四面山隧道地质特性及其围岩变形规律研究

郭加付+焦永宝+任松+欧阳汛

摘 要：四面山隧道属于典型的砂泥互层围岩隧道，其软硬岩层性质差异较大，导致其层间结合力差，层理效应明显。通过对四面山隧道工程资料进行收集整理，阐述了四面山隧道的地形地貌特征、地层岩性特点、地质构造、各种不良地質条件等方面，掌握了四面山隧道工程概况并进行了地层岩性总结，分析了工程地质及水文地质特性，并提出了四面山隧道工程地质评价；基于上述内容，以四面山隧道近水平砂泥互层段为工程依托，采用数值模拟，进行软硬互层围岩变形规律研究，进而提出相应的支护参数设计建议，保证安全施工，研究成果对类似隧道施工及相应支护提供了有益借鉴。

关键词：四面山隧道 软硬互层 围岩变形 支护

中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0061-05

目前，重庆市西南区域和贵州北部交通落后，高速公路网相对较不完善，为改善地区间交通条件，促进地方经济社会发展，因此建设重庆江津至贵州习水高速公路。四面山隧道是重庆江津至贵州习水高速公路中的一段，隧道左洞长为4 880 m，右洞长为4 875.35 m，属于特长隧道，该隧道建设对区域经济及交通的发展发挥了重要的作用。为了更加科学地对四面山隧道进行施工，且保证施工过程中各类防治措施的有效实施，因此，针对该隧道地质特性进行分析并研究其围岩变形规律显得尤为重要。

1 隧道工程地质特性

1.1 地理位置及地形地貌

隧址区属中低山地貌区。隧道进洞口段位于斜坡地带，高程约540～570 m，隧道进口与斜坡坡向呈切向相交进洞。隧道进洞口段为一处顺向坡，斜坡坡角15°～25°，局部较陡达35°，上覆土体。隧道出洞口段位于缓坡与陡崖过渡带，高程570～650 m，拟建隧道出口延伸方向200°，隧道出洞口斜坡坡向约195°，隧道走向与斜坡坡向基本一致，斜坡坡角25°～30°，局部较达35°，上覆土体。

隧址区斜穿石龙峡背斜轴部，隧址区内最高点位于左线中部LZK2+280山脊线上，标高1 197.10 m，最低标高点位于隧道左线进洞口LZK0+190，标高540.747 m，相对高差达656.353 m，隧道最大埋深614.79 m。

1.2 地层岩性

隧址区分布地层主要为第四系（Q4）残坡积层、崩坡积层、滑坡堆积层、白垩纪（K）上统夹关组及侏罗系（J）上统蓬莱镇组。

1.3 地质构造

隧址区斜穿石龙峡背斜轴部，其中北东翼岩层产状：70°～90°∠10°～13°；轴部岩层产状近水平；南西翼岩层产状：185°～272°∠8°～10°，未见次级褶曲和断层，构造简单。

1.4 不良地质现象

隧址区存在的主要不良地质现象为进口段顺向坡、进口段崩塌堆积体、沙河1#崩坡积体、下烂坝滑坡、蔡伦屋基不稳定斜坡、隧道出口段崩坡积体。

（1）进口段顺向坡。

隧道LZK0+190～LZK0+385段为一处顺向坡，斜坡坡向45°～55°，坡角16°～22°，局部可达50°，岩层产状为70°∠13°，斜坡坡角大于岩层倾角，但该段斜坡岩层产状平缓，自稳能力好，该段斜坡基岩未见变形、滑动痕迹，斜坡基岩整体稳定。

（2）进口段崩塌堆积体。

该崩塌堆积体分布里程LZK0+190～LZK0+385，崩塌堆积体所处斜坡坡向约45°～55°。崩坡积体厚度约1.2～11.2 m，主要物质组成为粉质粘土夹砂泥岩块石，岩土界面平缓，地表未见裂隙等变形特征，崩坡积体现状处于稳定～基本稳定状态，隧道左洞进口约50 m（暗洞30 m）、右洞进口约20 m（基本为明洞）隧道上部处于崩坡积体内。

