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隧道工程地质条件浅探

隧道工程地质条件浅探

摘要:毛垭山隧道位于甘肃康县城关镇左家庄村,终点位于康县云台镇大院村。按连体单洞设计,属长隧道,洞体净空(宽×高)为1025×500cm,洞体全长3175m,洞体最大埋深586.90m。该隧道工程地质条件复杂,共穿过3条断层,根据资料显示,3条断层属于晚更新世-全新世活动性断层,对隧道围岩有较大影响。通过对现场地质调绘、钻探、物探的成果研究,本文对隧道的工程地质条件进行了初步分析,提供隧道工程地质评价及结论。

关键词:断层;地应力;围岩级别

0引言

地质勘察是设计的基础和依据,尤其是地质条件复杂的山区,勘察越是细致,对后期项目的设计、施工影响越小。毛垭山隧道位于康县城关镇左家庄村,终点位于康县云台镇大院村。按连体单洞设计,属长隧道,洞体净空(宽×高)为1025×500cm,洞体全长3175m,洞体最大埋深586.9m。该隧道工程地质条件复杂,共穿过3条活动性断层,对隧道围岩有较大影响。现场通过地质调绘、钻探、物探等方法对该隧道进行了地质勘察工作。

1地形地貌

隧址区地貌单元属构造剥蚀低中山区,毛垭山隧道横穿基岩山梁,隧道穿越段地形切割强烈,起伏变化大,地势洞身中部高,西北、东南两端洞口低,地表最低海拔高程1209.50m,最高海拔高程1846.00m,相对高差636.5m。

2地层结构

隧址区地层结构较复杂,具体分布情况如下。(1)粉质黏土:浅棕黄色,土质不均,含大量砾石及碎石,呈硬塑状态,该套地层主要分布于隧址区洞身段顶部,厚约3~5m,对拟建隧道围岩无影响。(2)断层角砾:主要为断层破碎带物质,原岩为黑云母千枚岩,夹碎石及断层泥,松散~碎裂状结构断层;部分破碎带原岩为灰岩,岩体破碎,结构面发育,结合差,碎裂状结构。(3)灰岩:青灰色~灰白色,强风化层厚约5~10m,余为中风化。岩体较完整~较破碎,结构面较发育,结合一般,镶嵌碎裂状结构,岩层产状为181~352°∠36~52°。(4)黑云母千枚岩:灰黑色,全风化层厚约5~8m,强风化层厚约10~15m,余为中风化。岩体破碎~较破碎,结构面发育~较发育,结合一般~差,碎裂状结构~镶嵌碎裂状结构。岩层产状为8°∠46°。(5)碳质千枚岩:灰黑色,强风化层厚约10~15m,余为中风化。岩体破碎~较破碎,结构面发育~较发育,结合一般~差,碎裂状结构~镶嵌碎裂状结构。岩层产状为187°∠72°。工程地质纵断面图见图1。

3地质构造与地震

3.1地质构造

3.1.1断层。本次勘察通过工程地质调绘、物探解译、钻探等勘察手段,共发现隧址区发育有3条断层,编号分别为LF1~LF3,其中LF1断层为正断层,LF2、LF3断层为逆断层,LF3为全新世活动断裂,根据《康县-武都断裂新活动性及地震危险性研究》和现场调查所获得的实际资料,此断层属于晚更新世-全新世活动性断层[1][2],断层性质逆冲兼走滑[3],对隧道围岩稳定性有较大影响。本次勘察物探EH4共解译6处异常区,推断6处异常区结构面杂乱无序,岩体破碎,可能富水,应注意设防。各断层与隧道的关系及对隧道影响程度见表1、图2。(1)WTLF1推测断层。该断层为物探推测断层。断层顶端位于LK0+630附近,表现为明显低阻通道,性质具有逆断层特征。推测倾向南倾,倾角约45°。断层具有一定的富水性,与拟建隧道交汇,推测该处有富水区一处,施工时注意防水、防塌陷。(2)LF2断层。该断层顶端位置处于LK1+180附近,电阻率二维反演图上表现出明显的低阻异常,倾向南倾,倾角60°,断层宽约100m左右。推测该处可能裂隙区发育,含水相对较丰富。施工时要注意防水、防塌陷。该断层与地质调绘结果较为一致。(3)LF3断层。该断层顶端位置里程LK1+430位置,北倾,倾角约50°。断层在视电阻率二维反演断面图上表现为低阻异常(小于100Ω·m),推测该断层与WTLF2断层在深部(标高1150m)交汇,交汇部位推测为富水区域。断层周边均为第四系覆盖。断层具有一定的逆断层特征,北倾,倾角约45~50°。施工时要注意防水、防坍塌。(4)WTLF2断层。该断层为物探推断断层,表现为明显的极低值电阻率特征,近乎陡立,为该区域破碎带明显特征。断层顶端位于LK1+730位置,断层向下延伸较大,与LF3断层标高1100m处交汇。断层下部宽度约150~200m,上部被第四系覆盖。推测标高1500m以下为断层富水区域。施工时要注意防水、防坍塌。(5)F14断层。断层位于LK2+880附近,表现为明显低阻特征,产状较陡,近直立,向深部延伸较大。断层两边视电阻率值极大,最大达到40000Ω·m,与标本中灰岩电性特征较为吻合。断层与拟建隧道交汇处标高1250m,推测有一处富水区域,施工时要注意防水、防坍塌。(6)WTLF3断层。该断层为物探推断断层,顶端处于LK3+130附近,等值线梯级带位置,近直立。断层两边地层岩性呈现不同电物性特征。推测该断层为地质分界线。3.1.2节理。依据统计结果,隧址区进出口段岩体强风化带节理裂隙很发育~发育,一般3组以上,杂乱无章,以构造型为主,地层岩性为千枚岩、片岩,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。

