高边坡改隧道工程设计中地质分析可行性与措施

陈刚

【摘 要】本文通过对高边坡改隧道工程地质及水文地质条件的分析及评价，确定隧道方案的可行性，并划分出围岩类别，为拟建隧道的设计和施工提出一些想法及建议。

【关键词】隧道工程；偏压；工程地质；围岩分类；支护

前言

我院组织对该高边坡的稳定性进行重新分析论证，确定采用单幅隧道方案通过。针对隧道方案，我们组织对场地补充勘察，本次勘察根据项目要求主要采用工程地质调绘、工程地质钻探、工程物探和取样试验等勘察手段。

1、工程地质条件及评价

1.1地形地貌

建设场地位于山隧道南洞口附近，与山隧道相隔一条山涧，山体天然植被发育，山势陡峻，山顶标高达430米，山麓标高为250米，山体自然边坡是西南侧陡，西北侧缓，与岩层倾向一致，顺向坡缓，反向坡陡，最陡达59°。路线自山体的西侧山腰近山麓处左深切山体。边坡侧山体平均自然边坡坡度为33°，最陡为45°，最缓为25°。

1.2地层岩性

建设场地地处巾石至新村花岗岩岩体的东北缘，系属巾石至碧洲复式向斜的南段西北翼。区内地层为寒武系上统水石群变质岩系（ε3）和第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）。

1.2.1寒武系上统水石群（ε3）

寒武系地层为一套区域浅变质岩系，地层总体产状为55°∠22°，地层受多期地质构造运动的作用及岩浆侵入影响，地层在区域变质的同时，受岩浆的烘烤交代接触变质作用，区域地层处于混合岩化带，主要表现为局部出现少量团块状、透镜状及不规则状伟晶质和细晶质脉体，开挖后出现的“孤石状”岩体，可能是混合岩化成因，隧道区内该套地层根据岩性组合可分为二大层。⑴板岩层⑵变质砂岩层：

1.2.2第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）

主要为红褐色、浅紫红色粘土夹砾及碎石土。

1.3地质构造

1.3.1区域地质构造

区内受东西向华夏和北东向新华夏系构造的影响，构造较发育，热液活动也十分频繁。区内构造以断裂构造为主，褶曲不明显。

1.3.2区域构造应力分析

区内在加里东构造运动时期，以南北向的水平挤压为主，逐渐形成南北方向的华夏系构造。随着时间的推移和南北向扭动作用的加强，燕山晚期区域主应力方向也由北西——南东向逐渐转为北西西——南东东向，因而形成了现在的北北东向新华夏系构造。由于早期构造地应力在断层形成过程中被释放，根据隧道施工观察，本隧道的设计和施工无需考虑构造地应力的影响。对设计施工有影响的主要是由重力作用产生的地应力，特别是偏压作用。

1.3.3隧道工程区主要地质构造及结构面

1.3.3.1断裂构造

⑴F1断层：位于K203+594.9～K203+596.9，逆断层，走向北76°东，倾向北西，倾角57°，下延30米以上，断距3米左右，断层泥厚2米左右，不漏水。

⑵F2断层：位于K203+626～K203+633.8，走向北76°东，倾向北西，倾角65°，下延30米以上，断层泥厚7米左右，不漏水。

⑶F3断层：位于K203+680～K203+690，呈北东东走向，形迹不明，岩性在此出现明显突变，自北往南，由坚硬较完整变余砂岩转变为千枚状粉砂质板岩夹变余砂岩及石英脉体，较破碎。

1.3.3.2节理

通过地质断面调查及钻取岩芯分析，勘察区的岩体最少发育两期节理裂隙，裂面有高倾角、压性闭合或微张开等特点。早期节理裂隙一般被石英脉充填，呈胶结状，有较高的抗剪强度；后期裂隙多呈“X”节理，由于其多向切割，岩体多半比较破碎。通过节理统计及“节理裂隙玫瑰图”分析，得出主要发育的几组优势节理面为：a、走向北85°西，倾向北，倾角45°～65°，与路线近垂交；b、走向北82°东，倾向北，倾角45°～65°，与路线近垂交；c、走向北5°～24°西，倾向西，倾角65°～85°，与路线近平行，对隧道围岩稳定性影响较大。

1.3.4结构面对隧道围岩稳定性评价

隧道围岩中的节理裂隙是影响其稳定的主要因素，岩层面只对右侧洞壁有影响。节理裂隙又以平行洞轴线的、后期的节理裂隙面影响最大，K203+590～K203+670段隧道右侧洞顶附近发育1.5米左右厚的构造破碎带，对隧道拱顶稳定不利。由于隧道所处的位置，地形起伏大，岩体风化分界线起伏也大，节理裂隙一般洞顶比洞底发育，洞右侧比左侧发育，同一掌子面出现岩体完整性差异，所以，设计和施工应引起重视，采取针对性工程处置措施。

1.4新构造运动及地震

勘察区地处赣中南大面积稳定上升区，以整体间歇性缓慢抬升为主，差异运动不明显，历史上仅发生过4次强震，近期弱震活动亦比较少。根据《中国地震峰值加速度区划图》，区内地震基本烈度小于Ⅵ度，地震动峰值加速度g<0.05，隧道工程可不考虑抗震设防。

