兰海高速扩容工程大坪子隧道工程地质分析

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  摘要:文章以兰海高速公路扩容工程大坪子隧道为研究对象,调查分析了隧址区的工程地质条件,预测了隧道涌水量,并通过在室内外进行岩体物理力学参数及声波测试,进行了隧道围岩分级,为类似工程设计与施工提供参考。
  关键词:隧道工程;工程地质;涌水量;声波测试;围岩分级
  0 引言
  兰海高速公路贵州境遵义至贵阳段扩容工程,将有效缓解贵遵高速公路的交通压力,分流贵阳往北向的车流量,成为贵州省连接川渝、南下出海的又一条重要通道。
  兰海高速公路贵州境遵义至贵阳段地形起伏较大、岩体破碎,应查明隧址区的工程地质条件,为公路隧道的设计提供必要的依据。隧道工程建设在借鉴、吸收已有类似工程经验时,更要注重个体工程建设条件的特殊性[1-2]。
  1 工程概况
  大坪子隧道为分幅长隧道。左幅起讫桩号为ZK93+860~ZK95+680,全长1 820 m,最大埋深为145 m;右幅起讫桩号为YK93+895~YK95+685,全长1 790 m,隧道最大埋深为143.0 m。设计时速为100 km/h,设计荷载为公路Ⅰ级。该分离式隧道建筑限界净宽为14.75 m,净高为5.0 m,内轮廓设计高程距拱顶高度为7.94 m,净宽为15.618 m[3-4]。工程地质平面与剖面见图1。
  2 隧址区工程地质条件
  隧道区地处贵州高原中部,场地隶属开阳县禾丰乡所辖。隧道进出口无公路通过,交通条件差。
  隧道横穿山体,坡体植被较发育,多为灌木,进出口均位于陡坡上。隧道区附近海拔为932.9~1 240.7 m,相对高差为307.8 m。左右幅隧道轴线通过地段的地面高程为1 077.81~1 232.00 m,相对高差为154.19 m。地貌类型为溶蚀-侵蚀低中山地貌。
  场区地层由上至下分述如下:
  (1)含碎石黏土(Q4 el+dl):褐黄、灰黄色,硬塑,含10~20%的白云岩、泥质白云岩等强风化碎石,主要分布于地势平缓处,厚1~17.1 m。
  (2)块石土(Q4 col):杂色,主要成分为白云质灰岩、泥质白云岩、白云岩,由隧道洞顶岩体崩塌堆积而成,块石直径为0.4~2 m,最大达8 m,表层结构松散,下部稍密实,厚7~11 m。
  (3)寒武系下统清虚洞组([XCE-1.TIF,JZ]1q):薄至中厚层状白云质灰岩、泥质灰岩、白云岩、泥质灰岩与粉砂质泥岩不等厚互层,局部夹粉砂岩。
  ①强风化层:灰黄色、浅灰色,薄至中厚层状,节理裂隙发育,岩体破碎,岩石软,岩芯呈碎块状,厚3~10 m。
  ②中风化层:灰色,薄至中厚层状,岩体较破碎~较完整,岩石软硬相间,岩芯呈柱状、块状、砂状。
  (4)寒武系中统([XCE-1.TIF,JZ]2g+s):高台-石冷水组白云岩夹泥质白云岩,局部夹粉砂质泥岩。
  ①强风化层:灰黄色,薄至中厚层状,节理裂隙发育~很发育,岩体破碎~极破碎,岩石软,岩芯呈砂状、碎块状,厚5~14 m。
  ②中风化层:灰色、灰白色,薄至中厚层状,节理发育,岩体较破碎,岩石软硬相间,岩芯呈砂状、块状、少量柱状。
  隧道区属扬子准台地-黔北台隆-遵义断拱-贵阳复杂构造变形区。根据调查,场区无构造通过,岩层单斜,地层产状为290°~340°∠14°~20°。区内岩体主要发育J1:25°~90°∠75°~85°,J2:252°~288°∠80°,J3:320°~345°∠66°~85°三組节理裂隙,间距多在20~300 mm。强风化岩层中节理裂隙多呈张开状,局部见黏土及碎石充填,无胶结,结合差,岩体被节理裂隙切割成碎块、碎石状,单条节理裂隙地表延伸长度0.5~6 m;中风化岩层内节理面较为平滑,多呈闭合状。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015),场区地震动反应谱特征周期为0.35 s,地震动峰值加速度值<0.05 g,对应地震基本烈度<Ⅵ度。
