陳 楓, 陳 明, 潘曉君, 劉 儀

(1.臺(tái)州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江 臺(tái)州 318000; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

隧道洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)研究,不僅是隧道及洞口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),更是施工的安全依據(jù),它決定了隧道的支護(hù)方法和開挖方式[1-2]。關(guān)于洞口圍巖工程地質(zhì)安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià),國內(nèi)外學(xué)者已建立一套較為成熟的理論體系,但由于巖土體的穩(wěn)定性影響因素不同,其各因素權(quán)重也有所差異,評(píng)價(jià)方法體系的建立以及評(píng)價(jià)結(jié)果的篩選和分析都需要根據(jù)具體情況來做出有針對(duì)性的研究[3-4]。因此正確合理地評(píng)價(jià)洞口工程的地質(zhì)安全,對(duì)隧道設(shè)計(jì)與施工的合理性及其運(yùn)營的安全性都起到十分重要的作用。

由于隧址區(qū)尚未開始大型工程施工,對(duì)于隧道施工缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù),不足以支撐隧道的施工設(shè)計(jì),因此對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)尤為重要。結(jié)合圍巖質(zhì)量分級(jí)和極射赤平投影圖解法,重點(diǎn)從洞口坡面穩(wěn)定性和開挖危險(xiǎn)性來展開分析,提出隧址區(qū)洞口工程地質(zhì)的安全建議與措施。

1 赤平投影理論

赤平投影是常見的研究隧道洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)的圖解方法,它主要用來表示線與面的方位關(guān)系,結(jié)構(gòu)面之間的間距關(guān)系和結(jié)構(gòu)面的運(yùn)動(dòng)軌跡,把結(jié)構(gòu)面在三維空間的幾何要素(線和面)的關(guān)系反映在投影平面上,從而對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行直觀的研究和處理。它將整個(gè)圓周分為360份,每一份為1°,從而表示結(jié)構(gòu)面的傾向,然后每一方格為2°,來畫出結(jié)構(gòu)面的傾角,從而將結(jié)構(gòu)面直觀地投影到圓上,進(jìn)而分析各結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系。它是一種形象而且綜合性強(qiáng)的定量圖解法,簡單方便、直觀的計(jì)算方法使其廣泛應(yīng)用于地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域之中[5]。運(yùn)用該方法可以快速分析隧道洞口邊坡與巖層的穩(wěn)定性關(guān)系、節(jié)理裂隙與隧道硐室開挖面的穩(wěn)定性關(guān)系,從而對(duì)隧道洞口進(jìn)行工程地質(zhì)的安全評(píng)價(jià)研究。

2 隧道洞口工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道地處浙江東南沿海丘陵區(qū),位于丘陵孤丘,周邊最高點(diǎn)標(biāo)高144.0 m,地表地形標(biāo)高一般9～144 m,坡度一般15°～30°,局部陡坡50°以上。第四紀(jì)覆蓋層厚度1～10 m不等,南側(cè)相對(duì)較厚。隧道沿線邊坡可以見到多處的滑塌、崩塌及碎落現(xiàn)象(見圖1)。坡頂一帶覆蓋層稍薄,局部基巖裸露。

2.2 氣候條件

隧址區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候,氣候溫和,雨量充沛,日照充足,年日照時(shí)數(shù)1 950 h以上、平均氣溫為16.6～17.5 ℃,極端最低氣溫-6.8 ℃,最高氣溫41.7 ℃,年平均降雨量為1 689.2 mm,多年平均徑流量1 013.5 mm。降水集中在4—6月梅雨期和7—10月臺(tái)汛期。全年降水分布極不均勻,3—10月份的降雨約占全年的80%。

圖1 土質(zhì)滑坡Fig.1 Soil landslide

2.3 地層巖性

隧址區(qū)地層主要為侏羅紀(jì)西山頭組(J3x)。巖性以青灰、紫紅色晶屑、玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主,巖質(zhì)較硬,巖體較破碎,廣泛分布于本項(xiàng)目山體斜坡區(qū)段和平原區(qū)下部。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

調(diào)查區(qū)內(nèi)層理不明顯,無皺褶,主要為節(jié)理、斷層,節(jié)理普遍發(fā)育,由于區(qū)內(nèi)露頭不明顯,受風(fēng)化裂隙影響,區(qū)域的規(guī)律不明顯。

樓山隧道洞口附近發(fā)現(xiàn)一條斷層,走向355°左右,向東傾,露頭傾角55°左右,斷層帶寬1～2 m。在隧道洞身上部,在爆破等外力震動(dòng)下,結(jié)構(gòu)面易松弛,圍巖易產(chǎn)生小規(guī)模的坍塌。

