隧道工程地質(zhì)特性及洞口邊坡穩(wěn)定性評價

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摘要:松節(jié)理隧道隧址區(qū)位于太岳山坳緣翹起帶，隧址區(qū)范圍內(nèi)無特殊巖土分布，對隧道圍巖穩(wěn)定性有影響的不良地質(zhì)主要為巖溶。本文對隧道區(qū)巖體工程地質(zhì)特征和水文地質(zhì)特征進(jìn)行了分析，對隧道洞口邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。認(rèn)為隧道圍巖為巖質(zhì)圍巖，圍巖穩(wěn)性較差，地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。隧道在雨季開挖或通過軟弱破碎夾層、斷層破碎帶及節(jié)理密集帶時，不排除發(fā)生突水的可能;沁源端洞口和霍州端洞口邊坡穩(wěn)定性差。

關(guān)鍵詞:松節(jié)理隧道;工程地質(zhì)特性;洞口邊坡;穩(wěn)定性評價

1地質(zhì)概況

松節(jié)里隧道位于臨汾市古縣北平鎮(zhèn)西南側(cè)橫穿山脈，為黎城至霍州高速公路沁源—霍州段內(nèi)的穿嶺隧道，本隧道屬長隧道。隧址區(qū)位于太岳山坳緣翹起帶，其位于沁水塊坳的西緣，帶內(nèi)地層西翹東傾，傾角20°～25°，由東向西依次出露石炭系、奧陶系、寒武系，最西部為太岳山群、霍縣群。該翹起帶南端構(gòu)造較為復(fù)雜，發(fā)育有北北東向斷裂。另外，整個翹起帶被5條較大的北東東向斷裂穿切，斷裂呈雁行斜列，間距大致相等。斷層破碎帶在隧址區(qū)地表局部岀露，為隧道出口段圍巖之一，母巖巖體以泥灰?guī)r、石灰?guī)r為主，局部為白云巖，巖芯多呈碎塊狀，局部為短柱狀，黏土礦物充填。隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層由新至老依次有:第四系全新統(tǒng)殘積物(Q4el)，奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組下段(O2s1)沉積巖，奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組上段(O2x3)、下段(O2x1)沉積巖，奧陶系下統(tǒng)亮甲山組(O1l)沉積巖及斷層破碎帶等［1］。隧址區(qū)范圍內(nèi)無特殊巖土分布，對隧道圍巖穩(wěn)定性有影響的不良地質(zhì)主要為巖溶。隧址區(qū)后段廣泛出露奧陶系石灰?guī)r，巖溶類型為裸露型，以近代巖溶為主。依據(jù)本次勘察成果，隧址區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛，地表溶洞、溶坑及溶槽等喀斯特地貌形態(tài)較為發(fā)育，鉆孔中巖芯表明溶蝕現(xiàn)象明顯，小溶孔及溶槽發(fā)育，其中在ZK4號孔170．8～171．0m揭示溶洞，充填物為黏土礦物。巖溶的發(fā)育對隧道圍巖穩(wěn)定有一定影響。

2巖體工程地質(zhì)特征

本隧道圍巖為巖質(zhì)圍巖，洞體圍巖由奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組上段(O2x3)白云質(zhì)灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)亮甲山組(O1l)白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r和斷層破碎帶組成。白云巖、石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r屬較堅硬巖，泥灰?guī)r屬軟巖，整體屬較堅硬巖夾軟巖，強(qiáng)-中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育-較發(fā)育，巖體破碎-較破碎，呈碎裂-鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)性較差，開挖易產(chǎn)生中-大塌方;斷層破碎帶以碎石、斷層泥為主，結(jié)構(gòu)面雜亂無序，巖體極破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差，開挖極易產(chǎn)生大塌方。地下水出水狀態(tài)以點滴水、淋雨狀為主，在斷層破碎帶、裂隙密集帶也有可能產(chǎn)生涌流狀出水或較大突水現(xiàn)象。綜合評價，隧址區(qū)工程地質(zhì)條件一般。

