隧道工程地質(zhì)評價(jià)的主要內(nèi)容和方法

隧道通常是指用作地下通道的工程建筑物，主要包括隧道、底隧道、城市交通隧道、地下鐵道、鐵路隧道和水利隧道。一般來說，隧道分為填埋場隧道和巖石隧道。近年來,國內(nèi)外出現(xiàn)了許多偏壓隧道、長大隧道和大跨度隧道,因而其修建技術(shù)研究受到了廣泛重視并取得了一些成果,相比之下,對隧道所處的工程地質(zhì)條件和環(huán)境反而被忽視。事實(shí)上,工程巖土體不僅是隧道勘測目的,也是隧道設(shè)計(jì)的依據(jù)、施工的對象,始終貫穿工程全過程。因此,工程地質(zhì)評價(jià)一方面是隧道設(shè)計(jì)與施工的基礎(chǔ),另一方面也為隧道設(shè)計(jì)提供反饋信息,為施工提供指導(dǎo)(如超前預(yù)報(bào)等)。隧道工程是目前科技發(fā)展兩大領(lǐng)域之一即地下空間的重要內(nèi)容,筆者以秦嶺某公路隧道為例,探討巖質(zhì)隧道工程地質(zhì)評價(jià)的主要內(nèi)容和一般方法,并藉此引起對隧道工程地質(zhì)的重視。1工程地質(zhì)條件基本地質(zhì)環(huán)境是指隧道范圍內(nèi)的工程巖土體與周圍(尤其是與隧道軸線兩側(cè)各約500～2000m范圍內(nèi))地質(zhì)體的關(guān)系,主要包括自然地理環(huán)境、場地和生態(tài)環(huán)境、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及施工環(huán)境等,反映了隧道與交通、氣候、地形、地質(zhì)等基本因素之間的關(guān)系,它預(yù)示了隧道可能存在的工程地質(zhì)條件,在很大程度上決定著隧道定線及洞口位置選擇,同時(shí)也是工程地質(zhì)評價(jià)的基礎(chǔ)。地質(zhì)環(huán)境的好壞直接影響隧道的長度、隧道高程的選擇、施工的難易、工期的長短、運(yùn)營的安全和經(jīng)濟(jì)效益。該隧道位于秦嶺腹地,海拔1400～2180m,屬中高山地貌,山嶺谷坡25°～55°。隧道設(shè)計(jì)為雙洞,洞室凈寬10.5m,高7.85m,呈板栗圓形,全長4930m,屬特長隧道。隧道所在地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候,雨雪多、云霧多,濕度大、日照短,冰期最大凍結(jié)深度0.13m。隧道介于兩大斷裂之間,區(qū)域構(gòu)造上屬秦嶺褶皺系南秦嶺印支褶皺帶中一復(fù)向斜的南翼,NW、NE向次級斷裂發(fā)育;地質(zhì)歷史上一直受到近SN向的擠壓。地震活動性較弱,基本烈度Ⅵ度,地震加速度(0.10～0.15)×10-2m/s2。2地質(zhì)因素評價(jià)工程地質(zhì)條件是指直接或間接影響隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和正常運(yùn)用等工程活動的地質(zhì)因素,是工程地質(zhì)評價(jià)的直接依據(jù),主要包括巖土性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件和不良地質(zhì)現(xiàn)象。其影響方式有:以一定作用影響隧道的穩(wěn)定,以一定作用影響隧道運(yùn)營安全,由于不良地質(zhì)而提高隧道造價(jià)。2.1地表沖洪殘積巖出露地層屬中泥盆統(tǒng)池溝組和中、上泥盆統(tǒng)青石埡組,沉積環(huán)境為淺海-陸源相。巖性以變質(zhì)砂巖、粉砂巖、板巖、片巖及大理巖為主,巖層一般走向東西,傾向北,傾角40°～80°;沿?cái)鄬悠屏褞С涮钣惺r脈、閃長巖脈及輝長巖脈;地表則主要是以粉質(zhì)粘土及碎石土為主要成分的第四系沖洪殘積物。隧道穿越的巖層有變質(zhì)砂巖層、粉砂巖層、片巖層、大理巖層及碎石土層。2.2切河斷層發(fā)育特征小褶皺,大量發(fā)育,褶皺軸部向西傾伏,兩翼傾角75°～82°,受區(qū)域構(gòu)造擠壓作用,呈韌性變形、后期剪切特征,對隧道安全穩(wěn)定影響不大。斷層,以NE、NW為主,共計(jì)有22條,其中14條與隧道軸線相交并且基本與隧道軸線呈高角度斜交(隧道總體方位為SW215°),產(chǎn)狀90°～140°/180°～230°,傾角60°～80°,延伸幾十米至幾百米;斷層破碎帶寬度小的幾十厘米,大的十幾米,以碎裂巖和角礫巖為主,夾有斷層泥。其影響以橫切變形為主,隧道軸部斷層切割較深斷層可能產(chǎn)生崩塌,切河斷層中還包含有導(dǎo)水?dāng)嗔?有可能產(chǎn)生突水。節(jié)理,以剪性節(jié)理為主,平直光滑閉合無充填,走向以北向?yàn)橹?