根據(jù)初勘調(diào)查的統(tǒng)計(jì)節(jié)理,坑道區(qū)節(jié)理玫瑰花走向見圖2,以北東、北北西、北北東、北西向四個(gè)方向?yàn)橹?與區(qū)域構(gòu)造走向一致。主要節(jié)理、裂隙特征見表1。

圖2 節(jié)理裂隙玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of joint

表1 節(jié)理裂隙特征表Table 1 Characteristics of joint fracture

3 隧道洞口工程概況及圍巖質(zhì)量分級(jí)

3.1 工程概況

樓山隧道為分離式隧道,是通過對(duì)既有雙向四車道隧道原位擴(kuò)建為雙向八車道隧道。既有隧道左線實(shí)際長度530.5 m,右線實(shí)際長度509.6 m,隧道凈斷面為10.25 m×5 m,隧道兩幅最小間距29～35 m。改擴(kuò)建后的樓山隧道右線全長487 m,左線全長508 m,隧道凈斷面為17.25 m×5 m,隧道兩幅最小間距25～31 m,洞口縱斷面放大圖見圖3。

隧址區(qū)與G104國道基本平行,貫通整個(gè)全線,距離線路較近,隧道洞口現(xiàn)場照片見圖4。

3.2 洞口圍巖質(zhì)量分級(jí)

首先根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度以及巖體完整程度的兩個(gè)基本因素的定性特征和定量巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ,綜合進(jìn)行初步分級(jí)。然后在巖體基本質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上考慮修正因素的影響,按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ],結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判,確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)。

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ見公式(1)。

圖3 隧道洞口縱斷面放大圖Fig.3 Enlargement profile of tunnel entrance1.含角礫粉質(zhì)粘土;2.含粘性土碎石;3.全風(fēng)化凝灰?guī)r;4.強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r;5.中風(fēng)化凝灰?guī)r;6.微風(fēng)化凝灰?guī)r;7.第四紀(jì)殘坡積物;8.凝灰?guī)r;9.斷層帶。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中:Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度;Kv為完整性系數(shù)[7],利用超聲波測試成果計(jì)算,見公式(2)。

(2)

式中:vp為縱波波速;vc為橫波波速。

圖4 隧道洞口現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Status of tunnel entrance

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]見公式(3)。

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

(3)

式中:K1、K2、K3分別為地下水影響、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響和初始應(yīng)力狀態(tài)影響的修正系數(shù)。修正系數(shù)取值參訂《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70/2—2014)。

計(jì)算得出[BQ]<250,巖體破碎,自穩(wěn)性差,隧道洞口為Ⅴ級(jí)圍巖。洞口地形易匯水,原隧道已有排水措施,一般不會(huì)有大量涌水,處理不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模坍塌,洞身附近易塌至地表。

4 隧道洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)

通過分析圍巖的地質(zhì)條件現(xiàn)狀,圍巖質(zhì)量分級(jí)計(jì)算結(jié)果表明,這些安全隱患重點(diǎn)區(qū)域主要分布在在隧道洞口和斷層破碎帶。采用赤平投影圖解法對(duì)樓山隧道洞口工程地質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)分析[6-7]。

4.1 洞口坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

隧道洞口斜坡坡度40°～50°,坡向約35°。洞頂圍巖主要位于中風(fēng)化凝灰?guī)r中,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體呈破碎、碎裂結(jié)構(gòu),洞口巖層產(chǎn)狀240°∠68°,主要節(jié)理裂隙J1:100°∠60°、J2:155°∠18°。隧道洞口各坡面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系的赤平面投影見圖5。

圖5 洞口坡面穩(wěn)定性赤平面投影Fig.5 Stereographic projection of slope face

由圖5可知,樓山隧道洞口仰坡的坡向與巖層的傾向呈現(xiàn)反向相交,對(duì)隧道洞口的邊坡穩(wěn)定性有利;節(jié)理J1、J2組合沿巖層切割形成的楔形體的傾向與仰坡的坡向呈大角度相交,對(duì)隧道洞口仰坡的穩(wěn)定性影響不大。隧道洞口左、右兩側(cè)邊坡的坡向與巖層的傾向呈大角度相交,對(duì)隧道洞口的邊坡穩(wěn)定性較為有利。

總體上,樓山隧道一端洞口的仰坡面和左側(cè)邊坡均屬于穩(wěn)定型結(jié)構(gòu),坡體穩(wěn)定性較好,坡面穩(wěn)定性較差。隧道入口段施工需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施,避免碎石和塊石層產(chǎn)生沿巖土界面的滑動(dòng)。

