某隧道工程地质条件特征及稳定性研究

王昭祥

(甘肃省地质矿产勘查开发局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020)

0 引 言

子洪1号隧道位于山西省祁县峪口乡下王庄村南侧约1 500 m处。隧道洞体净空(宽×高)为975 cm×500 cm。洞体轴线进口段为弧线形，轴向为169°；洞身段为直线型，轴向为180°；出口段为直线型，轴向为196°。左线洞体全长1 221 m，洞口底板设计高程987.95 m，隧道底板最大埋深161.346 m，该文通过工程地质调查及稳定性分析，为工程施工提供参考[1-4]。

1 区域地质环境

隧址区位于一级构造单元为燕山断块的吕梁—太行断块内，其所处的二级构造单元为沁水块坳，三级构造单元为普洞—来远北东东向褶断带。属侵蚀低中山区，山脊连续，山坡以陡坡为主，坡度介于30°～50°之间，局部为陡坎，多呈“V”字型。地层结构较复杂，由新至老依次为，第四系上更新统坡洪积物、三叠系中统二马营组沉积岩、三叠系下统和尚沟组沉积岩，岩性以砂岩、泥岩为主，岩层倾向北西，倾角4°～12°。

2 隧址区地质构造

隧址区附近有2条断层通过，断层明显错动，断裂带内岩体破碎，节理裂隙很发育，主要由断层角砾、碎石及碎裂岩组成，多呈角砾状、碎块状及碎裂状结构。其中，泥岩、砂岩，节理线密度约4条/m以上，平均间距0.20～0.30 m，Jv=22～30条/m3，可见延伸长度1～4 m，张开度1～5 mm，节理面粗糙，大部分无充填，局部泥质或岩屑充填，结合差，贯通性差。隧址区岩体节理裂隙较发育，岩体破碎，对本隧道围岩稳定性有一定影响。节理裂隙统计，详见表1。

表1 节理裂隙统计表Tab.1 List of joints

根据节理统计结果，绘制隧道节理走向玫瑰花图，见图1。其中，J1为主要发育节理，走向为北东东向，倾向为163°∠61°，岩性为泥岩、砂岩，节理线密度约6条/m，间距20～25 cm，结合差，节理贯通性一般，可见延伸长度2～6 m，张开度1～4 mm，节理面粗糙，多为泥质岩屑充填；J2为次一级发育节理，走向为北西西向，倾向为207°∠74°，岩性为泥岩、砂岩，节理线密度约5条/m，间距25～30 cm，结合一般—差，节理贯通性较好，可见延伸长度5～8 m，张开度1～2 mm，节理面粗糙，多为泥质岩屑充填。根据节理走向玫瑰花图辨别，J1组节理与隧道轴线走向均呈大角度相交，对隧道洞壁稳定性影响较小；J2组节理与隧道轴线走向均呈大角度相交，对隧道洞壁稳定性影响较小。岩体受结构面的切割，普遍破碎—较破碎，且岩层产状较平缓，对隧道拱顶围岩稳定性有较大影响。

图1 隧道节理走向玫瑰花图Fig.1 Rose chart of the tunnel’s joint strike

3 物探测试成果分析

综合分析物探测试成果，测线实测电阻率横向变化较大，电阻率范围值1～1 025 Ω·m，主要受断裂构造、岩性和岩体完整程度影响，此外可能还与岩体富水条件有关[1-3]，见图2。

图2 W4线EH4电阻率等值线色谱图Fig.2 EH4 resistivity contour of W4

测线ZK862+840～ZK863+023段，表现为相对低阻特征1～55 Ω·m，推测岩体较破碎或泥质岩为主。测线ZK863+023～ZK863+195段，表现为相对高阻特征100～400 Ω·m，推测岩体完整性相对较好或砂质岩为主。测线ZK863+195～ZK863+367段，其电阻率值主要集中于1～25 Ω·m，推测为WF4破碎带。测线ZK863+367～ZK863+550段，表现为相对低阻特征25～70 Ω·m，推测岩体较破碎或泥质岩为主。测线ZK863+550～ZK863+614段，表现为相对高阻特征70～150 Ω·m，推测岩体较完整或砂质岩为主。测线ZK863+614～ZK863+754段，电阻率值相对较低25～70 Ω·m，推测为F8断层影响带。测线ZK863+754～ZK863+904段，表现为相对高阻特征55～200 Ω·m，推测岩体完整性较差。测线ZK863+904～ZK864+130段，表现为相对高阻特征70～400 Ω·m，推测为F10、F11断层影响带，断层倾角约82°～85°。测线ZK864+130～ZK864+447段，表现为相对低阻特征1～55 Ω·m，推测岩体较破碎。

4 工程地质特征与评价

4.1 岩土物理力学性质

通过对中风化砂岩、中风化粉砂岩、中风化泥岩，进行岩石物理力学性质试验，统计结果。见表2。

表2 岩石物理力学性质结果统计表Tab.2 Physical mechanical properties of the rock

4.2 隧址工程地质层特征

该隧道围岩主要由三叠系下统二马营组砂岩、泥岩和三叠系下统和尚沟组砂岩、泥岩构成，仅在出口处分布少量第四系上更新统坡洪积粉质黏土，整体属岩质隧道。

砂岩，强—中风化，细粒结构，中厚层状构造，抗风化能力强，依据地层工程地质特性，强风化砂岩属软岩，岩体破碎，节理裂隙、层面等结构面发育，结合差，碎裂状—镶嵌碎裂状结构，围岩稳定性较差，成洞较为困难；中风化砂岩属较坚硬岩，受构造影响，岩体破碎—较破碎，节理裂隙、层面等结构面较发育，结合一般，镶嵌碎裂状结构，围岩稳定性较好，成洞较为容易。