延伸幾厘米到幾米,一般為斷層的二級構(gòu)造。2.3裂隙水、基巖裂隙水地下水主要為松散巖類孔隙水、大理巖裂隙巖溶水和風(fēng)化、基巖裂隙水3種均存在,其中以裂隙水水量最多,但總水量較少且表現(xiàn)隨季節(jié)差異很大,受地形和裂隙構(gòu)造影響分布極不均勻,以大氣降水入滲補(bǔ)給為主,屬淡水類型。2.4隧道外來災(zāi)害的影響發(fā)育有崩塌、巖溶、泥石流、巖體風(fēng)化等不良地質(zhì)現(xiàn)象,不同程度地影響了隧道的安全,尤其是在隧道進(jìn)出口,崩塌對洞口的穩(wěn)定性有相當(dāng)?shù)挠绊憽Ｔ诼裆畛^200m隧道有可能產(chǎn)生巖爆,在斷層帶較寬的地段還有可能產(chǎn)生突水。3隧道工程的質(zhì)量分析內(nèi)容和方法3.1自然流量補(bǔ)充與進(jìn)口水差的評價(jià)3.1.1單次給藥段徑流面積計(jì)算地下水是隧道涌水的主要來源之一,尤其是施工期間大面積的集中大氣降水可導(dǎo)致突水。一般評價(jià)大氣降水天然補(bǔ)給量有兩種方法:(1)降水滲入系數(shù)法。地下水天然補(bǔ)給量Q=α?F?X,Q=α?F?X,式中:Q為地下水天然補(bǔ)給量(m3/a);α為降水入滲系數(shù),一般可據(jù)區(qū)域水文資料獲取;F為計(jì)算段徑流面積;X為降水量,可據(jù)氣象資料獲得。一般由于大氣降水的季節(jié)不均勻性造成補(bǔ)給量的季節(jié)不均勻性,5～7月的補(bǔ)給量最大,12～2月的補(bǔ)給量最小。隧道參數(shù)取α=0.02;F=7.09×106m2;多年平均降水量取X=1.0922m,豐年最大降水量X=1.4802m;則地下水天然補(bǔ)給量Q均=1.549×104m3/a,Q豐=2.099×105m3/a。(2)地下水徑流模數(shù)法。地下水天然補(bǔ)給量Q=3.1536?F?M,Q=3.1536?F?Μ,式中:Q為地下水天然補(bǔ)給量(m3/a);M為地下水徑流模數(shù),M=Qc/Fc,Qc為實(shí)測溝谷枯水期徑流量,Fc為徑流補(bǔ)給面積,可實(shí)測也可以地圖上量取;F為計(jì)算段徑流面積。隧道參數(shù)取Qc=3.3062×10-3m3/s;Fc=4.329×106m2;M=8.198×10-10m/s;F=7.09×106m2;則地下水天然補(bǔ)給量Q=3.1536·F·M=1.8330×105m3/a。3.1.2地下水開敞空間動態(tài)分析方法涌水是指在隧道已挖或在挖地段出現(xiàn)的地下水大量流出直接影響繼續(xù)施工的現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致巖體崩潰、泥沙埋沒隧道、泥石流、地面陷穴裂縫等工程危害。涌水主要受構(gòu)造發(fā)育程度及延伸方向控制,構(gòu)造發(fā)育地段是可能涌水的主要地段。涌水的來源主要有靜儲量的釋放、溝水透過斷層側(cè)向激發(fā)補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給。而涌水的主要原因有:①斷層與隧道近似直交,破碎帶寬度大而引起的地下水靜儲量大;②隧道與河流同時(shí)被斷層切割造成溝水側(cè)向激發(fā)補(bǔ)給。其評價(jià)方法一般有4種:(1)類比外推法,是一種近似預(yù)測,前提條件是水文地質(zhì)條件相似。(2)解析法,根據(jù)地下水動力學(xué)原理,用數(shù)學(xué)分析方法對特定模式的地下水運(yùn)動建立解析式,求得解析解;主要有以裘布依為代表的穩(wěn)定流公式和以泰勒為代表的非穩(wěn)定流公式。(3)數(shù)值法,以有限單元法、邊界單元法為代表的數(shù)值近似計(jì)算方法,試算法。(4)水均衡法,據(jù)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄動態(tài)平衡近似計(jì)算方法,筆者用此法預(yù)測洞室涌水量Q總=Qw+Qj,式中:Qw為地下水達(dá)到新的平衡后排出大氣降水的穩(wěn)定流量,即側(cè)向徑流,可由隧道兩側(cè)穩(wěn)定流量求得,Qw=1.926×105m3/a;Qj為打破后平衡,過渡到新的平衡系統(tǒng)過程中排除的靜儲量,即疏干量,可由影響帶寬度內(nèi)漏斗排出水量來求得,Qj=2.5585×106m3/a。由此Q總=Qw+Qj=2.7511×106m3/a,則平均每米涌水量q=Q總/L=590.40m3/a(L為隧道疏干段長度,取4650m)。