山區(qū)某隧道的巖土工程分析

羅 均 宇

(福建省121地質(zhì)大隊(duì)工程勘察院，福建 龍巖 364000)

1 概述

永定區(qū)虎崗鎮(zhèn)龍溪村灌洋水庫南側(cè)的山地，隧道穿越山體，為單洞隧道。隧道凈空(寬×高)為9.00×5.0，隧道長731.667 m，設(shè)計(jì)樁號K3+365.115～K4+096.792。隧道最大埋深約102.73 m，進(jìn)口洞底標(biāo)高645.85 m，出口洞底標(biāo)高649.53 m，設(shè)計(jì)縱坡降為0.5%，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h。

2 場地工程地質(zhì)特征

2.1 地形、地貌及地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)屬低山地貌，進(jìn)口處地面高程約648.12 m，出口處地面高程約為649.58 m，隧道軸線最高點(diǎn)高程為787.80 m，沿線地形呈波狀起伏，山脊(頂)渾圓，進(jìn)口側(cè)山坡自然坡度約30°～35°，出口側(cè)山坡自然坡度約40°～50°。

區(qū)域位于閩西南拗陷帶西南部，大田—龍巖拗陷的南部，廣平—龍巖復(fù)式向斜的南端，未見有活動(dòng)性斷裂構(gòu)造發(fā)育。

根據(jù)中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB 18306—2015)福建省區(qū)劃一覽表，項(xiàng)目所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組第二組，設(shè)計(jì)地震加速度0.05g。

2.2 巖土層種類

①10含角礫粉質(zhì)黏土：淺紫紅、黃褐色,呈硬塑狀，含30%的角礫,粒徑約10 mm～100 mm,分布不均勻。

②11強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：紫紅、灰色,水平層理,中～厚層狀,巖體呈散體～碎裂狀結(jié)構(gòu),完整性差，為極軟巖。

②21強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖：淺灰色,水平層理中～厚層狀,硅質(zhì)膠結(jié)，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu),為軟巖，完整性差。

②12中風(fēng)化粉砂巖：紫紅色、灰色,水平層理,巖體呈層狀結(jié)構(gòu),為軟巖，完整性較好，RQD(%)=50～60。

②22中風(fēng)化細(xì)砂巖：淺灰色、水平層理，硅質(zhì)膠結(jié)，巖體呈層狀結(jié)構(gòu),為軟巖，完整性較好，RQD(%)=40～60。

②13微風(fēng)化粉砂巖：紫紅色,水平層理,巖體完整性好,為較軟巖，RQD(%)=60～80。

②23微風(fēng)化細(xì)砂巖：灰白色,水平層理，硅質(zhì)膠結(jié)，巖體完整性好,RQD(%)=50～80。

2.3 巖土層的設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)

本場地通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場原位試驗(yàn)及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)見表1。

表1 巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值

2.4 場地水文地質(zhì)條件

1)地表水。

隧道區(qū)未見有地表水系經(jīng)過，地表水總體較貧乏。

2)地下水。

地下水按埋藏條件及賦存介質(zhì)不同分為：①基巖風(fēng)化裂隙型潛水和②基巖裂隙承壓水。

①基巖風(fēng)化裂隙潛水賦存于強(qiáng)風(fēng)化巖層的網(wǎng)狀裂隙中。隧道區(qū)巖性為泥盆系桃子坑組細(xì)砂巖、粉砂巖，裂隙發(fā)育，富水性較好、導(dǎo)水性強(qiáng)，含水層厚度較大。接受大氣降水的補(bǔ)給，順坡向徑流，在坡腳低洼處排泄，含水量較小，對隧道圍巖及開挖影響相對較大。

②基巖裂隙水：受地質(zhì)構(gòu)造的控制，接受大氣降水的補(bǔ)給和基巖風(fēng)化裂隙水的補(bǔ)給，向山體附近的溝谷中排泄，具有承壓性，隧址區(qū)內(nèi)裂隙密集帶較不發(fā)育，為泥質(zhì)充填，且寬度較小，兩側(cè)巖體大多為完整、堅(jiān)硬，富水性一般。

