山区某隧道的岩土工程分析

罗 均 宇

(福建省121地质大队工程勘察院，福建 龙岩 364000)

1 概述

永定区虎岗镇龙溪村灌洋水库南侧的山地，隧道穿越山体，为单洞隧道。隧道净空(宽×高)为9.00×5.0，隧道长731.667 m，设计桩号K3+365.115～K4+096.792。隧道最大埋深约102.73 m，进口洞底标高645.85 m，出口洞底标高649.53 m，设计纵坡降为0.5%，设计时速为40 km/h。

2 场地工程地质特征

2.1 地形、地貌及地质构造

隧道区属低山地貌，进口处地面高程约648.12 m，出口处地面高程约为649.58 m，隧道轴线最高点高程为787.80 m，沿线地形呈波状起伏，山脊(顶)浑圆，进口侧山坡自然坡度约30°～35°，出口侧山坡自然坡度约40°～50°。

区域位于闽西南拗陷带西南部，大田—龙岩拗陷的南部，广平—龙岩复式向斜的南端，未见有活动性断裂构造发育。

根据中国地震动参数区划图(GB 18306—2015)福建省区划一览表，项目所在地区的抗震设防烈度为6度，设计地震分组第二组，设计地震加速度0.05g。

2.2 岩土层种类

①10含角砾粉质黏土：浅紫红、黄褐色,呈硬塑状，含30%的角砾,粒径约10 mm～100 mm,分布不均匀。

②11强风化粉砂岩：紫红、灰色,水平层理,中～厚层状,岩体呈散体～碎裂状结构,完整性差，为极软岩。

②21强风化细砂岩：浅灰色,水平层理中～厚层状,硅质胶结，岩体呈碎裂状结构,为软岩，完整性差。

②12中风化粉砂岩：紫红色、灰色,水平层理,岩体呈层状结构,为软岩，完整性较好，RQD(%)=50～60。

②22中风化细砂岩：浅灰色、水平层理，硅质胶结，岩体呈层状结构,为软岩，完整性较好，RQD(%)=40～60。

②13微风化粉砂岩：紫红色,水平层理,岩体完整性好,为较软岩，RQD(%)=60～80。

②23微风化细砂岩：灰白色,水平层理，硅质胶结，岩体完整性好,RQD(%)=50～80。

2.3 岩土层的设计计算指标

本场地通过室内土工试验、现场原位试验及当地工程经验见表1。

表1 岩土层设计参数推荐值

2.4 场地水文地质条件

1)地表水。

隧道区未见有地表水系经过，地表水总体较贫乏。

2)地下水。

地下水按埋藏条件及赋存介质不同分为：①基岩风化裂隙型潜水和②基岩裂隙承压水。

①基岩风化裂隙潜水赋存于强风化岩层的网状裂隙中。隧道区岩性为泥盆系桃子坑组细砂岩、粉砂岩，裂隙发育，富水性较好、导水性强，含水层厚度较大。接受大气降水的补给，顺坡向径流，在坡脚低洼处排泄，含水量较小，对隧道围岩及开挖影响相对较大。

②基岩裂隙水：受地质构造的控制，接受大气降水的补给和基岩风化裂隙水的补给，向山体附近的沟谷中排泄，具有承压性，隧址区内裂隙密集带较不发育，为泥质充填，且宽度较小，两侧岩体大多为完整、坚硬，富水性一般。

地下水水位埋深31.20 m～35.00 m，标高673.20 m～700.40 m，位于隧道路面以上，水量较小。

2.5 不良地质作用和特殊性岩土特征

隧道场址区自然山坡坡体基本稳定，未发现大规模的滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象。场地分布岩层为非可溶岩，不存在岩溶问题，场地内未发现有矿产分布，未发现有采空区。未发现特殊性岩土。

3 隧道工程地质评价

3.1 隧道洞口工程地质评价

隧道进口段自然山坡坡度30°～35°，围岩为薄层坡积含角砾粉质粘土及厚层强风化粉砂岩,坡体现状整体稳定。隧道开挖后形成边坡高约9.0 m～11.0 m，坡体主要为薄层含角砾粉质粘土及强风化岩，结构较松散，开挖后稳定性较差；隧道出口侧自然山坡坡度约40°～50°，洞口围岩为强～中风化细砂岩，坡体现状整体稳定。

3.2 洞身工程地质评价和围岩分类

3.2.1洞身工程地质评价

根据地质调绘及钻探结果，隧道进口K3+365.115～K3+425.50围岩为：强风化粉砂岩，为极软岩，岩体破碎，围岩的级别为Ⅴ级；K3+425.50～K3+572.73围岩为：中风化细砂岩，为较硬岩，岩体较完整，围岩的级别为Ⅲ级；K3+572.73～K4+025.30围岩为：微风化细砂岩，为较硬岩，岩体完整，围岩的级别为Ⅱ级；K4+025.30～K4+041.34围岩为：微风化粉砂岩，为较硬岩，岩体较完整，围岩的级别为Ⅲ级；K4+041.34～K4+083.39围岩为：微风化细砂岩，为较硬岩，岩体较完整，围岩的级别为Ⅲ级；K4+083.39～隧道出口K4+096.792围岩为：为强风化细砂岩，为软岩，岩体破碎，围岩的级别为Ⅳ级。

