某隧洞主要工程地质问题分析与评价

徐庆功

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司, 沈阳 110006)

1 工程概况

某隧洞工程位于辽宁省朝阳市朝阳县境内,总长度约28.4km,采用圆拱直墙式无压隧洞,洞宽2.53m,洞高3.35m,直墙高2.15m,圆拱中心角180°。洞室一般埋深150～200m,最大埋深300m。

2 地形地貌

隧洞大部分为构造剥蚀地形——缓隆起剥蚀低山——浑圆状低山区。地面高程一般在150～400m,最大高程约410m,地表植被较发育～不发育,基岩埋深较浅,山顶一般直接裸露,表层多为残积物掩盖,一般层厚1～2m。

3 地层岩性

线路穿越地层岩性主要为:中生界地层、新生界地层。中生界地层:侏罗系中统髫髻山组(J2t)、侏罗系上统张家口组(J3z)、白垩系下统义县组(K1y),新生界地层:第四系更新统(Qp3m)和全新统(Qh1pal)。

3.1 侏罗系中统髫髻山组(J2t)

主要分布在本区的西南,隧洞中后部大部分地区,隧洞前段也有揭露。以安山岩、玄武岩等中基性熔岩及少量火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩组成。

3.2 侏罗系上统张家口组(J3z)

主要分布在隧洞前部,岩性有石英粗面岩、安山质角砾岩、石英安山玢岩、流纹质火山角砾岩,火山集块角砾岩、复成分砾岩,含砾凝灰质岩屑砂岩等。

3.3 白垩系下统义县组(K1y)

分布在本区东北部和北部,隧洞中前部,底部与髫髻山组(J2t)角度不整合接触,岩性特征为中基性火山熔岩夹火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩。

3.4 第四系更新统(Qp3m)

分布于七道岭乡二良图沟苏家营子巴图营子河右岸和隧洞出口处,岩性主要为坡洪积砂砾石、亚砂土。多呈密实状,位于Ⅱ级基座阶地表层。

3.5 第四系全新统(Qh1pal)

分布于巴图营子河河谷。主要岩性为砂、砾石、卵石等,砂层中多发育交错层理构造,为河流冲洪积产物。多形成河漫滩及一级阶地。

4 地质构造

本区属华北古陆东北部,晚古生代——中生代侏罗纪末处于兴蒙复合造山区的前峰带(原内蒙地轴)和前陆盆地,北临西蒙造山带。中生代白垩纪以来被环太平洋构造带所叠加,区内构造复杂。晚侏罗纪张家口组比较特殊,它堆积于金岭寺——羊山盆地隆起带或断裂带上。

工程区以燕山期构造为主,其特点为褶皱构造作用较弱,多形成平坦开阔的背向斜和单斜,断裂构造极为发育,并以逆断层为主,规模较大,它们多集中于构造盆地边缘,控制着各期火山岩的分布。

4.1 断裂构造

根据现场实测及1∶5万遥感解译,主要有两条较大断裂:沈家台——新立屯断裂(F6)、上园——金岭寺断裂(F4),本区断裂构造发育。

4.2 层理构造

侏罗系、白垩系沉积的凝灰质砂砾岩、复成分砾岩多呈厚层～巨厚层状,层理面并不明显。

层理(沉积韵律)构造对洞室稳定有一定的影响,但由于其多闭合,为隐蔽层理,不构成软弱结构面,对洞室稳定性影响有限,主要反映在对岩石强度各向异性影响上。

5 水文地质条件

5.1 地下水类型

洞线地下水类型主要为:松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水。松散岩类孔隙潜水赋水性强,渗透性强,多为洞室浅埋河谷段,特别在砂卵砾石层地区,洞室开挖过程中易发生涌突水,影响洞室稳定及施工。基岩裂隙的赋水性较差,地下水活动微弱。局部穿越断层部位构造裂隙水,有较好的赋水条件,且渗透性较好,易产生突水、涌水,从而影响洞室稳定。