地下水水位埋深31.20 m～35.00 m，標(biāo)高673.20 m～700.40 m，位于隧道路面以上，水量較小。

2.5 不良地質(zhì)作用和特殊性巖土特征

隧道場址區(qū)自然山坡坡體基本穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。場地分布巖層為非可溶巖，不存在巖溶問題，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有礦產(chǎn)分布，未發(fā)現(xiàn)有采空區(qū)。未發(fā)現(xiàn)特殊性巖土。

3 隧道工程地質(zhì)評價(jià)

3.1 隧道洞口工程地質(zhì)評價(jià)

隧道進(jìn)口段自然山坡坡度30°～35°，圍巖為薄層坡積含角礫粉質(zhì)粘土及厚層強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖,坡體現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。隧道開挖后形成邊坡高約9.0 m～11.0 m，坡體主要為薄層含角礫粉質(zhì)粘土及強(qiáng)風(fēng)化巖，結(jié)構(gòu)較松散，開挖后穩(wěn)定性較差；隧道出口側(cè)自然山坡坡度約40°～50°，洞口圍巖為強(qiáng)～中風(fēng)化細(xì)砂巖，坡體現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。

3.2 洞身工程地質(zhì)評價(jià)和圍巖分類

3.2.1洞身工程地質(zhì)評價(jià)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果，隧道進(jìn)口K3+365.115～K3+425.50圍巖為：強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，為極軟巖，巖體破碎，圍巖的級別為Ⅴ級；K3+425.50～K3+572.73圍巖為：中風(fēng)化細(xì)砂巖，為較硬巖，巖體較完整，圍巖的級別為Ⅲ級；K3+572.73～K4+025.30圍巖為：微風(fēng)化細(xì)砂巖，為較硬巖，巖體完整，圍巖的級別為Ⅱ級；K4+025.30～K4+041.34圍巖為：微風(fēng)化粉砂巖，為較硬巖，巖體較完整，圍巖的級別為Ⅲ級；K4+041.34～K4+083.39圍巖為：微風(fēng)化細(xì)砂巖，為較硬巖，巖體較完整，圍巖的級別為Ⅲ級；K4+083.39～隧道出口K4+096.792圍巖為：為強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，為軟巖，巖體破碎，圍巖的級別為Ⅳ級。

3.2.2圍巖基本質(zhì)量分級

按照巖石堅(jiān)硬程度(Rc)及巖體的完整性(Kv)，結(jié)合地下水、裂隙、圍巖應(yīng)力狀態(tài)等對圍巖的影響，根據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公式(1)，公式(2)計(jì)算隧道圍巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，按照J(rèn)TG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范表3.6.5進(jìn)行隧道圍巖的分級，結(jié)合巖石堅(jiān)硬程度(Rc)、巖體的完整性(RQD、Kv等)進(jìn)行對比驗(yàn)證。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(2)

其中，BQ為圍巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；[BQ]為修正后圍巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度;Kv為巖體完整性系數(shù);K1為地下水影響修正系數(shù);K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù);K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

隧道圍巖分級和圍巖物理指標(biāo)如表2，表3所示。

3.3 隧道地應(yīng)力評價(jià)

擬建隧道最大埋深約238.80 m，洞身圍巖為微風(fēng)化細(xì)砂巖，為硬巖，節(jié)理較～不發(fā)育，經(jīng)分析，該隧道為低地應(yīng)力區(qū)，隧道開挖發(fā)生巖爆的可能性較小。

3.4 隧道涌水量分析

隧道區(qū)地下水主要為風(fēng)化基巖中網(wǎng)狀裂隙～孔隙水，以及基巖構(gòu)造裂隙水。根據(jù)TB 10049—2004/J 339—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程，按隧道匯水面積范圍內(nèi)降水的入滲率，估算隧道涌水量。