（3）沙河1#崩坡积体。

平面形态呈喇叭状，纵长3.3 km，横宽1.9 km，整个崩坡积体分布最高高程1 000 m，最低高程290 m，最大高差约710 m，整体呈斜坡地形，坡面形态总体平直，总体坡向约54°～67°，坡角一般10°～13°，斜坡底部局部稍陡，可达25°。隧道路线LZK0+435～LZK2+240段自东北向西南方向斜穿崩坡积体下方基岩，隧道的设计标高为545.192～573.992 m，地面标高622.436～972.925 m，高差约77～399m。

（4）下烂坝滑坡。

位于斜坡顶部、沙河1#崩坡积体内，为2012年全市地质灾害排查所圈定的滑坡，据前人资料，该滑坡主滑方向63°，纵长约850 m，横宽380 m，面积32.3×104 m2，滑体厚4～9 m，均厚6 m，体积194×104 m3。滑坡坡面形态总体平直，局部微突，斜坡总体坡角10°～11°。通过现场调查及访问，该滑坡地表未见变形迹象，仅局部土房墙体开裂。拟建隧道LZK1+100～LZK1+550段斜穿该滑坡，隧道的设计标高为555.752～563.112 m，地面标高为749.748～834.911 m，高差约193.996～271.799 m。

（5）蔡伦屋基不稳定斜坡。

主滑方向209°，纵长约957 m，横宽249 m，面积23.8×104 m2，滑体厚3～9 m，均厚6 m，体积142.8×104 m3。该坡面形态总体平直，局部微突，斜坡总体坡角17°～25°。现场调查该滑坡地表未见变形迹象，仅局部土房墙体开裂。拟建隧道洞身段LZK2+800～LZK3+000在其北西侧200 m通过，该斜坡基本稳定，对拟建隧道基本无影响。

（6）隧道出口段崩坡积体。

该崩塌堆积体分布里程LZK4+900～LZK5+080，崩塌堆积体所处斜坡坡向约195°。崩坡积体厚度约3.1～8.3 m，主要物质组成为粉质粘土夹砂泥岩块石，地表未见裂隙等变形特征，岩土界面平缓，崩坡积体现状处于稳定状态。

2 隧道水文地质条件

隧址区主要为侏罗系上统蓬莱镇组泥岩、砂岩。地下水主要赋存于砂岩裂隙中，为浅层地下水，泥岩为相对隔水层。该地区砂岩中风化岩体较完整，裂隙不发育，渗透系数小，且由于砂泥岩互层，上部泥岩阻隔地下水渗入下部砂岩，因此总体水量较小。隧道区未发现有泉水出露，该类型地表泉水稀少，泉流量多小于0.05 L/s，并多呈季节性，泉井均为久晴即干，地面多呈贫水状，故富水性弱，地下水贫乏。

大气降水为地下水的主要补给源，隧道起点位于斜坡地带，地下水排泄条件好，但雨季该地带存在临时汇水条件，隧道在该段埋深约0～30 m，处于浅埋段，雨季地表水可能通过基岩裂隙补给隧道。隧道洞身LZK2+500～LZK4+100段地表地形较陡，地下水排泄条件较好。LZK4+100～隧道终点段多穿越山脊斜坡地带，地下水多顺坡向作短途径流后排向地势低洼的东北侧的沟谷及茶坝河内。

综上，地下水的季节性明显，隧道所处地形地质条件决定隧址区地下水较贫乏，赋存少量裂隙水。取样分析结果表明，区内地表水类型为HCO3-·SO42--Ca2+型。区内地表水及地下水对砼微腐蚀性。

