普立特大桥隧道锚碇区岩体工程地质特性研究

喻正富，夏国邦，王世谷，张奇华，杜胜华

(1.云南普宣高速公路建设指挥部，云南 宣威 655400；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室, 武汉 430010； 3.长江水利委员会 长江岩土工程总公司, 武汉 430010)

普立特大桥隧道锚碇区岩体工程地质特性研究

喻正富1，夏国邦1，王世谷1，张奇华2，杜胜华3

(1.云南普宣高速公路建设指挥部，云南 宣威 655400；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室, 武汉 430010； 3.长江水利委员会 长江岩土工程总公司, 武汉 430010)

在建的普宣高速普立特大桥为主跨628 m的悬索桥，其一侧采用隧道锚碇。隧道锚碇区岩体主要存在的工程地质问题是岩体卸荷与岩溶问题。开挖了长120 m的探洞，并在探洞内开展现场岩石力学试验、声波测试和地质描述，获得了岩体物理力学参数与岩体基本质量分级情况。在此基础上，分析了岩体卸荷与岩溶随高程变化和埋深发育的规律。针对岩溶地区建设隧道锚碇可能存在的工程地质问题，探索了一条采用地表地质调查、地质测绘、钻探、洞探、坑槽探、钻孔弹性波测试、勘探斜洞、原位试验钻孔等多种勘探方法的综合勘探技术与分析方法，为隧道锚设计与稳定分析提供了基本依据，可在类似工程中推广。

普立特大桥; 隧道锚碇; 岩体卸荷; 岩溶; 岩体力学试验

1 研究背景

隧道锚碇能较好地利用锚址区的地质条件，工程量相对小(体量仅为重力锚的20%～25%)，是一种性价比高、对周边环境扰动小的锚碇结构形式，在避免大规模开挖、节约投资、保护自然环境等方面具有明显优势。但隧道锚碇的设计受修建地区围岩地质的影响较大，宜在节理较少、完整性好的岩体条件下布置，这对隧道锚碇的工程应用形成了制约。因此，对隧道锚碇的周边地质赋存条件进行深入勘察，是有效利用隧道锚碇结构特性，进而充分发挥其优势的关键环节。

然而迄今为止，国内采用大吨位隧道锚碇建成的大跨度悬索桥还很少，所获得的工程资料也很有限。矮寨特大悬索桥在前期勘察设计阶段采用了勘探平洞、电磁波CT扫描等多种手段研究岩体工程地质性质，并于2012年3月顺利通车[1-3]；四渡河特大桥同样采用隧道锚碇形式，在充分的勘察试验基础上最终顺利建成通车[4-6]；广东虎门大桥在设计初期提出采用隧道锚碇形式，但经过现场模型试验后，最终桥梁设计未采用隧道锚碇方案[7]。从这些工程实际可以看出，隧道锚碇前期地质勘察作用非常重要。文献[8-9]介绍了在普立特大桥隧道锚碇区开展的隧道锚现场拉拔试验研究成果。在公路悬索桥设计规范的报批稿中，没有对不同勘察设计阶段需要采取的勘察手段和工作深度等提出具体要求。

本文以普立特大桥隧道锚碇区岩体为研究对象，分析了隧道锚碇区域岩体勘察的重点问题、阐述了所采用的技术手段及主要的认识，并分析评价了地形地貌及岩体特征对桥基稳定的影响。

2 工程概况

普立至宣威公路是国家高速公路网中杭州—昆明—瑞丽高速公路的一段，是连接我国东部、西南及通向南亚、东南亚各国的公路通道。在建的普立特大桥，是该段高速公路的控制性工程，桥面净宽24.5 m，设计路面高程1 822～1 833 m，主跨 628 m，主缆设计荷载2×101.341 MN。普立岸采用隧道锚碇基础，宣威岸采用重力锚基础。

普立特大桥桥址区位于构造剥蚀、侵蚀中山深切峡谷地貌单元区，普立大沟由北西向南东贯穿桥址区，深切沟谷两侧谷坡地形陡峭，呈“V”形谷。谷深400余米，中上部坡度30°～40°，下部坡度60°～80°(地形特征见图1)。

