基于多种勘察手段的隧道围岩工程特性研究

2024-01-08贾海鹏

城市勘测 2023年6期

贾海鹏

(深圳市勘察测绘院(集团)有限公司,广东深圳 518028)

0 引言

拟建隧道位于深圳市罗湖区罗芳村北侧,东西向横穿猫窝岭山,全长 317 m,隧道顶山体最高约 46 m。拟建隧道位于罗湖大断裂中,穿越两条断层,其中F1斜切隧道入口段,破碎带宽度0.5～5.0 m,F1325斜切隧道中后段,破碎带度宽十余米至数十米不等。构造带内岩石呈碎裂结构,地下水易沿破碎带出渗,隧道开挖时可能会发生严重的围岩稳定性问题。隧道地质条件复杂,建造难度大,如何保证施工期间隧道围岩的稳定性是隧道建设中面临的主要问题[1]。因此,有必要对隧道围岩的透水性和岩体基本质量等级进行客观、准确评价[2,3]。

围岩渗透系数可通过多种方法获得,如室内数值模拟[4,5]、渗透试验[6]及现场原位压水试验等[7,8]。岩石质量等级的评价方法是采用指标RQD,岩石基本质量的评价方法常采用的方法有国标(BQ)分级系统、RMR系统和Q系统等[9-11]。

本工程对隧道段布孔12个,编号为SD2、SD4、SD6、SD8、SD10和SD13～SD19。隧道钻孔在松散地层中钻孔深度宜进入隧道底板以下不小于1.5倍隧道高度,即钻至开挖底板以下 25 m,在微风化及中等风化岩石中钻孔深度应进入隧道底板以下0.5倍隧道高度,即钻至开挖底板以下不小于 8 m。选取SD2、SD4、SD6、SD8、SD10和SD13～SD18号钻孔进行层剪切波测试验,得到区域岩石和岩体的弹性横波波速。选取SD13和SD15号钻孔微风化围岩段进行压水试验,得到了围岩压强与流量曲线,进而计算得到渗透系数。通过工程钻探、工程物探及现场水文地质试验的多种勘察手段,采用RQD和BQ分级系统对隧道围岩的工程特性进行了相关分析。

1 工程特性研究方法

1.1 压水试验

本次压水试验在SD13和SD15号钻孔的微风化围岩段各进行了一段,试验长度为 5 m,均位于地下水位以下。压水试验装置示意图如图1所示。

图1 压水试验装置示意图

试验采用“五点法”,自上而下分段进行。对试验钻孔进行清空,完成试压试验后,进行正式压水试验。

试验压力采用0.3 MPa,0.6 MPa,1.0 MPa,0.6 MPa,0.3 MPa。第一次压力为 0.3 MPa(维持压力稳定)(第一阶段):在稳定压力下每2分钟记录一次压入流量Q。直至流量无持续增大趋势,且5次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于 1 L/min,即可结束本阶段试验,以最终值作为计算值。完成第一次压力试验后,将压力增大至 0.6 MPa(维持压力稳定)(第二阶段),重复上一次压力试验工作,在稳定压力下每2分钟记录一次压入流量,直至达到试验结束要求。第二次压力试验结束后增压至 1 MPa(维持压力稳定)(第三阶段),再记录压入流量,直至达到试验结束要求。第三次压力试验结束后减压至 0.6 MPa(第四阶段),重复上述工作,直至本阶段试验结束。最后减压至 0.3 MPa(第五阶段),记录压入流量,直至本阶段试验结束。至此,整段压水试验全部结束。试验过程中,采用MPM489压力传感器和K300(D40)流量传感器进行压力和流量的监测与记录。

1.2 岩石质量指标RQD

岩石质量指标RQD值是围岩级别高低(或岩体质量好坏)的综合反映。本工程对隧道段所有钻孔的中、微风化岩进行了RQD指标统计。

1.3 岩体基本质量指标BQ

本工程采用国标(BQ)分级系统对隧道围岩进行基本质量分级。岩体基本质量指标BQ的计算公式采用多参数法,以两个分级因素的定量指标:岩石单轴饱和抗压强度RC和岩体完整性系数KV为参数,根据大量工程实测数据采用逐步回归,逐步判别等方法建立起来的,属和差模型[11]。本次岩体纵波测试采用单孔超声波测井方法,使用的仪器为武汉岩海公司生产的RS-ST02C型岩土声波仪。除SD2和SD19号钻孔外,其余钻孔均进行了BQ指标统计。

2 结果与分析

2.1 围岩渗透性

压水试验的目的是了解与工程有关地段岩体的相对透水性,估算岩体的渗透系数,为设计和工程处理提供基本资料。

两段压水试验的P-Q曲线如图2所示。从图中可以看出,SD13号钻孔P-Q曲线类型为B型(紊流),SD15号钻孔P-Q曲线类型为A型(层流)[12]。

图2 SD13和SD15号钻孔P-Q曲线

两段岩体的透水率按式(1)进行计算[12]:

(1)

式中:q—试验段的透水率(Lu);

L—试验段长度(m),本试验取5 m;

Q3—第三阶段的计算流量(L/min);

P3—第三阶段的试验压力(MPa)。

当试验段位于地下水位以下,透水性较小(q<10Lu)、P-Q曲线为A型(层流)时,岩体渗透系数按式(2)进行计算[12]:

(2)

式中:k—岩体渗透系数(m/d);

Q—压入流量(m3/d);

H—试验水头(m);

r0—钻孔半径(m),本试验取0.045 m。

当试验段位于地下水位以下,透水性较小、P-Q曲线为B型(紊流)时,可用第一阶段的压力P1(换算成水头值,以m计)和流量Q1代入(2)式近似地计算渗透系数。

当试段位于地下水位以下,压力-流量(P-Q)曲线为扩张型(C型)、冲蚀型(D型)或充填型(E型)时,可取各级压力下最大的透水率,并用最大透水率对应的试验压力值和流量值按本规程公式(2)计算渗透系数。

根据《工程地质手册》压水试验章节中表9-3-15[12],岩体透水率、渗透系数及岩体评价结果如表1所示。

表1 压水试验结果

2.2 岩石质量分类

本工程所有钻孔RQD指标统计结果如表2所示。根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001及表中结果可得出,本工程隧道围岩质量等级为极差。

表2 钻孔RQD统计结果

2.3 岩体基本质量等级

根据《公路隧道设计细则》JTG/T D70-2020,围岩的基本质量指标应根据分级因素的定量指标RC值和KV值,按下式计算[13]:

BQ=90+3RC+250KV

(3)

(4)

式中:RC—岩石饱和单轴抗压强度(MPa);

KV—岩体完整性系数;

Vpm—评价区域岩体的弹性纵波波速(km/s);

Vpr—评价区域岩石的弹性纵波波速(km/s)。

按上式计算时,应符合下列限制条件:

(1)当RC>90KV+30时,应以RC=90KV+30和KV带入计算BQ值。

(2)当KV>0.04RC+0.4时,应以KV=0.04RC+0.4和RC代入计算BQ值。

计算结果如表3所示。根据《公路隧道设计细则》JTG/T D70-2020中关于公路隧道岩质围岩的基本质量分级原则和本隧道的埋深、工程地质及水文地质条件综合分析可得,隧道设计里程K0+187.5～K0+287.92和K0+459.01～K0+502.50段岩体基本质量等级为Ⅵ,K0+287.92～K0+459.01段岩体基本质量等级为Ⅴ。