3 四面山隧道围岩变形规律研究

3.1 工程稳定性分析

隧址区斜穿石龙峡背斜轴部，其中北东翼岩层产状：70°～90°∠10°～13°；轴部岩层产状近水平；南西翼岩层产状：200°～272°∠8°～10°，产状较稳定，未见次级褶曲和断层，构造简单。洞身地面山体稳定，地层分布连续，无断层破碎带，区域地质整体稳定性较好。穿越地层主要为侏罗系上统蓬莱镇组砂岩、泥岩，隧道最大埋深左线614.7 m，右线608.5 m。根据区域资料，隧址区内无高地应力存在，根据区域资料，隧址区内无高地应力存在。隧址区内无煤层分布，无有毒有害气体，无采空区及岩溶现象，不会发生突水突泥。

根据地勘资料，隧址区内岩体为由砂岩和泥岩组成的近水平层状围岩，且对于隧道围岩及其相应施工方案进行了总结归类[1]，具体如表1所示。

3.2 模型建立

根据《四面山隧道施工设计说明》及相关地勘资料，对砂泥互层V级围岩段隧道进行开挖模拟，隧道断面为三心拱形，其尺寸如图1所示模拟过程中以平面应变模型进行处理分析，并建立几何模型如图2所示。所模拟围岩范围宽300 m，高118 m，尺寸參数远大于开挖半径。此时隧道开挖与模型边界相互无明显影响。岩层自上而下为泥岩（34 m）—砂岩（31 m）—泥岩（12 m）—砂岩（9 m）—泥岩（9 m）—砂岩（23 m），其中，泥岩为软岩，砂岩为较软岩。用杆单元Link1模拟锚杆，梁单元Beam3模拟喷射混凝土，平面单元Plane42模拟岩体，数值模拟所需力学参数如表2所示。

3.3 模拟结果及分析

图3、图4为隧道开探位移结果，模拟结果显示，四面山V级砂泥岩段隧道拱顶下沉相对水平收敛变形更为明显，图5、图6为隧道应力场结果。可见，隧道围岩应力最大值集中在隧道拱肩部分，且由衬砌受力（图7）及锚杆受力（图8），隧道拱肩处锚杆及衬砌受力最大，拱腰处锚杆受力很小，且拱脚处部分锚杆受压，可见目前四面山砂泥互层围岩段隧道常用的支护设计方案可行，但造成了很大程度的浪费，因此，针对四面山隧道可进一步提出类似隧道的施工设计建议。

4 工程稳定性分析及施工设计建议

该隧道V级砂泥互层围岩分布在隧道进口、隧道出口以及隧道洞身部分围岩段，以隧道左洞为例，其具体围岩质量指标划分以及相应力学性质如表3所示。

综合以上隧道地质特性分析可知，隧道施工设计方案未针对性考虑围岩中层理效应等方面存在的影响。另外，对于近水平软硬互层围岩隧道稳定性及其支护作用特点所进行的工作相对不够，因此该文针对砂泥互层V级围岩隧道施工及其支护方案提出相应的建议，并对水平软硬互层围岩隧道在初期支护方面可进行相应的改善。

4.1 隧道超前支护建议

四面山隧道V级砂泥互层围岩段砂岩为较软岩，泥岩为软岩，可见岩性较差。开挖前需采取相应的超前支护措施，对于超前支护手段，有超前锚杆方案和超前小导管方案可供选择，超前锚杆作用在于将隧道围岩锚固成整体，提高层间强度，但此方案对层状围岩水平方向影响较小。因此，建议采取超前小导管进行喷浆，可使围岩裂隙加固更能有效地保证围岩的稳定开挖。

4.2 隧道开挖建议

当软硬互层围岩层理倾角为水平或者近水平时，隧道拱顶处最小主应力明显要小于隧道断面的其他部位，最大主应力则在拱腰处。由于隧道开挖后的围岩具有沿垂直层理方向的滑动、应力释放，变形特点表明水平软硬互层隧道的一大特点，即水平层理对于隧道拱顶及拱底稳定性不利，需时常注意拱顶及拱底的变形情况[2]。

由于岩质多软弱，以软岩为主，风化裂隙较发育，层间结合一般。无自稳能力，洞口浅埋段洞顶易坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉（陷）或坍至地表，洞身段拱部及侧壁无支护时可产生坍塌、失稳。施工时应采用导洞或台阶分部开挖，同时采取二次复合支护。