图1 普立大沟“V”形谷Fig.1 The V-shaped valley of Puli large groove

3 主要不良地质问题

3.1 基本情况

普立大沟谷坡岩体卸荷作用较明显，卸荷作用一方面使原有结构面张开，部分扩展而与其它方向的裂隙贯通、一方面产生新的拉张裂隙，从而造成岩体的裂隙率增高，裂隙的规模增大，并在地下水的作用下，裂隙的溶蚀程度增高。另外，桥位区场地溶槽、溶芽较发育。因此，岩体卸荷和岩溶是工程区域存在的主要地质问题，是控制岩体稳定性主要因素。

针对这些问题，在采用地表地质测绘、槽探、钻孔电视、钻孔声波测试等手段的基础上，进一步针对岩体卸荷问题(见图3(a))，在普立岸隧道锚碇区，以布置探洞的方式进行了地质勘察、物探测试及岩体原位试验工作；针对岩溶问题(见图3(b))，通过在探洞内钻孔和地质雷达探测以查明其发育情况。

图3 地表岩体卸荷与岩溶Fig.3 Rock mass unloading and karst in the earth’s surface

普立岸隧道锚碇勘探洞分平洞(见图4(a))和斜洞(见图4(b))。在岩体卸荷带部分开挖平洞，走向与实际隧道锚碇轴线重合，进入锚碇区永久工程部位开挖斜洞，倾角40°，垂直勘探洞在其左右共布置12个支洞。在勘探洞12个支洞内进行原位岩体变形、岩体直剪、岩体与混凝土接触面直剪试验和岩体结构面直剪试验。

图4 勘探洞Fig.4 Excavation of exploration holes

图5 裂隙的产状统计分布特征Fig.5 Statistical distribution of the occurrence of fissures

图6 勘探洞裂隙发育频率随洞深变化关系Fig.6 Variation of fissure’s occurrence frequency with the depth of exploration hole

图7 勘探洞每米裂隙张开宽度随洞深变化关系Fig.7 Variation of the per meter opening width of fissure in the exploration hole with the depth of exploration hole

3.2 岩体卸荷问题

普立大沟卸荷作用较为明显。岩体卸荷主要通过地表测绘、钻探、物探及勘探洞等手段进行探测。岩体裂隙产状分布特征如图5所示，裂隙发育密度及裂隙张开情况随洞深的变化规律如图6、图7所示，通过图5至图7可以看出有以下特征。

(1) 地层岩性：岩体为石炭系黄龙组和马平组灰岩、白云岩，2类地层为整合接触、无沉积间断形成的弱面(带)；组成坡体的岩石强度差异不大，均为中厚层状硬质岩石，产状近水平(岩层倾角5°～10°)。

(2) 裂隙特征：岩体构造裂隙以陡倾角为主(图5)；卸荷裂隙张开，夹泥或无充填。探洞内共发现7条层间剪切带，剪切带宽度一般为10～30 cm，夹泥，光滑。

(3) 强卸荷带表现为裂隙间距较小，较密集，一般为0.1～0.5 m(图6)，裂隙张开(图7)，最大可见张开数十厘米、并多充填泥质；局部勘探洞顶有滴水，洞顶稳定性较差，必须支护。

(4) 弱卸荷带岩体裂隙间距增大为0.5～1.3 m，裂隙多微张，张开宽度5～10 mm不等，充填少量泥质，洞顶有滴水，隧洞掘进洞顶稳定性较好，岩块间嵌合较好，洞顶及侧壁较稳定，需一般支护或不需支护。

(5) 正常岩体裂隙稀疏，裂隙间距一般>1.5 m，裂隙微张-闭合，洞顶滴水，洞顶及侧壁稳定。

通过对桥区及隧道锚碇区的岩体卸荷发育特征分析可知，桥区卸荷带厚度不大，隧道锚与谷沟陡崖最近的平均距离在200 m以上，卸荷带对隧道锚碇的整体稳定性影响较小。

3.3 岩溶问题

桥位区场地溶槽、溶芽较发育。岩溶的勘探主要通过钻探，并在勘探洞四壁采用地质雷达进行了探测。

对钻孔和地质雷达探测数据进行分析，得到了溶洞发育特征的统计结果，如图8、图9所示。

图8 钻遇溶洞在高程和深度上的分布统计Fig.8 Statistics of the distribution of karst caves in elevation and depth encountered during drilling

