基于闽江隧道穿越岩土条件的研究

肖丹凤，谢经磊

(中石化中原石油工程设计有限公司，河南 濮阳 457001)



基于闽江隧道穿越岩土条件的研究

肖丹凤，谢经磊

(中石化中原石油工程设计有限公司，河南 濮阳 457001)

摘要：闽江隧道穿越是海西天然气管网二期工程(福州—三明段)的控制性工程之一，通过对闽江隧道穿越段的勘察研究，隧道通过区基岩以上侏罗统南园组凝灰熔岩为主，局部见脉状侵入的花岗岩，隧道进、出口段及丘坡地带有少量第四系残坡积土，河床土质主要为冲洪积砂土，岩体完整性较好，围岩等级为Ⅲ～Ⅳ级；地质构造简单，附近无断层通过；水文地质条件较好，对管道的腐蚀性较弱，适宜管道进行隧道穿越。文章建议加强施工过程的地质监测工作，采取探、掘结合的方法，严格执行先探后掘、先治后掘的防、治水原则，及时发现和解决问题，降低施工风险，确保工程安全。

关键词：闽江隧道；地质构造；围岩；岩土工程；研究

1区域地质背景与地震条件研究

1.1区域地形地貌

测区大地构造属华南褶皱东部之闽东火山断拗带中部，次级构造属斌溪—闽侯火山岩拗陷带，受新华夏系构造的影响和控制，测区附近主要发育2条北北东向的火山裂隙喷发带，即北西的溪坪—天池顶火山喷发裂隙带和南东的小虎头—长坑火山喷发裂隙带。

1.2区域稳定性与地震地质条件分析

本区构造形态主要成生于燕山期，隧址区位于斌溪—闽侯火山岩拗陷带南西段，属相对稳定地块，区域稳定性较好。

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001，2009年版)[1]及《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，隧址所在区域地震动反应谱特征周期值为0.40s，地震动峰值加速度为0.05g；依据抗震设防区划，区内建筑抗震设防烈度为6°。

2工程区地质条件研究

2.1自然条件

闽江隧道穿越位于福建省福州市闽侯县竹歧乡—白沙镇之间。闽侯县中亚热带季风气候区，气候温和，四季如春，夏长无酷暑，冬短无严寒，年平均气温19.5 ℃，年平均降水量为1 673.9 mm，冬季多偏北风，夏季多偏东南风，年平均风速3 m/s。

2.2地形地貌

穿越段闽江河道较顺直，河谷呈略对称的宽缓“U”型，河床质为中粗砂，水下地形起伏较大，主河槽偏西岸，2011年9月4日17：50实测河水位2.52m，水面宽820m，东侧边滩宽约50m，河滩水深一般在3.50～8.50 m，主河槽水深10.05～14.26 m，最大水深16.17 m，涨、落潮水位差达3.22m。两岸属丘陵地貌，西岸为天然岸坡，坡角约30°，坡顶为上岐—潘头的水泥公路，高出江面约9m；东岸为人工岸坡，总体坡角约27°，坡顶为X115县道，高出江面约13m，临江一侧为条石堡坎[1]。

2.3地层岩性

工程地质测绘和钻探揭露证实，隧道通过区基岩以上侏罗统南园组(J3nb)凝灰熔岩为主，局部见脉状侵入的花岗岩，隧道进、出口段及丘坡地带有少量第四系残坡积(Q4edl)土，河床土质主要为冲洪积(Q4apl)砂土。

2.4工程区地质构造研究

测区大地构造属华南褶皱东部之闽东火山断拗带中部，次级构造属斌溪—闽侯火山岩拗陷带，受新华夏系构造的影响和控制，测区附近主要发育2条北北东向的火山裂隙喷发带，即北西的溪坪—天池顶火山喷发裂隙带和南东的小虎头—长坑火山喷发裂隙带。

2.5水文地质概况评价

隧址区属构造剥蚀、侵蚀丘陵—河谷地貌，区内基岩以火山喷出岩—凝灰熔岩为主，局部花岗岩沿裂隙脉状侵入，第四系冲洪积松散堆积层分布于闽江河道两岸的漫滩部位，区内地下水按赋存介质的组合特征，可分为第四系松散岩类孔隙水和火山岩类基岩裂隙水二大类型，地层的富水性受含水层岩性、分布面积、裂隙发育程度及地形地貌的影响和控制。

按《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001，2009年版)第12.2节及《油气田及管道岩土工程勘察规范》(GB 50568—2010)[3]附录A的标准，穿越段地下水对混凝土及混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性；地表水对混凝土有弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