4.2 開挖危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)過野外勘察所獲得洞口圍巖節(jié)理裂隙的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和洞口邊坡、洞口圍巖產(chǎn)狀測量,隧道開挖面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系的赤平面投影見圖6。

圖6 開挖面穩(wěn)定性赤平面投影Fig.6 Stereographic projection of excavation face

由圖6可知,隧道軸線方向?yàn)?1°,節(jié)理裂隙J1:100°∠60°,節(jié)理裂隙J2:155°∠18°,隧道開挖面與節(jié)理裂隙J1相交角度>50°,與節(jié)理裂隙J2相交角度接近80°。這個(gè)部位容易被結(jié)構(gòu)面切割,從而形成不穩(wěn)定的楔形塊體滑出,在實(shí)際工程中存在一定的安全隱患。應(yīng)及時(shí)做好圍巖支護(hù)工作,以預(yù)防J1、J2這兩組粗糙閉合的節(jié)理面不斷發(fā)育,造成頂部巖塊進(jìn)一步的滑移、塌落等災(zāi)害。在天然應(yīng)力作用下,圍巖不斷受到擠壓,隧道內(nèi)壁兩側(cè)會(huì)發(fā)育形成不連續(xù)的卸荷節(jié)理,進(jìn)而發(fā)生圍巖松弛帶持續(xù)失穩(wěn),且隧道洞口圍巖質(zhì)量分級(jí)為Ⅴ級(jí),圍巖穩(wěn)定性較差,為確保隧道穩(wěn)定及施工安全,需盡快進(jìn)行隧道襯砌。

5 隧道洞口工程地質(zhì)安全防護(hù)措施

5.1 洞口坡面防護(hù)措施

對(duì)隧道洞口臨時(shí)邊仰坡較高的洞口,增加噴、錨、掛網(wǎng)等臨時(shí)支護(hù)措施,保證施工過程中邊仰坡的穩(wěn)定。對(duì)于洞口一帶的覆蓋層,采用鋼拱支護(hù)開挖。對(duì)進(jìn)洞后可能遇到由不利結(jié)構(gòu)面及其組合引起的小范圍塌方及掉塊問題,建議采用超前支護(hù)、噴、錨、掛網(wǎng)等支護(hù)措施。洞室進(jìn)洞口附近多分布墓穴,施工前應(yīng)先清除。

圖7 邊坡臨時(shí)防護(hù)示意圖Fig.7 Temporary protection of slope

為便于邊仰坡坡面的一次開挖成型,減少刷坡量,開挖出一個(gè)臺(tái)階后進(jìn)行坡面測量,從而確保邊坡順直,為邊坡防護(hù)工程創(chuàng)造條件。洞口邊仰坡防護(hù)見圖7。

5.2 硐室開挖防護(hù)措施

邊仰坡采用機(jī)械分層開挖,人工配合機(jī)械刷坡,自上而下分臺(tái)階進(jìn)行,必須邊開挖邊支護(hù)。采用信息法施工,做好施工地質(zhì)工作,及隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與監(jiān)測工作,通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋、及時(shí)修正。

場地地質(zhì)條件變化大,所提供工程地質(zhì)縱斷面圖等,主要根據(jù)地面測繪及部分鉆孔揭露推測而得,實(shí)際地層巖性、厚度及風(fēng)化分層界線會(huì)有一定變化,建議動(dòng)態(tài)施工,加強(qiáng)施工地質(zhì)工作和監(jiān)測工作,根據(jù)開挖揭示地層,及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。

6 結(jié)語

(1) 樓山隧道洞口外圍局部地區(qū)存在不同程度的工程地質(zhì)安全隱患,洞口邊坡及圍巖均處于不穩(wěn)定狀態(tài),存在的安全隱患較多,需及時(shí)防護(hù)。

(2) 圍巖質(zhì)量分級(jí)結(jié)果表明,樓山隧道洞口為Ⅴ級(jí)圍巖,屬于軟弱巖,巖體的破碎程度較高,如果對(duì)圍巖進(jìn)行直接開挖,會(huì)造成大量不穩(wěn)定的巖石塊體滑落。

(3) 圖解法屬于局部塊體穩(wěn)定性分析,運(yùn)用赤平投影圖解法能完善隧址區(qū)工程地質(zhì)資料,簡潔明了地反應(yīng)出洞口圍巖各巖層、結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系。

(4) 樓山隧道洞口節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性差,隧道洞口邊坡建議采用邊開挖邊支護(hù)的方式及時(shí)防護(hù);而對(duì)于隧道開挖,建議采用“管棚法超前支護(hù)+臺(tái)階分部法”施工。