4.3 锚杆支护建议

水平软硬互层围岩隧道另一特点，即隧道水平收敛数值相对较小这一事实，进行围岩稳定性分析，并对层状围岩隧道而言，锚杆作用大都体现在锚固作用方面，即锚杆的作用主要在于提高层间强度。综合以上特点发现，锚杆对水平岩层层理影响较小，目前的支护方案相对更为保守，但在锚杆使用上却造成了很大的浪费，因此，对初期支护中的锚杆支护作用进行了分析。对锚杆支护，由于水平方向的锚杆受力很小，锚杆所产生的作用对隧道围岩稳定性基本无较大影响，针对此状况，可结合数值计算，验证其合理性[3]。将一定角度范围内的锚杆取消，不仅可获得良好的加固效果，锚杆受力更充分，并实现锚杆与围岩共同承载。此外，节省了锚杆支护数量，降低了支护材料消耗和支护成本[4]。且更好地应对开挖所产生的应力场变化和位移场的变化。

另外，对于拱肩锚杆受力较拱顶锚杆大的特点，需加强对锚杆支护作用的监控量测，与此同时，将拱顶锚杆稍移向拱肩也是可行的。

4.4 初衬支护建议

水平层状围岩拱顶处松动圈范围大，拱腰处松动范围小，这与其他类型的隧道有着明显的差距。针对四面山隧道V级砂泥互层围岩特点，对初期支护采取钢筋混凝土结构，此类支护方案大有裨益，解决了后期支护开裂问题，也对二次衬砌后的隧道安全性、耐久性、承载能力等方面进行了完善。

4.5 二衬支护建议

由于四面山砂泥互层V级围岩明显的层理作用，在保证安全规范地施工前提下，缩短二衬养护时间，不仅能更好地保证开挖歩距规范化，还能保证隧道施工安全、高效的进行。

5 结论

对四面山隧道进行地址特性分析，并对砂泥互层V级围岩隧道进行分析及施工设计建议，主要得到以下结论。

（1）对于四面山砂泥互层V级围岩隧道中出现明显层理作用的情况，在施工过程中必须时常注意拱顶及拱底处隧道围岩的稳定性。另外，对于拱肩锚杆作用大于拱顶锚杆的特点，需加强拱肩锚杆受力的监控量测。

（2）针对砂泥互层V级围岩隧道段并结合其特点，建议超前支护采取超前小导管对隧道围岩进行加固。

（3）四面山砂泥互层V级围岩段隧道由于围岩岩性较弱，建议采取台阶法或导洞法进行分步开挖。

（4）砂泥互层V级围岩段隧道拱腰部分锚杆支护作用较小，建议取消拱腰处一定角度的锚杆，并结合数值模拟方法进行进一步确认；另外，根据拱肩部分锚杆受力大于拱顶锚杆特点，可将拱顶部分锚杆移向拱肩，既保证了围岩的稳定，锚杆受力也更充分，也实现了锚杆围岩的共同承载，减少了锚杆浪费。

（5）根据四面山砂泥互层V级围岩松动圈范围，建议初期支护采取钢筋混凝土结构。

（6）建议四面山砂泥互层V级围岩段在保证安全规范地施工前提下，缩短二衬养护时间，规范开挖歩距，保證隧道安全高效施工。

（7）四面山隧道砂泥互层V级围岩段开挖及支护设计建议适用于类似隧道施工，并具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 沈亮，曲福友，周闽江，等.礼让隧道工程地质水文及设计施工建议[J].西部资源，2015（6）：13-15，18.

[2] 姜伟，吴爱国.岩层层理产状与隧道稳定性的关系[J].华南港工，2008（3）：61-64.

[3] 冯文凯，石豫川，王兴平，等.高速公路隧道水平层状围岩支护优化[J].中国公路学报，2009，22（2）：65-70.

[4] 戴俊，郭相参.煤矿巷道锚杆支护的参数优化[J].岩土力学，2009，30（S1）：140-143.