3水文地質(zhì)特征

3．1地下水類型及富水性

隧址區(qū)山體由碳酸鹽巖構(gòu)成，第四系松散巖僅分布于隧道穿越的基巖山區(qū)沖溝內(nèi)。水系多呈南北向展布。區(qū)域地下水的分布受地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的嚴(yán)格控制。根據(jù)含水介質(zhì)、地下水賦存條件和水動力特征等，隧址區(qū)地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水兩大類。(1)松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要分布于隧址區(qū)范圍的基巖山間溝谷內(nèi)。含水巖組由第四系砂土及碎石土組成，平面上沿山間溝谷呈條帶狀分布，含水層斷面呈三角形或梯形，含水層狀態(tài)為層狀，含水層厚度分布不均，一般1～5m，最厚處達(dá)10m，水量受顆粒級配影響較大，富水性較強(qiáng)［2］。(2)碳酸鹽巖裂隙巖溶水。含水巖組主要為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s1)石灰?guī)r及奧陶系下統(tǒng)亮甲山組(O1l)白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r;隔水巖組為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s1)泥灰?guī)r。巖層中的層理、節(jié)理及構(gòu)造裂隙、斷裂構(gòu)造、巖溶是該段地下水的儲藏和運移空間。該含水巖組厚度巨大，層位穩(wěn)定，埋藏較淺，常裸露地表，地下水補(bǔ)給、徑流條件均較好，滲透系數(shù)K在1．43～20．5m/d之間。該含水巖組其富水性受地貌單元控制，據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及沿線大范圍的井泉調(diào)查結(jié)果，該段地形切割劇烈，河流侵蝕基準(zhǔn)面較低，地下水位埋深大，大氣降水是地下水的唯一補(bǔ)給來源，可溶巖巖溶裂隙發(fā)育，滲漏補(bǔ)給條件良好，大氣降水在下滲過程中，遇到隔水巖組泥灰?guī)r阻隔，以泉的形式沿坡面排泄，在越過隔水巖組泥灰?guī)r后繼續(xù)下滲［3］。本次勘察期間正值暴雨時節(jié)，隔水層泥灰?guī)r上部坡面有較多泉水出露，溝谷內(nèi)有暫時性的地表徑流，部分鉆孔內(nèi)也有地下水揭示。通過鉆孔提水試驗結(jié)束后的長期觀測，鉆孔內(nèi)的水位由開始的少量恢復(fù)到最后干涸無水，確定了隧址區(qū)的水量變化主要隨大氣降水量的多少而改變。在本次工程地質(zhì)測繪及工程物探工作成果中，隧址區(qū)共發(fā)現(xiàn)有5條斷層與線路相交及9處節(jié)理密集帶異常區(qū)，由于貫通性好，裂隙通道密集，是地下水下滲的主要通道或儲水構(gòu)造。在今后的施工過程中一旦新的通道打開后，再遇強(qiáng)降雨、暴雨天氣，很可能洞體內(nèi)沿裂隙密集帶和斷層破碎帶出現(xiàn)涌水、突水現(xiàn)象。

3．2隧址區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件

隧址區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄受地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等多種因素綜合控制。(1)松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要接受裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給及地表水的垂直滲漏補(bǔ)給，接受補(bǔ)給后呈條帶狀順溝谷方向由上游向下游徑流，排泄方式主要以潛流的方式向下游排泄，部分再沿途重新滲入下伏基巖裂隙中。(2)碳酸鹽巖裂隙巖溶水。碳酸鹽巖裂隙巖溶水位于巖溶水垂直入滲帶內(nèi)。主要以基巖裸露區(qū)的大氣降水入滲補(bǔ)給為主，其次為上覆含水巖組的越流補(bǔ)給以及通過裂隙帶、斷裂構(gòu)造等滲漏補(bǔ)給。由于特殊的水文地質(zhì)條件，決定了該含水巖組主要以層間水的形式存在，地下水以垂向徑流為主，在遇到相對隔水層時轉(zhuǎn)為水平徑流，由坡麓地帶以泉的形式出露，繼續(xù)下滲補(bǔ)給，各含水層間水力聯(lián)系一般較弱，沒有穩(wěn)定的連續(xù)的區(qū)域水位。排泄方式主要以向下越流、滲漏補(bǔ)給為主。

3．3影響隧道富水程度的要素

影響隧道富水程度的要素有地形地貌、圍巖類型及結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、區(qū)域降水量、洞體埋深等。本隧道地處基巖中山區(qū)分水嶺段，地形起伏較大，微地貌較為復(fù)雜，基巖沖溝較為發(fā)育，但隧址區(qū)主要含水體的巖性較為均一，含水層的富水性主要受地形地貌、巖體風(fēng)化帶的分布厚度、巖層產(chǎn)狀、層間接觸帶、斷裂構(gòu)造帶、裂隙發(fā)育帶等因素控制明顯，洞身的圍巖富水程度主要受洞體埋深、洞身所處的巖體風(fēng)化帶、斷裂構(gòu)造帶、裂隙發(fā)育帶等影響［4］。

3．4隧道建成后對地下水的影響

測區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，隧道開挖將形成較大的集水廊道，勢必對隧道區(qū)水文地質(zhì)條件產(chǎn)生影響，其影響半徑可達(dá)500m左右，可能會造成地下水位下降，水量減少。隧道建成后，會讓部分環(huán)境地質(zhì)條件改變，影響地下水的排泄，可能會造成循環(huán)改變和水質(zhì)污染。為保護(hù)隧道區(qū)的生態(tài)環(huán)境，應(yīng)該加強(qiáng)隧道的排水、堵水措施，并加強(qiáng)監(jiān)測［5］。