2.水文地质条件及评价

2.1地下水类型及分布

根据地质调查和钻探揭露分析，区域分布有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种，其中以基岩裂隙水为主。孔隙水主要赋存于第四系残坡积成因的粘土碎石及基岩全风化层中，由于地势较陡，自身透水性较好，只能作为地表水的入渗通道；基岩裂隙水主要赋存在变质岩层中，通过上覆松散岩层接受大气降水的补给，由于基岩裂隙发育，地下水径流通道好，而南方以暴雨等强降水形式为主，地下水较丰富。因此隧道开挖过程中应备水泵，以免影响施工进度。设计应在隧道洞顶、洞壁及洞底设置排水系统，如反过滤层、渗沟、盲沟等。

2.2地下水出露点调查

边坡开挖后，在K203+619、K203+622、K203+695、K203+705左25米的第三级边坡的坡脚处排泄孔中以及K203+690右30米坡脚等处发育流量10ml/s～20ml/s的下降泉。而且据锚索成孔资料了解，大都数钻孔均见地下水，局部水量还较大。

2.3地下水的化学成分

由于勘察区山体与隧道山体属同一地下水系，水化学成分参考隧道水化学分析成果使用。根据水质分析评价标准，勘察区内地下水类型属于HCO3-Ca、Mg型水，弱碱性，腐蚀等级为无腐蚀。

3、围岩分类与支护分析

3.1围岩参数的确定

⑴岩体声波速度根据P-S测井获取纵波、横波；

⑵岩土完整性系数：I=Vp2 / Up2 其中：

Vp为岩体纵波波速，Up为岩石纵波波速；

⑶泊松比根据波速计算确定：

μd=Vp2-2Vs2/[2（Vp2-Vs2）]

⑷动弹性模量根据下式计算确定：

Ed=ρVp2（1+μd）（1-2μd）/[g（1-μd）]

或 Ed=ρVs2（3Vp2-4Vs2）/（Vp2-Vs2）

其中：ρ为密度 g为重力加速度；

⑸静弹模量：Es=0.1Ed1.43 ；

⑹饱和抗压强度采用最小平均值确定。

3.2围岩类别确定

隧道围岩分类主要依据工程地质条件、开挖稳定性及岩体纵波波速、岩体完整系数、岩石质量指标等实测参数指标综合确定。

3.3隧道围岩分段划分及建议支护

3.3.1K203+557～K203+610（北洞口及洞身）

围岩岩性为变余砂岩夹板岩，风化强烈，节理裂隙很发育，可见4组以上节理裂隙，多呈“X”型，岩体较破碎。拱部无支护时可产生坍塌，侧壁有时失去稳定，围岩类别综合定为Ⅱ类。建议：采用导坑法或台阶法施工并及时采取超前支护措施，洞口段适当接部分明洞。

3.3.2K203+610～K203+680（洞身）

围岩岩性为弱～微风化变余砂岩，局部发育构造破碎带。围岩总体较完整稳定，局部呈碎裂结构，由于隧道浅埋偏压，左侧岩体坚硬完整，右上部洞室围岩范围内，岩体比较破碎。拱部无支护可能产生坍塌，侧壁基本稳定，围岩类别综合定为Ⅳ类。建议：施工采用先拱后墙法施工，对于施工中可能发现的局部破碎带、断层软弱破碎带，应局部特殊处理。

3.3.3K203+680～K203+750（洞身及南洞口）

围岩岩性为以全、强风化千枚状粉砂质板岩为主夹变余砂岩及石英脉体，风化强烈，岩体软硬不均，总体较软，地下水较丰富。围岩横、纵向变化均比较大。右侧洞壁较薄甚至裸露，岩体风化呈土夹石状，左侧洞壁稍好。围岩易坍塌变形，处理不当会产生大坍塌，右上角地表可能出现塌陷。右壁处理不当易出现大坍塌，围岩类别综合定为Ⅱ类。建议：采用单壁导坑法或正台阶法施工或暗洞明做，开挖前必须进行超前支护处理，洞口和洞顶应采用长导管超前支护，洞壁采用深孔注浆阻水和抗偏压，确定开挖期间洞室的稳定，开挖后喷锚支护并衬砌。对于洞壁较薄段应考虑接明洞通过。

3.3.4K203+750～K203+779（左侧高边坡）

本段上部20米左右千枚状粉砂质板岩夹变余砂岩全强风化层及其残坡积土，岩体风化呈粉土状，且处于地下水出露带，地下水比较丰富，土体抗冲刷能力差。局部下部切入强、弱风化变余砂岩，呈碎裂结构，边坡岩体总体偏软且破碎。建议：边坡不陡于1：1，部分锚杆强支护，注意坡体及地表排水设置。考虑到进口段坡体稳定性差，建议接长明洞处理，确保运营安全。

4 .结语

4.1隧道处于山体斜坡处，地质构造相对复杂，洞身左侧埋深在22左右，右侧最大埋深在13米左右，隧道属于浅埋偏压型短隧道，设计和施工中应充分考虑这方面因素。

4.2隧道开挖爆应采用控制爆破（光面爆破或预裂爆破），尽量使围岩少受损伤，以免爆破过大，产生过量费方，影响施工进度，同时影响上部现有边坡的稳定。

4.3隧道围岩分类，是综合钻探、物探及地质调绘等成果确定，在隧道开挖过程中，若发现围岩类别划分不准确时应根据施工实际情况进行及时的调整。

4.4作为“新奥法”的重要组成部分，隧道施工必须进行施工监测。