工程区主要受大气降水及地表水的补给。丰水期大气降水通过地表径流等方式沿裂隙和孔隙通道直接或间接补给地下水,地表水受大气降水补给后以短历时补给地下水;枯水期地表水受两岸地下水的补给。地下水主要以浅循环形式,通过径流方式,沿水力通道(基岩裂隙和松散岩孔隙)与大气降水及地表水发生水力联系,局部在断层破碎带以深循环形式存在。

5.2 地下水腐蚀性

通过沿线钻孔取样进行室内试验,地下水对混凝土结构具弱腐蚀,对混凝土结构中的钢筋均具有弱腐蚀性,对钢结构均具有微腐蚀性。

6 洞室围岩工程特性

6.1 岩石物理力学性质

洞室部位除中生代沉积的复成分砾岩、砾岩、砂岩、页岩以及各洞室内进出口部位的全强风化岩(属软岩～极软岩)外,大部分洞室部位的弱风化～新鲜岩石均为中硬岩～坚硬岩。局部泥质岩石具有一定的膨胀、崩解特性,紫红色凝灰岩崩解性较强[1]。

6.2 洞室围岩完整性

影响洞室围岩完整性的因素主要有:地形地貌、岩石结构和地质构造。地形地貌上进出口部位多面临空、河谷两侧临空造成岩体卸荷裂隙较发育;沟谷浅埋部位,为强风化岩;呈薄层状的页岩、砂岩;处于断裂破碎带等是造成岩体呈破碎～完整性差的主要原因,而洞室埋藏深、构造不发育、岩体呈块状、中厚层～巨厚层状则是本区洞室围岩处于较完整～完整状态的主要条件[2]。

工程区钻孔揭露的构造不发育段岩体多为完整～较完整。

6.3 洞室围岩透水性

洞室部位岩体风化较弱或为新鲜岩,弱～微透水。通过钻孔压水实验分析:围岩透水性总体均不大,一般在1～4Lu之间。主要是因为岩体结构面不发育,且含泥质岩和岩浆岩居多。

7 主要工程地质问题分析

7.1 隧洞进出口边坡稳定

隧洞进出口处为弱风化岩浆岩,呈块状～巨块状,进口处基岩裸露,陡直,自然坡高不大,一般不超过15m。长期以来在坡脚处均未发现崩塌及滑移体,自然边坡均较稳定。边坡开挖过程中应根据岩体风化情况及开挖高度适当放坡,并采取一定护坡措施。

7.2 洞室围岩稳定

大部分洞室可根据围岩类别正常施工,部分洞段存在一些特殊类型的洞室围岩稳定问题,需进行专门研究和处理。

过沟、浅埋段洞室围岩的稳定性较为复杂,建议设计对洞室施工期的临时支护措施进行专门研究。

穿越断层及影响带、角度不整合接触带岩石强度低,岩体破碎,软弱结构面发育,透水性强,且往往富含地下水,导致塌方失稳变形瞬间发生。建议设计和施工根据实际情况采取专门超前支护措施和适当支护措施。

断层影响带以外岩体多完整性差～较完整,岩性主要为安山质火山角砾集块熔岩、蚀变安山岩及少量凝灰岩,弱风化,局部微风化,为较软岩～中硬岩,以渗滴水～线流为主,围岩局部稳定性差,应加强支护。

在洞室开挖过程中遇到软质岩段可能出现层板状连续塌落现象,同时在洞室埋深较深部位会出现围岩变形过大的问题。洞室开挖遇到上述岩石应及时支护,并封闭仰拱,同时设计应预先考虑围岩变形过大的问题[3]。

