基于多種勘察手段的隧道圍巖工程特性研究

賈海鵬

(深圳市勘察測繪院(集團)有限公司,廣東 深圳 518028)

0 引 言

擬建隧道位于深圳市羅湖區羅芳村北側,東西向橫穿貓窩嶺山,全長 317 m,隧道頂山體最高約 46 m。擬建隧道位于羅湖大斷裂中,穿越兩條斷層,其中F1斜切隧道入口段,破碎帶寬度0.5～5.0 m,F1325斜切隧道中后段,破碎帶度寬十余米至數十米不等。構造帶內巖石呈碎裂結構,地下水易沿破碎帶出滲,隧道開挖時可能會發生嚴重的圍巖穩定性問題。隧道地質條件復雜,建造難度大,如何保證施工期間隧道圍巖的穩定性是隧道建設中面臨的主要問題[1]。因此,有必要對隧道圍巖的透水性和巖體基本質量等級進行客觀、準確評價[2,3]。

圍巖滲透系數可通過多種方法獲得,如室內數值模擬[4,5]、滲透試驗[6]及現場原位壓水試驗等[7,8]。巖石質量等級的評價方法是采用指標RQD,巖石基本質量的評價方法常采用的方法有國標(BQ)分級系統、RMR系統和Q系統等[9-11]。

本工程對隧道段布孔12個,編號為SD2、SD4、SD6、SD8、SD10和SD13～SD19。隧道鉆孔在松散地層中鉆孔深度宜進入隧道底板以下不小于1.5倍隧道高度,即鉆至開挖底板以下 25 m,在微風化及中等風化巖石中鉆孔深度應進入隧道底板以下0.5倍隧道高度,即鉆至開挖底板以下不小于 8 m。選取SD2、SD4、SD6、SD8、SD10和SD13～SD18號鉆孔進行層剪切波測試驗,得到區域巖石和巖體的彈性橫波波速。選取SD13和SD15號鉆孔微風化圍巖段進行壓水試驗,得到了圍巖壓強與流量曲線,進而計算得到滲透系數。通過工程鉆探、工程物探及現場水文地質試驗的多種勘察手段,采用RQD和BQ分級系統對隧道圍巖的工程特性進行了相關分析。

1 工程特性研究方法

1.1 壓水試驗

本次壓水試驗在SD13和SD15號鉆孔的微風化圍巖段各進行了一段,試驗長度為 5 m,均位于地下水位以下。壓水試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 壓水試驗裝置示意圖

試驗采用“五點法”,自上而下分段進行。對試驗鉆孔進行清空,完成試壓試驗后,進行正式壓水試驗。

試驗壓力采用0.3 MPa,0.6 MPa,1.0 MPa,0.6 MPa,0.3 MPa。第一次壓力為 0.3 MPa(維持壓力穩定)(第一階段):在穩定壓力下每2分鐘記錄一次壓入流量Q。直至流量無持續增大趨勢,且5次讀數中最大值與最小值之差小于最終值的10%,或最大值與最小值之差小于 1 L/min,即可結束本階段試驗,以最終值作為計算值。完成第一次壓力試驗后,將壓力增大至 0.6 MPa(維持壓力穩定)(第二階段),重復上一次壓力試驗工作,在穩定壓力下每2分鐘記錄一次壓入流量,直至達到試驗結束要求。第二次壓力試驗結束后增壓至 1 MPa(維持壓力穩定)(第三階段),再記錄壓入流量,直至達到試驗結束要求。第三次壓力試驗結束后減壓至 0.6 MPa(第四階段),重復上述工作,直至本階段試驗結束。最后減壓至 0.3 MPa(第五階段),記錄壓入流量,直至本階段試驗結束。至此,整段壓水試驗全部結束。試驗過程中,采用MPM489壓力傳感器和K300(D40)流量傳感器進行壓力和流量的監測與記錄。

1.2 巖石質量指標RQD

巖石質量指標RQD值是圍巖級別高低(或巖體質量好壞)的綜合反映。本工程對隧道段所有鉆孔的中、微風化巖進行了RQD指標統計。

1.3 巖體基本質量指標BQ

本工程采用國標(BQ)分級系統對隧道圍巖進行基本質量分級。巖體基本質量指標BQ的計算公式采用多參數法,以兩個分級因素的定量指標:巖石單軸飽和抗壓強度RC和巖體完整性系數KV為參數,根據大量工程實測數據采用逐步回歸,逐步判別等方法建立起來的,屬和差模型[11]。本次巖體縱波測試采用單孔超聲波測井方法,使用的儀器為武漢巖海公司生產的RS-ST02C型巖土聲波儀。除SD2和SD19號鉆孔外,其余鉆孔均進行了BQ指標統計。