图9 溶洞发育特性Fig.9 Characteristics of karst caves development

由图8和图9可知：

(1) 钻遇溶洞分布：桥位区共计80个钻孔用于探查溶洞，其中有17个孔遇36个溶洞。隧道锚碇区同样存在岩溶分布，共计3个孔遇到5个溶洞。

(2) 溶洞分布高程(如图8(a))：高程1 810～1 830 m，遇到溶洞3个，占9%；高程1 700～1 770 m遇到溶洞29个，占88%(其中1 730～1 750 m占70%)；高程1 700 m以下溶洞极少。

(3) 溶洞埋深特征(如图8(b))：深0～30 m遇溶洞数量最多，占溶洞总数的67%；孔深60 m以下未发现溶洞；总体上，孔深30 m以内，溶洞随深度增大而增多，孔深30 m以上，溶洞随深度增大而减少。

(4) 溶洞发育岩性规律(如图9(a))：白云岩2个钻孔遇溶洞4个；灰岩15孔遇到溶洞32个；灰岩钻孔遇溶洞个数远高于白云岩。

表1 隧道锚碇区工程岩体基本质量分级Table 1 Quality classification of rock mass in the tunnel-type anchorage region

(5) 溶洞充填情况(如图9(b))：无充填的空洞17个，占48%；有松散的土夹碎石充填的溶洞15个，占39%；充填半胶结角砾的溶洞4个，占12 %；溶洞大部分为空洞或充填松散堆积物。

(6) 溶洞发育规模：竖向高度<3 m的溶洞占67%，大者可达5～6 m。多为干溶洞，局部底部可能赋存少量岩溶水。

(7) 勘探洞斜洞洞底(距地表深度80.2 m)发现一处较大的溶洞(见图10)，顺洞轴线长6.6 m，横向宽2.0 m，往洞顶、底延伸较深，>3 m。探洞其余部分只发现几处小溶洞，溶洞一般呈不规则缝隙状，深数米，宽<10 cm。地质雷达对洞壁探测结果表明围岩存在较大溶洞的可能性不大。

图10 勘探洞内发现的溶洞Fig.10 A big karst cave discovered in the exploration hole

通过桥位区岩溶总体分布特点的分析，以及锚碇区探洞洞壁岩溶分布情况调查探测，可以基本断定锚洞及周围一定范围(10 m)的围岩不存在规模较大溶洞。

4 工程岩体基本质量分级

根据《工程岩体分级标准》(GB50218—94)[10]，结合桥位区岩体坚硬程度与完整性，岩石及岩体室内与现场试验等，将隧道锚碇区岩体进行基本质量分级(见表1)。普立岸隧道锚勘探洞编录图见图11。

勘探洞内勘察结果显示隧道锚0～31 m为强卸荷、强风化溶蚀带岩体，围岩分类Ⅴ类；31～44 m岩体位于弱卸荷、中风化溶蚀带，围类以Ⅳ类为主；44 m以下岩体为微风化溶蚀带，围岩分类为Ⅲ类，部分Ⅳ类。

图11 隧道锚勘探洞地质编录图Fig.11 Geolograph chart of exploration hole of the tunnel-type anchorage region

5 岩体物理力学性质及参数建议

在勘探洞内共进行了岩体变形试验、岩体本身直剪试验、结构面直剪试验、混凝土与岩体接触面直剪试验4种试验，根据试验结果并类比相似工程相似岩性的工程经验，可得到隧道锚碇区域的工程岩体力学参数建议值(见表2)和隧道锚碇区岩体结构面参数建议值(见表3)。

表2 普立大桥隧道锚碇区岩体物理力学参数建议值Table 2 Suggested physical and mechanical parameters of rock masses in the tunnel-type anchorage region at Puli bridge

表3 普立大桥隧道锚碇区岩体结构面参数建议值Table 3 Suggested parameters of the structure planes of rock mass in the tunnel-type anchorage region at Puli bridge