2.6岩体的风化特征

测区浅表岩体在各种风化营力的作用下受到不同程度的风化，总体来看岩体的风化程度随着深度的增大而迅速减弱，表现出明显的垂直分带性。测区岩体自上而下可分为全风化、强风化、中等风化及微风化等4个风化带。

2.7河床及岸坡的稳定性

穿越段河床土质为二元结构，主河道堆积层厚度约8～22 m，上部为松散-稍密的中粗砂，下部为稍密的卵石土，现有河床的自然状况较好，河道内无采石挖砂现象，河床未受扰动，抗下切侵蚀的能力较强，枯、平水期河水流量小、流速缓，冲刷作用较弱，河床稳定性较好；洪水期河水流量大、流速快，对松散表层具一定的冲刷能力，河床稳定性相对较差。

由于穿越段处闽江下游，江面较宽、水流平稳，河道平均坡降约0.1‰，河流的中-长期冲刷侵蚀与堆积补偿作用基本保持动态平衡，河床的稳定性总体较好。

穿越段所在河段属剥蚀丘陵区，河道开阔，两岸岸线较顺直，岸坡的稳定性总体较好。闽江东岸穿越断面附近为X115县道的条石堡坎，无天然条件下的岸坡再造问题；闽江西岸为自然岸坡，其物质构成主要为人工填土和残坡积粉质黏土，穿越处因采石场倾渣岸坡坡面多为大块石，因而其稳定性较好，但下游不远处的原生岸坡在河流的侧蚀作用下，已出现多处潜蚀坍塌，说明水流对西侧土质岸坡有一定的冲刷破坏作用。

3隧道工程地质评价

3.1两岸场地的稳定性

隧道进口位于闽江东岸一小冲沟南侧的阶梯状缓斜坡部位，高出沟底约8.40 m，自然地形坡角约8°～12°，表层残坡积厚度一般1～3 m，冲沟底部约8～12 m，下伏为侏罗系上统南园组凝灰熔岩，斜坡的稳定性较好。

隧道出口位于闽江西岸的采石场内，地形平坦、开阔，表层为人工填土和残坡积土，厚度约8～13 m，下伏为侏罗系上统南园组(J3nb)凝灰熔岩，场地的稳定性好。

3.2岩、土工程性状及物理力学指标

3.2.1土体的工程性状

人工填土(Q4ml)：分布于两岸公路、铁路的路基-路肩和西岸的采石场一带，厚度约5～8 m，主要成分为块、碎石和粉质黏土，结构松散至稍密，东岸距隧道位置较远，对隧道工程不构成影响；西岸为隧道斜井的开洞层位，其强度低、自稳能力差，需全断面支护掘进。

冲洪积土(Q4apl)：分布于闽江河道内，东段厚度一般10～15 m，西段厚度一般15～25 m，以中-粗砂为主，底部卵石层较薄，结构松散至稍密，由于其远离隧道位置，对工程影响极小。

残坡积土(Q4edl)：分布于闽江两岸，东岸厚度一般1～3 m、冲沟底部约8～12 m，西段厚度一般3～5 m，由粉质黏土夹块、碎石组成，为隧道斜井的穿越层位，强度低、自稳能力差，需全断面支护掘进。

3.2.2岩体的物理力学指标

3.2.2.1岩石物理力学试验指标

隧道穿越段围岩以凝灰熔岩为主，局部为花岗岩。试验分析表明，中风化凝灰熔岩饱和单轴抗压强度一般38.6～54.4 MPa，软化系数一般0.56～0.69，属易软化的较硬岩[4]；微风化凝灰熔岩饱和单轴抗压强度一般62.2～73.5 MPa，属坚硬岩，软化系数一般0.76～0.94，属不易软化的坚硬岩；中-微风化花岗岩饱和单轴抗压强度39.4～8.5 MPa，软化系数一般0.59～0.70，属易软化的较硬岩。

岩石物理力学指标依据室内试验成果，按照《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001，2009年版)第14.2条进行统计分析，结果如表1。

表1　岩石主要物理力学试验指标统计结果(标准值)表

3.2.2.2岩体物理力学指标推荐值

1)天然重度平均值：26.5kN/m3；

2)饱和抗压强度标准值：14.20MPa(折减系数0.33)；

3)抗拉强度标准值：1.07MPa(折减系数0.20)；

4)内聚力标准值：1.80Mpa(折减系数0.33)；

5)内摩擦角标准值：38.2°(折减系数0.70)；

6)弹性模量标准值：26.13×103MPa(折减系数0.67)；

7)泊桑比标准值：0.21。

3.3隧道围岩分级

根据《油气田及管道岩土工程勘察规范》(GB 50585—2010)规定，依据岩石坚硬程度、岩体完整程度及围岩基本质量指标BQ，对隧道围岩进行基本分级，围岩级别Ⅲ～Ⅴ。