2 結果與分析

2.1 圍巖滲透性

壓水試驗的目的是了解與工程有關地段巖體的相對透水性,估算巖體的滲透系數,為設計和工程處理提供基本資料。

兩段壓水試驗的P-Q曲線如圖2所示。從圖中可以看出,SD13號鉆孔P-Q曲線類型為B型(紊流),SD15號鉆孔P-Q曲線類型為A型(層流)[12]。

圖2 SD13和SD15號鉆孔P-Q曲線

兩段巖體的透水率按式(1)進行計算[12]:

(1)

式中:q—試驗段的透水率(Lu);

L—試驗段長度(m),本試驗取5 m;

Q3—第三階段的計算流量(L/min);

P3—第三階段的試驗壓力(MPa)。

當試驗段位于地下水位以下,透水性較小(q<10Lu)、P-Q曲線為A型(層流)時,巖體滲透系數按式(2)進行計算[12]:

(2)

式中:k—巖體滲透系數(m/d);

Q—壓入流量(m3/d);

H—試驗水頭(m);

r0—鉆孔半徑(m),本試驗取0.045 m。

當試驗段位于地下水位以下,透水性較小、P-Q曲線為B型(紊流)時,可用第一階段的壓力P1(換算成水頭值,以m計)和流量Q1代入(2)式近似地計算滲透系數。

當試段位于地下水位以下,壓力-流量(P-Q)曲線為擴張型(C型)、沖蝕型(D型)或充填型(E型)時,可取各級壓力下最大的透水率,并用最大透水率對應的試驗壓力值和流量值按本規程公式(2)計算滲透系數。

根據《工程地質手冊》壓水試驗章節中表9-3-15[12],巖體透水率、滲透系數及巖體評價結果如表1所示。

表1 壓水試驗結果

2.2 巖石質量分類

本工程所有鉆孔RQD指標統計結果如表2所示。根據《巖土工程勘察規范》GB50021-2001及表中結果可得出,本工程隧道圍巖質量等級為極差。

表2 鉆孔RQD統計結果

2.3 巖體基本質量等級

根據《公路隧道設計細則》JTG/T D70-2020,圍巖的基本質量指標應根據分級因素的定量指標RC值和KV值,按下式計算[13]:

BQ=90+3RC+250KV

(3)

(4)

式中:RC—巖石飽和單軸抗壓強度(MPa);

KV—巖體完整性系數;

Vpm—評價區域巖體的彈性縱波波速(km/s);

Vpr—評價區域巖石的彈性縱波波速(km/s)。

按上式計算時,應符合下列限制條件:

(1)當RC>90KV+30時,應以RC=90KV+30和KV帶入計算BQ值。

(2)當KV>0.04RC+0.4時,應以KV=0.04RC+0.4和RC代入計算BQ值。

計算結果如表3所示。根據《公路隧道設計細則》JTG/T D70-2020中關于公路隧道巖質圍巖的基本質量分級原則和本隧道的埋深、工程地質及水文地質條件綜合分析可得,隧道設計里程K0+187.5～K0+287.92和K0+459.01～K0+502.50段巖體基本質量等級為Ⅵ,K0+287.92～K0+459.01段巖體基本質量等級為Ⅴ。

表3 巖體基本質量等級計算結果

3 結 語

本文通過工程鉆探、工程物探及現場壓水試驗等多種勘察手段,對擬建貓窩嶺隧道圍巖石英砂巖的透水性、巖石質量和巖體基本質量的工程特性進行研究與分析。主要得出以下結論:

(1)巖體最完整～完整段微風化巖滲透系數為6.8×10-4m/d～4.8×10-3m/d,為微透水性。施工過程中可考慮制定相關備用措施,防止地下水突涌。

(2)中風化巖RQD平均值6.71%,微風化巖RQD平均值12.58%,巖石質量等級屬極差。

(3)隧道設計里程K0+187.5～K0+287.92和K0+459.01～K0+502.50段巖體基本質量等級為Ⅵ,K0+287.92～K0+459.01段巖體基本質量等級為Ⅴ。

(4)施工過程中,根據不同圍巖分級洞段地質特征、地下水特征,結合隧道工程結構特點、隧道埋深等情況,不同圍巖分級洞段應選擇適當的掘進方法和支護措施,以維持圍巖的穩定性。