3.2地震

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)附表C.31中有关规定,隧址区地震动峰值加速度为0.20g,地震动反应谱特征周期0.40s,对应的抗震设防烈度为Ⅷ度。

4水文地质条件区内地下水类型

为基岩裂隙水和断层带水,富水区为断层、裂隙发育区,在电阻率断面图上表现为明显的低电阻率异常区,依据钙质、黑云母千枚岩的电阻率的特征,从电阻率数值的角度,将隧道穿过区区域划分为富水区及相对富水区,以实测黑云母千枚岩断裂带(渗水)电阻率(1.5Ω·m)为依据,将电阻率低于10Ω·m的地段划分为富水区,11~40Ω·m的范围内为相对富水区,其余电阻率范围区为不富水区(见表2)。综合分析隧道水文地质条件,最终采用降水入渗法计算隧道涌水量,预测隧道正常涌水量约2038.35m3/d,最大涌水量约6115m3/d。

5成果分析

5.1综合测井成果分析

通过对2号孔进行了井温测量,孔内最高温度为14℃,最低温度为12℃,平均值为13℃,未见地温异常,属地温正常带。323~390m为灰岩,电阻率均值约为249Ω·m,声波速度均值约为4.76km/s,自然伽玛均值约为9γ。

5.2地应力成果分析

勘察过程中对2号孔进行地应力测试(水压致裂法),根据裂缝方向的测定,求得最大水平主应力方位分别为N88°E。由2号钻孔应力测量结果可知,所测范围(336.5~373.7m)最大水平主应力值为13.27~14.74MPa,最小水平主应力值为10.24~11.45MPa。通过地应力测试结果分析,根据《公路工程地质勘察规范》[4],隧道Rc/σmax=1.92-2.92<4,判定该隧道存在极高应力现象。中风化灰岩属硬质岩,开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞壁岩体发生剥离,新生裂缝多,成洞性差,围岩易失稳。黑云母千枚岩及炭质千枚岩属软质岩,岩芯常有饼化现象,开挖过程中洞壁岩体有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,持续时间长,不易成洞。

5.3围岩分级

(见表3)本隧道全长3175m,根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》[5]计算得出洞体由Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩构成,其中Ⅲ级分布长度为260m,占比8.2%;Ⅳ级分布长度为1146m,占比36.1%;Ⅴ级分布长度为1769m,占比55.7%。

6结束语

(1)项目区位于陇南市康县境内,地震动峰值加速度为0.20g,地震动反应普特征周期0.40s,对应地震基本烈度为Ⅷ度。(2)预测隧道正常涌水量约2038.35m3/d,最大涌水量约6115m3/d。(3)通过井温测量,孔内最高温度为14℃,最低温度为12℃,平均值为13℃,未见地温异常,属地温正常带。(4)隧道Ⅲ级分布长度为260m,占比8.2%;Ⅳ级分布长度为1146m,占比36.1%;Ⅴ级分布长度为1769m,占比55.7%。(5)隧道进、出口位置所在斜坡在自然条件下均处于稳定状态。由于千枚岩节理裂隙发育,岩体破碎~较破碎,开挖后易发生碎落、崩塌等不良地质现象。建议设计和施工时予以考虑,采用放坡、喷、锚及挂网等支护措施进行治理,以防止边坡坍塌,并及时进洞,按防、排、截、堵相结合的原则设置防、排水系统。(6)该隧道存在极高应力现象。硬质岩开挖过程中时有岩爆发生,有岩块弹出,洞壁岩体发生剥离,新生裂缝多,成洞性差,围岩易失稳。软质岩,岩芯常有饼化现象,开挖过程中洞壁岩体有剥离,位移极为显著,甚至发生大位移,持续时间长,不易成洞。

参考文献

[1]贾伟,刘洪春,袁道阳.武都断裂新活动性及地震危险性研究[D].北京:中国地震局兰州地震研究所,2012.

[2]贾伟,刘洪春,柳煜,等.武都-康县断裂新活动性的滑动速率[J].地震工程学报,2018(4):175-182.

[3]杨晨.勉略构造带康县区段磁组构特征及其构造意义[J].地球物理学进展,2013(1):220-229.

[4]JTGC20-2011,公路工程地质勘察规范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[5]JTG3370.1-2018,公路隧道设计规范第一册,土建工程[S].北京:人民交通出版社,2018.

作者:苗在斌 单位:苏交科集团(甘肃)交通规划设计有限公司