3.4结构面对隧道工程的影响

工程地质测绘表明，隧址区基岩主要发育产状72°∠76°和148°∠75°二组陡倾节理，岩体结构面对隧道工程的影响，二组陡倾节理对东岸斜井的影响较大，节理与斜井顶面构成不稳定楔形体，易在斜井北侧壁顶部形成掉块，受振动时极易发生楔形体滑落；节理与隧道侧壁构成的不稳定楔形体，受振动时易在斜井北侧壁下部剪出。节理对隧道平巷及西岸斜井的影响不大，局部可能在隧道北侧壁顶部形成小的掉块。

3.5放射性和有害有毒气体

本次勘察未取得岩体气样和放射性分析样，根据《福州-福清-南日岛幅1：20万联测区域地质调查报告》及邻区《闽清县幅1∶5万地质图说明书》，侏罗系火山熔岩含有微量的放射性元素钍(Th)和铀(U)等，其含量丰度值极低，铀(U)一般<10×10-6，钍(Th)一般<35×10-6，不会对人体构成危害；隧道穿越地层不含煤层和有机物，无瓦斯、甲烷、硫化氢等有毒有害气体。但施工中亦应加强放射性和有毒有害气体的检测，做好通风排烟工作。

3.6构造破碎岩带工程地质评价

本次勘察证实，隧道穿越位置分布有一构造破碎岩带，厚度13.8～21.0 m，以带内节理裂隙密集发育、岩体破碎为显著特点，由于其岩性与上、下原岩一致，也未见压溶与蚀变等动力变质特征，故该带实际上为节理、裂隙密集带。物探资料也佐证了破碎带的存在，并显示该带在隧道进洞口与铁路外福线之间穿出地表，外福线东侧冲沟 “土层+强风化层”物探显示厚度达23.5m，正是该破碎带穿出地表的直接反应。破碎岩带对穿越隧道的影响主要有3个方面：①制约了对隧道标高(埋深)的选择；②提高了隧道围岩的支护等级；③带来了隧道雨季涌、突水的危险。因而，在隧道设计和施工中，对此都必需给予高度的重视，选取适宜的工艺与保护措施，制定相应的应急预案。

3.7隧道弃渣场工程地质评价

本穿越隧道总长度为1 111.62 m，断面净尺寸初步设计为2.70×2.70m，按松散系数1.70计算，工程总出渣量预计为14 400 m3。按照就地弃土堆放的原则，东岸隧道进口可选择铁路外福线东侧的冲沟作为弃渣场地；西岸隧道出口处为采石场，矿主正且拟建为混凝土搅拌站，附近无适宜的弃渣场地，隧道弃渣需外运堆放。东岸弃渣场可利用地形条件，就近于进洞口西在冲沟底部水沟的南东侧砌筑挡渣墙，挡墙长度约185m，按挡墙高2.50 m计算，堆渣量约7 500 m3。

根据隧道物探资料，冲沟底部基岩埋深较大，表层残坡积粉质黏土夹碎块石最大厚度约8m。挡渣墙基础可置于粉质黏土夹碎块石层中，基础埋深应保证挡渣墙的稳定，但≤1.50 m，粉质黏土的地基承在力特征值可按105 kPa取值，土对挡墙基底的磨擦系数可按0.25取值。

4结语

1)本报告过江段隧道埋深，参照Z.D.Eisenstein的挪威经验曲线，在拟合计算的基础上，综合穿越断面地层结构、岩体物理力学特征和闽江水文情况等方面资料后，按照安全、合理、经济的原则确定的，仅作为初步的建议方案。设计方可根据设计经验以及对隧道的全面要求进行具体调整，建议适当降低过江平巷段的隧道标高。

2)东岸斜井上段大致在离进洞口平距约35～56 m间穿过破碎岩带，该段水平长约21m，建议采用小管棚全断面支护掘进工艺快速通过，并用现浇钢筋混凝土做永久性支护。为确保巷道及施工安全，必要时可对进洞口位置及平巷段长度作适当调整，请设计按实施的具体要求予以综合考虑。

3)建议加强施工过程的地质监测工作，采取探、掘结合的方法，严格执行先探后掘、先治后掘的防、治水原则，及时发现和解决问题，降低施工风险，确保工程安全。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

中图分类号：U452.11

文献标识码：B

[作者简介]肖丹凤(1982-)，女，吉林辽源人，工程师；谢经磊(1981-)，男，河南许昌人，工程师。

[收稿日期]2015-10-21

文章编号：1007-7596(2016)01-0023-03