而對襯砌產生一定的膨脹壓力。建議設計對開挖洞徑預留變形,施工過程中應及時進行支護,注意監測地下水的情況,同時嚴格控制施工用水。

7.3 隧洞涌水

由于本隧洞埋深大,圍巖多為微～若透水,采用裘布依理論式、地下水徑流模數法進行正常隧洞涌水量預測。整體正常涌水量為2582m3/d,近似得出單位長度隧洞正常涌水量為0.04m3/d·m,說明地下水流量較小。

隧洞穿越地形為低山區,地下水弱發育,圍巖多處于弱～新鮮巖之中,節理裂隙弱發育,主要為基巖裂隙水,巖體透水性較差,以面狀滴水或線流為主,施工中注意做好防排水措施[4]。

7.4 隧洞外水壓力

本工程巖層呈弱透水～微透水,且隨深度增加有變弱趨勢,因此隨埋深增大洞室外水壓力一般不大。

按《水利水電工程地質勘察規范》根據巖土體滲透性等級初步確定外水壓力折減系數βe值,由于正常巖體透水率均較小,外水壓力折減系數建議采取0.2～0.4。斷層、出口部位外水壓力折減系數βe可按0.8～0.9考慮。

7.5 地應力

根據本工程地應力的實際分布情況,初始應力自重應力略小于垂直向應力。地應力估算按σm=1.2σv,通過估算最大水平主應力σm<12 MPa。巖石單軸飽和抗壓強度Rb一般在30～100 MPa,估算巖石強度應力比Rb/σm一般>4,屬中等偏低地應力量級[5]。

當巖體同時滿足高地應力、硬脆、較完整～完整、無地下水,則判定為巖爆。本工程洞室埋深最大為300m左右,地應力中等偏低,巖石一般不屬于硬脆巖,根據巖爆的判別條件,一般不會發生巖爆[6]。

7.6 隧洞圍巖分類

按巖組(巖性)進行洞室段分組,在巖組(巖性)段內按照《水利水電工程地質勘察規范》,通過巖石強度、完整性、結構面狀態、地下水、主要結構面產狀5大方面進行總評分,以評價圍巖穩定性,通過圍巖強度應力比對洞室圍巖評分進行修正,得到最終的圍巖類別[7]。

經統計各類圍巖所占比例約為Ⅲ類81.2%(23098m)、Ⅳ類12.8%(3633m),Ⅴ類6.0%(1708m)。

7.7 有毒有害氣體等

洞線附近地表無溫泉,在鉆孔中未發現地溫異常,表明本區地溫正常。工程區礦產資料表明,洞線附近無硫鐵礦層、煤層、瀝青油頁巖等礦產富集地層,無有毒有害氣體來源,即使存在濃度也較小,對施工影響較輕微[8]。

8 結論與建議

通過對隧洞工程地質條件進行分析,對主要工程地質問題進行評價:

1)隧洞進出口段應適當放坡,并采取防護措施;隧洞大部分洞室可根據圍巖類別正常施工;過溝、淺埋段建議對支護措施進行專門研究;穿越斷層及影響帶等建議采取適當支護措施;建議膨脹巖段預留變形,并嚴格控制地下水;

2)由于本隧洞埋深較大,洞室部位地下水發育均較差,大部分洞段開挖以滴水或線流為主,施工中注意做好防排水措施;洞室隨埋深增大外水壓力一般不大;

3)根據本工程地應力分布的實際情況,初始應力的垂直向應力略大于自重應力。地應力中等偏低,一般不會發生巖爆;本區地溫正常,無有毒有害氣體來源;經統計本工程各類圍巖以Ⅲ類、Ⅳ類為主。

4)本隧洞工程地質條件復雜,現有勘察工作難以完全滿足施工精度,建議施工階段根據洞室開挖地質情況及時調整圍巖類別及支護參數。