3.2巖石分類及穩(wěn)定性評價(jià)3.2.1無地下水支流圍巖分類是以穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的,即將影響穩(wěn)定的因素按其影響程度分別歸類,而圍巖分類的因素十分復(fù)雜,涉及地質(zhì)因素和人為因素,主要包括巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力、地下水、施工及支護(hù)等。圍巖遇地下水時(shí)調(diào)整原則是:Ⅳ、Ⅴ類硬質(zhì)巖石中可不考慮地下水的影響,軟質(zhì)巖中可視具體情況降低1級;Ⅱ、Ⅲ類圍巖呈松散狀、碎石狀結(jié)構(gòu),裂隙中充填粘性土,可視具體情況降低1～2級;而Ⅰ類圍巖分類已考慮了一般含水地質(zhì)情況的影響,可不考慮地下水的影響。依據(jù)上述因素,結(jié)合巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、波速VP、巖體完整性系數(shù)I等指標(biāo),將隧道圍巖劃分為5類(表1)。圍巖分類劃分標(biāo)準(zhǔn)主要有:工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-94);公路隧道圍巖分類;鐵路隧道圍巖分類;普氏圍巖分類法;太沙基圍巖分類法,地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)中還有一些其他的分類方法。3.2.2隧道圍巖的穩(wěn)定性評價(jià)穩(wěn)定性評價(jià)以圍巖類別為基礎(chǔ),按類別分別評價(jià),不同類別其圍巖的穩(wěn)定性是不同的,穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果見表1。3.3變形受體而作用圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)變形、破壞的作用力,包括由地應(yīng)力引起的圍巖應(yīng)力和圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的總作用力,可分為松動壓力、變形壓力、沖擊壓力和膨脹壓力4類,涉及彈性、塑性和蠕變;按其方向又可分為垂直壓力、側(cè)壓力和底壓力。圍巖壓力在工程地質(zhì)評價(jià)中只作合力計(jì)算(其值往往作為設(shè)計(jì)荷載),確定方法有現(xiàn)場量測、工程類比、理論計(jì)算3種,其中理論計(jì)算方法主要有5種。3.3.1偏壓及膨脹隧道按礦山法施工,適用于深度遠(yuǎn)大于隧道寬度且不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹的隧道,即公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ026-90)推薦的方法。根據(jù)荷載等效高度hq=q/r,比較等效高度hq、埋深H及分界深度Hp判斷是否為淺埋。(1)均布壓力和kpae垂直均布壓力/kPaq=0.45×26-srw水平均布壓力/kPae=0.4×q(kPa)式中:s為圍巖類別(Ⅰ～Ⅵ類);r為圍巖容重;w為寬度影響系數(shù)。(2)壓力值當(dāng)埋深H≤等效高度hq時(shí):垂直均布壓力q=rh。水平均布壓力e=r(H+Ht/2)tan2(45°-φ/2)。當(dāng)?shù)刃Ц叨萮q<埋深H<分界深度Hp時(shí),洞頂面上總垂直壓力Q總=rH(Bt-Hλtanφ)。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布壓力q淺=Q淺/Bt。水平均布壓力e=rλ(h+H)/2。當(dāng)埋深H>分界深度Hp時(shí),則按深埋隧道圍巖壓力計(jì)算。式中:φ為內(nèi)摩擦角;λ為側(cè)壓力系數(shù);r為巖石容重;h為隧道底板至地面的垂直距離;H為隧道埋深;Bt為隧道寬度;Ht為隧道高度。3.3.2水平均布壓力按松散結(jié)構(gòu),即平衡拱理論,要求埋深較大:垂直均布壓力q=rh0,平衡拱高h(yuǎn)0=b/fkp,式中:b=[Bt+Httan(45°-φkp/2)]/2。水平均布壓力e=(q+rHt/2)tan2(45°?φkp/2)?e=(q+rΗt/2)tan2(45°-φkp/2)?式中:fkp為似摩擦系數(shù);φkp為似摩擦角;r為巖石容重;Bt為隧道寬度;Ht為隧道高度。3.3.3水平均布壓力e按松散圍巖平衡理論并服從莫爾-庫侖強(qiáng)度理論:垂直壓力q=rb[1?exp(?ktanφh/b)]/ktanφ?q=rb[1-exp(-ktanφh/b)]/ktanφ?式中:b=Bt+Ht·tan(45°-φ/2)。