3.2.2围岩基本质量分级

按照岩石坚硬程度(Rc)及岩体的完整性(Kv)，结合地下水、裂隙、围岩应力状态等对围岩的影响，根据JTG D70—2004公路隧道设计规范公式(1)，公式(2)计算隧道围岩体基本质量指标[BQ]，按照JTG D70—2004公路隧道设计规范表3.6.5进行隧道围岩的分级，结合岩石坚硬程度(Rc)、岩体的完整性(RQD、Kv等)进行对比验证。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

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

(2)

其中，BQ为围岩体基本质量指标；[BQ]为修正后围岩体基本质量指标；Rc为岩石饱和单轴抗压强度;Kv为岩体完整性系数;K1为地下水影响修正系数;K2为主要软弱结构面产状影响修正系数;K3为初始应力状态影响修正系数。

隧道围岩分级和围岩物理指标如表2，表3所示。

3.3 隧道地应力评价

拟建隧道最大埋深约238.80 m，洞身围岩为微风化细砂岩，为硬岩，节理较～不发育，经分析，该隧道为低地应力区，隧道开挖发生岩爆的可能性较小。

3.4 隧道涌水量分析

隧道区地下水主要为风化基岩中网状裂隙～孔隙水，以及基岩构造裂隙水。根据TB 10049—2004/J 339—2004铁路工程水文地质勘察规程，按隧道汇水面积范围内降水的入渗率，估算隧道涌水量。

表2 围岩物理力学指标标准值表

表3 各级围岩所占比例表

1)降水入渗法。

现取汇水长度(隧道长度)731.68 m，宽度1 000 m，当地年均降雨量为1 940.50 mm，入渗系数取0.18，按TB 10049—2004/J 339—2004铁路工程水文地质勘察规程附录B.1.2条，采用降水入渗法初步估算隧道的涌水量如下：

降水入渗法公式：Qs=2.74×a×W×A。

其中，Qs为隧道正常涌水量，m3/d；2.74为换算系数；a为降水入渗系数：取0.18；W为多年年均降水量，本测区取1 940.50 mm；A为隧道集水面积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铁路工程水文地质勘察规程附录B.2.1条谷德曼公式和佐藤邦明经验式。

最大涌水量：Q0=q0×L；

q0=2πKH÷ln(4H÷d)。

其中，Q0为隧道最大涌水量;L为隧道计算长度;K为含水层渗透系数(计算及经验值);H为含水层中静止水位至隧道等价圆中心的距离,m;d为隧道洞身断面的等价圆直径,m;qs为隧道单位长度经常涌水量，m3/(d·m)；B为隧道通过含水层中长度，m；R为隧道排水影响宽度，m。

根据野外钻孔注水试验成果，碎块状强风化岩通过地段的渗透系数为K=1.11 m/d。根据上述公式对隧道进行分段计算得出：隧道最大涌水量为34 269.88 m3/d，正常涌水量为1 481.92 m3/d。

4 场地环境地质评价

拟建隧道位于永定区虎岗镇龙溪村灌洋水库南侧的山地，隧道穿越山体，为单洞隧道，进口位于永定县灌阳农业有限公司东北侧的坡地，出口位于灌洋水库大坝的南侧坡地，隧道附近无人居住，施工开挖期间该区域地下水可能下降，对农作物局部可能造成一些影响，但施工后影响不大，造成次生地质灾害。

隧道施工应在隧道进出口附近山沟各设弃碴场堆放弃碴，并做好弃碴的拦护坝，以免破坏生态环境，造成水土流失或碴体溜坍。

5 结语

1)隧址区构造运动不强烈，未见影响场地稳定的活动性断裂，未见滑坡、崩塌、泥石流、采空区、地下洞穴等不良地质作用。

2)场区地震基本烈度为6度；工程场地50年超越概率10%的平均土质条件下峰值加速度为0.05g，设计地震第二组，属中硬场地土，场地类别为Ⅱ类场地，地震动反应谱特征周期值为0.40 s。

3)隧道位于当地侵蚀基准面之上，山坡坡体较陡，未见有地表水系经过。本隧道围岩为弱透水层，该隧道单洞正常涌水量为1 500 m3/d。

4)隧道进出洞口处仰坡和两侧开挖边坡稳定性较差，建议采用安全坡率放坡开挖，并加强坡面防护措施。

5)隧道洞身及进口围岩级别为Ⅳ级～Ⅴ级，出口段围岩级别均为Ⅱ级～Ⅲ级。

6)拟建隧道最大埋深约238.80 m，深部围岩为微风化细砂岩，为低地应力区，隧道开挖发生岩爆的可能性较小。

7)隧道施工对坡地上植被及农作物局部有影响，应合理设置弃渣堆放点，应妥善处理弃渣，以免产生次生地质灾害，隧道施工期间对周围环境有一定影响，应做好防治工作。