表2 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值表

表3 各級圍巖所占比例表

1)降水入滲法。

現(xiàn)取匯水長度(隧道長度)731.68 m，寬度1 000 m，當(dāng)?shù)啬昃涤炅繛? 940.50 mm，入滲系數(shù)取0.18，按TB 10049—2004/J 339—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程附錄B.1.2條，采用降水入滲法初步估算隧道的涌水量如下：

降水入滲法公式：Qs=2.74×a×W×A。

其中，Qs為隧道正常涌水量，m3/d；2.74為換算系數(shù)；a為降水入滲系數(shù)：取0.18；W為多年年均降水量，本測區(qū)取1 940.50 mm；A為隧道集水面積0.721×1.0=0.731 km2。

正常涌水量：Qs=2.74×0.18×1 940.50×0.731=699.61 m3/d。

2)TB 10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程附錄B.2.1條谷德曼公式和佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式。

最大涌水量：Q0=q0×L；

q0=2πKH÷ln(4H÷d)。

其中，Q0為隧道最大涌水量;L為隧道計(jì)算長度;K為含水層滲透系數(shù)(計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)值);H為含水層中靜止水位至隧道等價(jià)圓中心的距離,m;d為隧道洞身斷面的等價(jià)圓直徑,m;qs為隧道單位長度經(jīng)常涌水量，m3/(d·m)；B為隧道通過含水層中長度，m；R為隧道排水影響寬度，m。

根據(jù)野外鉆孔注水試驗(yàn)成果，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖通過地段的滲透系數(shù)為K=1.11 m/d。根據(jù)上述公式對隧道進(jìn)行分段計(jì)算得出：隧道最大涌水量為34 269.88 m3/d，正常涌水量為1 481.92 m3/d。

4 場地環(huán)境地質(zhì)評價(jià)

擬建隧道位于永定區(qū)虎崗鎮(zhèn)龍溪村灌洋水庫南側(cè)的山地，隧道穿越山體，為單洞隧道，進(jìn)口位于永定縣灌陽農(nóng)業(yè)有限公司東北側(cè)的坡地，出口位于灌洋水庫大壩的南側(cè)坡地，隧道附近無人居住，施工開挖期間該區(qū)域地下水可能下降，對農(nóng)作物局部可能造成一些影響，但施工后影響不大，造成次生地質(zhì)災(zāi)害。

隧道施工應(yīng)在隧道進(jìn)出口附近山溝各設(shè)棄碴場堆放棄碴，并做好棄碴的攔護(hù)壩，以免破壞生態(tài)環(huán)境，造成水土流失或碴體溜坍。

5 結(jié)語

1)隧址區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈，未見影響場地穩(wěn)定的活動(dòng)性斷裂，未見滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)、地下洞穴等不良地質(zhì)作用。

2)場區(qū)地震基本烈度為6度；工程場地50年超越概率10%的平均土質(zhì)條件下峰值加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震第二組，屬中硬場地土，場地類別為Ⅱ類場地，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.40 s。

3)隧道位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上，山坡坡體較陡，未見有地表水系經(jīng)過。本隧道圍巖為弱透水層，該隧道單洞正常涌水量為1 500 m3/d。

4)隧道進(jìn)出洞口處仰坡和兩側(cè)開挖邊坡穩(wěn)定性較差，建議采用安全坡率放坡開挖，并加強(qiáng)坡面防護(hù)措施。

5)隧道洞身及進(jìn)口圍巖級別為Ⅳ級～Ⅴ級，出口段圍巖級別均為Ⅱ級～Ⅲ級。

6)擬建隧道最大埋深約238.80 m，深部圍巖為微風(fēng)化細(xì)砂巖，為低地應(yīng)力區(qū)，隧道開挖發(fā)生巖爆的可能性較小。

7)隧道施工對坡地上植被及農(nóng)作物局部有影響，應(yīng)合理設(shè)置棄渣堆放點(diǎn)，應(yīng)妥善處理?xiàng)壴?，以免產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害，隧道施工期間對周圍環(huán)境有一定影響，應(yīng)做好防治工作。