泥岩，强—中风化，泥质结构，薄层状、中厚层状构造，抗风化能力弱，依据地层工程地质特性，强风化泥岩属软岩，岩体破碎，节理裂隙、层面等结构面发育，结合差，呈碎裂状—镶嵌碎裂状结构，围岩稳定性差，成洞困难；中风化泥岩属软岩，岩体较破碎—较完整，节理裂隙、层面等结构面较发育，结合一般，碎裂状—薄层状结构，围岩稳定性较差，成洞较为困难。

综上所述，该隧道围岩工程地质条件较复杂[3]。

4.3 场地稳定性评价

项目区地震活动相对较弱、破坏程度较轻。隧址区附近发育断层，断层第四系中更新统以来无明显活动迹象，非活动性断裂带。隧址区不存在泥石流、崩塌、滑坡、地面沉降、地裂缝等不良地质作用或地质灾害，对拟建场地稳定性影响较小。结合地震活动、地质构造、外动力地质现象及岩(土)体强度，综合分析认为，拟建场地稳定性较好，较适宜该隧道修建[1-4]。

5 隧道稳定性评价

5.1 隧道进口稳定性评价

隧道进口斜坡坡向40°左右，坡角35°左右，在自然条件下处于基本稳定状态。洞口仰坡、边坡及洞口段围岩均由砂岩、泥岩组成；砂岩、泥岩，强—中风化，岩体破碎—较破碎，岩层产状为357°∠4°，倾向与坡向之间夹角为43°，属较不利组合，边坡赤平投影分析见图3，岩层(C)倾向与边坡(P)坡向夹角为43°，为层状斜向结构，且其倾角小于坡脚，属于较不稳定结构[2]。开挖极易产生碎落、崩塌等不良地质现象[3]。

图3 隧道进口边坡赤平投影图Fig.3 Stereographic projection of the tunnel’s inlet slope

5.2 隧道出口稳定性评价

隧道出口斜坡坡向177°左右，坡角为41°左右，在自然条件下处于基本稳定状态。洞口仰坡、边坡及洞口段围岩均由粉质黏土、碎石、砂岩、泥岩组成。岩体破碎—较破碎，岩层产状为272°∠12°，倾向与坡向之间夹角为95°，属较有利组合，边坡赤平投影分析，见图4。岩层(C)倾向与边坡(P)坡向夹角为95°，为层状斜向结构，且其倾角小于坡角，属于较不稳定结构[4-5]。节理1(J1)倾向与边坡(P)坡向夹角为14°，为同向结构，属于不稳定结构。节理2(J2)倾向与边坡(P)坡向夹角为48°，为斜向结构，但其倾角大于坡角，属于较稳定结构[2]。

图4 隧道出口边坡赤平投影图Fig.4 Stereographic projection of the tunnel’s outlet slope

5.3 隧道洞身稳定性分析评价

(1)ZK862+955～ZK863+081段，围岩级别为Ⅴ。该段洞顶和侧墙岩性均以砂岩和泥岩为主。受构造影响，岩体破碎。地下水出水状态为淋雨状出水。围岩自稳能力差。

(2)ZK863+081～ZK863+670段，该段洞顶和侧墙岩性均以砂岩为主。地下水出水状态为点滴状出水，局部亦有可能产生淋雨状出水。因受构造影响，构造裂隙发育，岩体破碎。围岩自稳能力较差。

(3)ZK863+670～ZK863+850段，该段洞顶岩性以泥岩为主，侧墙岩性为泥岩和砂岩，综合评价该段隧道围岩级别为Ⅴ级。因受构造影响，构造裂隙发育，岩体破碎。地下水出水状态为淋雨状出水，局部可能突水、突泥。围岩自稳能力差。

(4)ZK863+850～ZK864+090段，该段洞顶岩性以砂岩为主，侧墙岩性为砂岩、泥岩，综合评价该段隧道围岩级别为Ⅳ级。地下水出水状态为点滴状出水。围岩自稳能力差。

(5)ZK864+090～ZK864+176段，该该段洞顶岩性以泥岩为主，侧墙岩性为泥岩和砂岩，综合评价该段隧道围岩级别为Ⅴ级。地下水出水状态为淋雨状出水。围岩自稳能力差。

5 结 语

(1)隧址区地貌单元属侵蚀低中山区，地层由粉质黏土、碎石、砂岩、泥岩、组成。隧址区场地稳定较好，较适宜该隧道修建。

(2)隧道进、出口边坡稳定性均差，施工开挖过程，极易产生碎落、崩塌等不良地质现象。需采用支护措施进行治理防护，以防止边坡坍塌。

(3)隧道洞体全长1 221 m，工程地质条件较复杂，其中Ⅴ级围岩长度392 m，占洞体围岩总量的32.1 %；Ⅳ级围岩长度829 m，占洞体围岩总量的67.9 %。围岩稳定性在较差—较好之间。