  3 隧道涌水量预测
  隧道区冲沟较多,受降雨影响明显,大部分为雨源型冲沟,旱季干涸。隧道开挖易产生涌水现象。
  根据隧道地形及水文地质条件,采用《铁路工程地质手册》(修订版,2000年)中降水入渗法、地下水径流模数法分别进行估算。
  查《区域水文地质普查报告》得该区域的年平均径流模数M=21.2 l/s·km 2,计算得Q=6 227 m 3/d。
  通过以上两种涌水量进行计算,选取最大预测涌水量Q=6 371 m 3/d。
  根据水样测试分析,场区水质类型为[C]CaⅠ型,即为碳酸盐钙质水。依据《公路工程地质勘察规范》(JTGC20-2011),场区水体对混凝土结构具有硫酸盐、镁盐、氯盐和侵蚀性CO2的微腐蚀性。
  4 隧道围岩分级
  4.1 岩石单轴饱和抗压强度
  对隧道区不同地层不同岩性进行了取样试验,其单轴饱和抗压强度指标统计见表1。
  4.2 岩体声波测试
  对隧道代表性钻孔进行声波测试,结果见表2。
  4.3 隧道围岩分级
  根据围岩岩体的完整程度、风化状态、结构、构造、节理裂隙发育情况及水文地质等定性特征,结合基本质量指标BQ计算值(BQ=90+3Rc+250Kv,其中Rc为单轴饱和抗压强度指标;Kv为岩体完整性系数),同时对BQ值根据地下水修正系数修正得[BQ],对隧道区围岩级别进行了划分,见表3。
  5 不良地质现象分析评价
  5.1 不良地质现象
  隧道区不良地质主要为岩溶、堆积体、危岩体。
  [HJ1.7mm]   5.1.1 岩溶
  (1)根据调查及SDK6钻孔揭露,位于1 106.88~1 113.78 m高程范围内存在溶洞,洞高6.9 m,充填黏土。该段隧道浅埋,建议将隧道顶板揭露做好初支及二衬后回填处理。若采用暗挖形式通过时,隧道顶板极易冒顶,建议在浅埋段冲沟内采取反压回填,同时对溶洞内充填物掏空采用混凝土回填等形式处理。
  (2)隧道进口段顶部YK94+200右65 m处分布一岩溶洼地,洞口直径约为45 m,深度约为12 m,洼地内缘侧壁基岩出露,底部存在竖向小型裂隙,底部大部分被黏土覆盖。该洼地距离右幅轴线较近,雨季地表水向洼地内排泄,洼地附近隧道开挖可能产生涌水、突泥等现象,应加强此段围岩支护处理和防排水设计,同时加强超前地质预报。
  5.1.2 堆积体
  分布于ZK95+557~ZK95+795段左80 m~右48 m(隧道出口陡崖至长滩河特大桥左幅3 #墩之间)的堆积体长200 m,宽114 m,平均厚度为7~11 m,呈阶梯状分布,局部位置厚20 m(分布于左幅0 #桥台处),由陡崖岩体长期崩塌堆积而成。
  按典型断面进行稳定性分析,在正常工况下(坡体处于自然状态),取γ=20 kN/m 3、综合φ=28°,经验算得稳定性系数Fs=1.20。非正常工况Ⅰ下(坡体处于暴雨或连续降雨状态),取γ=21 kN/m 3、综合φ=26°,经验算得稳定性系数Fs=1.09。该堆积体处于自然稳定状态,但堆积体若受大规模施工开挖扰动易垮塌失稳,对结构物及施工安全构成隐患,需要对其进行治理。
  5.1.3 危岩体
  分布于大坪子隧道出口顶部ZK95+554(YK95+600)处陡崖一线,陡崖岩体竖向切割裂隙发育,局部危岩孤立,现状稳定,危岩体约300 m 3。危岩体受大规模爆破开挖震动易产生崩塌掉块,对结构物及施工安全构成隐患。
  5.2 不良地质现象处治措施建议
  5.2.1 岩溶
  大坪子隧道岩溶发育,施工中对于溶洞或采空区可采取以下处治措施:
  (1)当溶洞在隧底,小型溶洞可挖出充填物换填;对于规模较大的溶洞根据跨度大小采用梁跨、拱跨等措施。
  (2)溶洞在侧墙,可局部挖除溶洞充填物后在衬砌外采用混凝土或浆砌片石砌筑。