6 隧道锚碇工程地质评价

普立特大桥隧道锚碇区存在岩体卸荷和岩溶两大地质问题，采用包括地质描绘、钻探、声波测试、地质雷达监测以及开挖勘探洞的综合地质勘察手段对这2大地质问题进行详细的勘察和研究。根据《工程岩体分级标准》(GB50218—94)[10]，结合桥位区岩体特性分析，锚塞体总体位于Ⅲ类岩体中，局部为溶蚀破碎的Ⅴ类岩体，同时隧道锚与普立大沟陡坡的最近距离大于200 m，卸荷带对隧道锚碇的整体影响比较小。通过对岩溶问题的勘测，可以基本断定锚洞及周围一定范围(10 m)的围岩不存在规模较大溶洞。但为了实际工程施工顺利进行，建议在锚洞开挖后对锚塞体周围进行岩溶探测，对锚塞体周围一定范围内岩体采取灌浆等有效的工程处理手段以提高锚塞体周围岩体的完整性。

7 结 论

本文针对普立特大桥隧道锚碇工程，采用了地表地质调查、地质测绘、钻探、洞探、坑槽探、钻孔弹性波测试、勘探斜洞、原位试验钻孔等多种勘探方法的综合勘探手段，特别是针对岩体卸荷和岩溶问题进行了深入细致的勘察和研究。根据隧道锚碇区勘探洞的勘察结果，表明隧道锚碇区岩体坚硬，大部分岩体裂隙发育程度较低，岩体卸荷带对隧道锚碇整体稳定影响较小。

根据岩溶总体分布以及探洞岩溶特点，可基本确定探洞周围岩体一定范围内(10 m)不存在规模较大溶洞，为隧道锚碇方案的成立提供了有利的地质条件。建议在工程开挖后，进一步查明锚洞洞壁一定深度范围内的岩溶发育情况，必要时采取灌浆等有效加固措施。

根据地质勘察结果及结合工程经验类比，提出了隧道锚碇区域的工程岩体分级，并给出了物理力学参数建议值。

综合上述分析，认为隧道锚碇探洞区域的地质条件可满足隧道锚碇设计和施工的要求。现场岩石力学试验和数值分析结果也表明了这一点。通过本文工作，总结出了一条综合性的勘探技术与分析方法，为隧道锚设计与稳定分析提供了基本依据，可在类似工程的地质勘察分析研究中推广。

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(编辑：刘运飞)

Geological Characteristics of Rock Masses Engineering inthe Tunnel Anchorage Area at Puli Bridge

YU Zheng-fu1, XIA Guo-bang1, WANG Shi-gu1, ZHANG Qi-hua2, DU Sheng-hua3

(1.Construction Headquarters of Puli-Xuanwei Highway of Yunnan Province, Xuanwei 655400, China;2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics & Engineering of MWR, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 3.Yangtze River Geotechnical Engineering Corporation,Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

Puli bridge is a large suspension bridge with a main span of 628 m and tunnel-type anchorage on one side. Rock mass unloading and karst problem are the key issues of engineering geology in the tunnel anchorage area. An exploration hole of 120 m long was excavated through the center of the anchorage, and in-situ rock mechanical test, sonic test and geological description were conducted in the exploration hole. The physical and mechanical parameters of rock masses and the classification of basic quality of rock masses were obtained. On this basis, the regularities of rock mass unloading and karst development varying with elevation and embedded depth were analyzed. Comprehensive investigation technologies and analysis methods involving ground surface geological survey, geological mapping, drilling, tunnel excavation, pitting, trenching, elastic wave testing, and in-situ testing are explored in view of the possible engineering geological problems of tunnel anchorage in karst region. These technologies provide fundamental data for the design of tunnel anchorage and the stability analysis, and are worth to be popularized in similar works.

Puli bridge; tunnel anchorage; rock mass unloading; karst; rock mass mechanics test

2014-06-11；

2014-08-18

云南省交通运输厅科技项目(云交科2011(LH)12-a号)

喻正富(1963-)，男，云南通海人， 高级工程师，主要从事公路工程建设管理和岩土工程勘察设计工作，(电话)0874-7170599(电子信箱)yzf21706@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.013

TU45

A

1001-5485(2015)08-0072-06

2015,32(08):72-77