水平均布壓力e=(q+rht)tan2(45°-φ/2),式中:ht為算點(diǎn)埋深;k水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值。3.3.4垂直分布壓力q按松散圍巖,巖體內(nèi)聚力c=0,最大埋深Hmax=a1/k以內(nèi)。垂直分布壓力q=rh(1-H·k/2a1),k=tan2(45°-φ/2)tanφ。水平均布壓力e=r[H+Ht/2]tan2(45°-φ/2)。3.3.5圍巖高聚物群落設(shè)計(jì)巖柱法的改進(jìn),即考慮c值的影響。垂直分布壓力qi=rhi[1-rtanφ(H2λ+H2002λ0)/2w]。水平分布壓力e1=rHλ?e2=rhλ?e10=rH0λ0?e20=rh0λ0?e1=rΗλ?e2=rhλ?e10=rΗ0λ0?e20=rh0λ0?式中:hi為計(jì)算點(diǎn)的巖柱高度;e1,e2為同一側(cè);e10,e20為另一側(cè)。確定隧道圍巖容許承載力σ0時(shí),按洞口、洞室和圍巖類別分別確定,方法有:隧道圍巖現(xiàn)場測試、經(jīng)驗(yàn)法、綜合法。隧道圍巖壓力和容許承載力計(jì)算結(jié)果見表2。3.4結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及節(jié)理穩(wěn)定性分析隧道洞口底板高出溝河底約30m,基本無洪水危害;洞口圍巖受到斷裂較強(qiáng)影響,結(jié)構(gòu)松軟,節(jié)理裂隙大量發(fā)育,強(qiáng)風(fēng)化,圍巖穩(wěn)定性差;洞口淺埋,上覆巖土厚度差別較大,開挖后易塌頂、掉塊,支護(hù)不及時(shí)可塌至地表。洞口處于斜坡地帶,斜坡傾向30°～65°,傾角30°～55°,節(jié)理將巖石切割成大小不等的楔形體,節(jié)理貫通形成軟弱結(jié)構(gòu)面,對斜坡穩(wěn)定極為不利,因此必須進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性評價(jià),其方法可參考工程地質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評價(jià)方法。另外,由于斜坡表面有部分殘積坡積松散層、部分全風(fēng)化并含泥碎石土,可能產(chǎn)生散落、小滑塌等。3.5必須滿足現(xiàn)場、地溫、巖石爆炸和輻射評估3.5.1地應(yīng)力分析巖土體內(nèi)地應(yīng)力的大小主要與巖土體自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力有關(guān),一般測量方法有應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、水壓致裂法。隧道采用水壓致裂法實(shí)測地應(yīng)力水平最大8.18MPa,方位297°,最小為5.58MPa,方位27°,計(jì)算垂直主應(yīng)力5.62MPa,可見最大主應(yīng)力方向與隧道近似垂直,對隧道穩(wěn)定不利。同時(shí),隧道開挖后導(dǎo)致應(yīng)力重分布,影響圍巖穩(wěn)定和地表沉降變形。3.5.2加熱溫度實(shí)測最大地溫梯度每百米3.2℃,求得隧道埋深處的地溫為11℃～15℃,對施工較適宜。3.5.3隧道洞壁切向應(yīng)力巖爆是由巖體內(nèi)積蓄的彈性應(yīng)變能突然釋放引起的,具爆裂和彈射現(xiàn)象,其判定方法較多。隧道穿越變砂巖等脆性質(zhì)巖,具備巖爆發(fā)生條件,采用經(jīng)驗(yàn)判據(jù)式σ0≥(0.19～0.40)σc,其中σ0為開挖后洞壁的切向應(yīng)力(MPa),σc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。經(jīng)計(jì)算,隧道在超過200m深度后有可能產(chǎn)生弱巖爆。3.5.4輻射試驗(yàn)按隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高在特定鉆孔中放置放射性樣品,經(jīng)測試其放射性背景值均為正常值,對人體無危害,有利于施工。3.5.5腐蝕試驗(yàn)隧道地下水以裂隙水為主,取水樣作水質(zhì)分析,測試結(jié)果表明地下水對擬用襯砌材料無腐蝕性。4圍巖地質(zhì)構(gòu)造對隧道穩(wěn)定影響因素的比較對兩種以上的隧道方案進(jìn)行比較時(shí),其要點(diǎn)有:線型、線長、地形、用地、投資、養(yǎng)護(hù)、施工以及安全性、行駛性能、與當(dāng)?shù)丨h(huán)境和景觀的協(xié)調(diào)、對附近地區(qū)的綜合影響