隧洞穿越白垩系、侏罗系部分凝灰质、凝灰质胶结火山角砾岩、砂砾岩等多具有膨胀、崩解特性。岩矿分析试验表明,凝灰岩中具膨胀特性的蒙脱石含量在30%～44%之间。从该膨胀岩的特性推测,洞室在开挖至此岩体段时,由于岩石强度低,且地下水和卸荷作用,一般会发生崩解致使洞室发生崩塌破坏。在前期支护和后期运行期间膨胀岩体会发生洞室岩体变形而对衬砌产生一定的膨胀压力。建议设计对开挖洞径预留变形,施工过程中应及时进行支护,注意监测地下水的情况,同时严格控制施工用水。

7.3 隧洞涌水

由于本隧洞埋深大,围岩多为微～若透水,采用裘布依理论式、地下水径流模数法进行正常隧洞涌水量预测。整体正常涌水量为2582m3/d,近似得出单位长度隧洞正常涌水量为0.04m3/d·m,说明地下水流量较小。

隧洞穿越地形为低山区,地下水弱发育,围岩多处于弱～新鲜岩之中,节理裂隙弱发育,主要为基岩裂隙水,岩体透水性较差,以面状滴水或线流为主,施工中注意做好防排水措施[4]。

7.4 隧洞外水压力

本工程岩层呈弱透水～微透水,且随深度增加有变弱趋势,因此随埋深增大洞室外水压力一般不大。

按《水利水电工程地质勘察规范》根据岩土体渗透性等级初步确定外水压力折减系数βe值,由于正常岩体透水率均较小,外水压力折减系数建议采取0.2～0.4。断层、出口部位外水压力折减系数βe可按0.8～0.9考虑。

7.5 地应力

根据本工程地应力的实际分布情况,初始应力自重应力略小于垂直向应力。地应力估算按σm=1.2σv,通过估算最大水平主应力σm<12 MPa。岩石单轴饱和抗压强度Rb一般在30～100 MPa,估算岩石强度应力比Rb/σm一般>4,属中等偏低地应力量级[5]。

当岩体同时满足高地应力、硬脆、较完整～完整、无地下水,则判定为岩爆。本工程洞室埋深最大为300m左右,地应力中等偏低,岩石一般不属于硬脆岩,根据岩爆的判别条件,一般不会发生岩爆[6]。

7.6 隧洞围岩分类

按岩组(岩性)进行洞室段分组,在岩组(岩性)段内按照《水利水电工程地质勘察规范》,通过岩石强度、完整性、结构面状态、地下水、主要结构面产状5大方面进行总评分,以评价围岩稳定性,通过围岩强度应力比对洞室围岩评分进行修正,得到最终的围岩类别[7]。

经统计各类围岩所占比例约为Ⅲ类81.2%(23098m)、Ⅳ类12.8%(3633m),Ⅴ类6.0%(1708m)。

7.7 有毒有害气体等

洞线附近地表无温泉,在钻孔中未发现地温异常,表明本区地温正常。工程区矿产资料表明,洞线附近无硫铁矿层、煤层、沥青油页岩等矿产富集地层,无有毒有害气体来源,即使存在浓度也较小,对施工影响较轻微[8]。

8 结论与建议

通过对隧洞工程地质条件进行分析,对主要工程地质问题进行评价:

1)隧洞进出口段应适当放坡,并采取防护措施;隧洞大部分洞室可根据围岩类别正常施工;过沟、浅埋段建议对支护措施进行专门研究;穿越断层及影响带等建议采取适当支护措施;建议膨胀岩段预留变形,并严格控制地下水;

2)由于本隧洞埋深较大,洞室部位地下水发育均较差,大部分洞段开挖以滴水或线流为主,施工中注意做好防排水措施;洞室随埋深增大外水压力一般不大;

3)根据本工程地应力分布的实际情况,初始应力的垂直向应力略大于自重应力。地应力中等偏低,一般不会发生岩爆;本区地温正常,无有毒有害气体来源;经统计本工程各类围岩以Ⅲ类、Ⅳ类为主。

4)本隧洞工程地质条件复杂,现有勘察工作难以完全满足施工精度,建议施工阶段根据洞室开挖地质情况及时调整围岩类别及支护参数。