  (3)溶洞在隧顶,可待溶洞充填物自流稳定后,在拱顶以上浇筑混凝土护拱,护拱之上充砂或用轻质泡沫混凝土灌注充填,然后再修建隧道;溶槽在隧顶,可利用超前支护钻孔对隧顶溶槽充填物进行高压劈裂注浆加固后再进行开挖,并加强隧道支护。
  (4)大坪子隧道岩溶发育,施工开挖时易产生突水现象。施工中,应进行超前探水,查明坑道前方地下水分布情况及水量后,适时采取预注浆,将大量的地下水盡可能地封堵在围岩内,使坑道开挖不出现大量的涌水,为后续施工和洞室稳定创造条件。
  (5)为保护地表水环境,应根据实际情况分别采用全断面深孔预注浆、部分断面深孔预注浆、深孔周边预注浆、开挖后周边注浆及开挖后局部注浆堵水。
  5.2.2 堆积体
  堆积体规模较大,为确保堆积体稳定,左幅由于堆积体厚,山体较陡,在地面线向外凸起的地方对堆积体按1∶1的坡率进行清方,清方之后对坡体采用锚索进行防护,并在隧道洞口设置6根抗滑桩,待锚索、抗滑桩施工完毕并待桩身混凝土达到强度后,方可进行洞口开挖。隧道洞口开挖及时进行防护,隧道洞口段堆积体洞身采用斜向(环向)钢花管注浆固结,施工中必须保证注浆质量。隧道洞口段开挖采用弱爆破,短进尺,尽量减少隧道爆破开挖对危岩体的扰动。右幅隧道堆积体稍薄,洞口开挖及时进行防护,隧道洞口段堆积体洞身采用斜向(环向)钢花管注浆固结,施工中必须保证注浆质量。
  5.2.3 危岩体
  危岩体现状稳定,但局部小规模岩体受施工爆破等因素震动易崩塌失稳,建议施工前进行清除处理。
  5.3 隧道进出口工程地质评价
  隧道进口地形坡度较陡,强风化层较厚,为顺向边坡,岩体节理裂隙发育,岩体破碎~极破碎,隧道洞门及进口段大规模爆破开挖易产生坍塌失稳,应加强边坡仰坡的防护设计。
  隧道出口段分布有堆积体,平均厚度为7~11 m,现状稳定,但隧道边仰坡开挖扰动易产生部分垮塌或失稳。建议对隧道仰坡进行局部清方并采取框架锚索结合注浆加固处理,同时加强防排水措施。
  6 结语
  (1)隧道围岩大部分以碳酸盐岩为主,除钻孔揭露的溶洞外,局部存在隐伏岩溶的可能,尤其在可溶岩与粉砂质泥岩、砂岩等不透水层接触部位,溶洞极可能发育。隧道开挖揭露溶洞易产生突水、突泥等危害。施工期建议加强超前地质预报工作及施工监控,若遇溶洞应视具体情况采取相应的辅助工程措施,确保洞室稳定。
  (2)隧道围岩级别为Ⅴ~Ⅳ级,施工开挖必须减少爆破药量,防止大规模爆破震动诱发围岩坍塌失稳。严格按照“短进尺、弱爆破”的原则进行开挖,按照设计图纸施工,及时做好初支二衬。
  (3)针对岩溶、堆积体、危岩体等不良地质现象,结合桥梁及隧道关系特点,应进行综合处治。建议对隧道仰坡进行局部清方并采取框架锚索结合注浆加固处理;在0 #台~2 #墩之间适当位置采取抗滑支挡处理;堆积体上禁止大量堆载和大规模临空开挖扰动;加强隧道边仰坡、桥梁基坑边坡、桥隧相接路段的防排水措施。
  (4)施工中若发现新的地质情况,应及时反馈,以便有关各方及时解决。
  参考文献:
  [1]许崇帮,王华牢.杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析[J].公路交通科技,2019,36(8):93-107.
  [2]李 剑.小春湾隧道工程地质条件的相关分析[J].城市道桥与防洪,2017(6):294-295.
  [3]贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司.兰海高速贵州境遵义至贵阳段扩容工程第9合同段两阶段施工图设计[R].2015.
  [4]贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司.兰海高速贵州境遵义至贵阳段扩容工程第10合同段大坪子隧道施工图设计阶段工程地质勘察报告[R].2014.
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