3．5水文地質(zhì)條件評價

本隧道水文地質(zhì)條件較簡單，附近的地表水對隧道影響不大，地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水。隧址區(qū)內(nèi)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。隧道在雨季開挖或通過軟弱破碎夾層、斷層破碎帶及節(jié)理密集帶時，不排除發(fā)生突水的可能，建議設(shè)置相應(yīng)排水、導(dǎo)水措施。

4隧道進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性評價

(1)沁源端洞口。沁源端洞口位于松節(jié)里東側(cè)約200m一基巖沖溝斜坡上，溝谷狹窄，呈“V”字型，溝岸為中陡坡，坡向約114°，坡角在40°～45°之間，洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道左右線洞口仰坡高60．0～65．0m，洞口仰坡、邊坡地層由第四系全新統(tǒng)殘積(Q4el)粉質(zhì)黏土、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組下段(O2s1)石灰?guī)r、泥灰?guī)r及奧陶中統(tǒng)下馬家溝組上段(O2x3)石灰?guī)r組成。(Q4el)粉質(zhì)黏土在大氣降水的淺蝕、沖蝕作用下，可能產(chǎn)生小范圍坍塌及滑塌現(xiàn)象，在工程開挖擾動條件下可能加劇上伏土體沿基巖面整體滑塌;(O2s1)石灰?guī)r、泥灰?guī)r及(O2x3)石灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕明顯，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀為135°∠6°，巖層傾向坡腳，屬同向斜坡，呈不利組合，且由于巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，在工程開挖擾動條件下易發(fā)生碎落、小范圍內(nèi)坍塌及沿結(jié)構(gòu)面滑塌等現(xiàn)象?？傮w評價:沁源端洞口邊坡穩(wěn)定性較差。(2)霍州端洞口。霍州端洞口位于二道河?xùn)|南側(cè)熱留河?xùn)|岸斜坡上，河谷較寬闊，呈“U”字型，但河岸陡峻，坡向304°左右，坡角在35°～40°之間。左右線洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道左右線洞口仰坡高120．0～140．0m，洞口仰坡、邊坡及洞口段圍巖由奧陶中統(tǒng)下馬家溝組下段(O2x1)及奧陶下統(tǒng)亮甲山組(O1l)白云巖組成。節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕明顯，巖體破碎，圍巖巖層產(chǎn)狀為140°∠11°，巖層傾向坡面，呈有利組合，但因受F27正斷層的影響，巖體破碎松散，在工程開挖擾動條件下易發(fā)生碎落及坍塌等現(xiàn)象?？傮w評價:霍州端洞口邊坡穩(wěn)定性差。

5結(jié)論

隧址區(qū)斷裂活動處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，區(qū)內(nèi)地殼大部分具有基底與蓋層雙層結(jié)構(gòu)，少部分沉積蓋層被剝蝕殆盡，僅存結(jié)晶基底，區(qū)內(nèi)地殼應(yīng)屬相對穩(wěn)定區(qū)，基本適宜擬建工程建設(shè)。不穩(wěn)定因素主要為新裂陷盆地邊緣的活動斷裂及地震活動。隧道范圍內(nèi)揭露暫時性裂隙水，在強(qiáng)降雨或暴雨天氣下可能產(chǎn)生沿斷層破碎帶及裂隙密集帶發(fā)生涌水、突水災(zāi)害。沁源端洞口邊坡及洞口段圍巖穩(wěn)定性均較差，洞口段邊坡穩(wěn)定性較好;霍州端洞口邊坡穩(wěn)定性及洞口段圍巖穩(wěn)定性均差，洞口段邊坡穩(wěn)定性較好。

參考文獻(xiàn):

［1］山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局．山西省區(qū)域地質(zhì)志［M］．北京:地質(zhì)出版社，1989．

［2］韓亞魯．季凍區(qū)隧道洞口巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究［D］．吉林:吉林大學(xué)，2019．

［3］谷叢楠，李立偉，陳利貞．天津市某公路邊坡滑塌地質(zhì)災(zāi)害特性與治理［J］．資源信息與工程，2019，34(4):149－150．

［4］龐旭陽．大前石嶺隧道巖堆洞口段圍巖及邊坡穩(wěn)定性分析［D］．阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2017．

［5］茹杉杉，俞尚宇．某隧道邊坡穩(wěn)定性分析評價［J］．鐵道勘察，2013，39(6):35－38．

作者：張和平 單位：甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院