基于赤平投影的隧道洞口工程地质安全评价

陈 枫, 陈 明, 潘晓君, 刘 仪

(1.台州市交通投资集团有限公司,浙江 台州 318000; 2.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074)

隧道洞口工程地质安全评价研究,不仅是隧道及洞口设计的基础,更是施工的安全依据,它决定了隧道的支护方法和开挖方式[1-2]。关于洞口围岩工程地质安全稳定性评价,国内外学者已建立一套较为成熟的理论体系,但由于岩土体的稳定性影响因素不同,其各因素权重也有所差异,评价方法体系的建立以及评价结果的筛选和分析都需要根据具体情况来做出有针对性的研究[3-4]。因此正确合理地评价洞口工程的地质安全,对隧道设计与施工的合理性及其运营的安全性都起到十分重要的作用。

由于隧址区尚未开始大型工程施工,对于隧道施工缺乏详细的数据,不足以支撑隧道的施工设计,因此对隧址区进行工程地质安全评价尤为重要。结合围岩质量分级和极射赤平投影图解法,重点从洞口坡面稳定性和开挖危险性来展开分析,提出隧址区洞口工程地质的安全建议与措施。

1 赤平投影理论

赤平投影是常见的研究隧道洞口工程地质安全评价的图解方法,它主要用来表示线与面的方位关系,结构面之间的间距关系和结构面的运动轨迹,把结构面在三维空间的几何要素(线和面)的关系反映在投影平面上,从而对稳定性进行直观的研究和处理。它将整个圆周分为360份,每一份为1°,从而表示结构面的倾向,然后每一方格为2°,来画出结构面的倾角,从而将结构面直观地投影到圆上,进而分析各结构面之间的关系。它是一种形象而且综合性强的定量图解法,简单方便、直观的计算方法使其广泛应用于地质科学领域之中[5]。运用该方法可以快速分析隧道洞口边坡与岩层的稳定性关系、节理裂隙与隧道硐室开挖面的稳定性关系,从而对隧道洞口进行工程地质的安全评价研究。

2 隧道洞口工程地质条件

2.1 地形地貌

隧道地处浙江东南沿海丘陵区,位于丘陵孤丘,周边最高点标高144.0 m,地表地形标高一般9～144 m,坡度一般15°～30°,局部陡坡50°以上。第四纪覆盖层厚度1～10 m不等,南侧相对较厚。隧道沿线边坡可以见到多处的滑塌、崩塌及碎落现象(见图1)。坡顶一带覆盖层稍薄,局部基岩裸露。

2.2 气候条件

隧址区域属亚热带季风海洋性气候,气候温和,雨量充沛,日照充足,年日照时数1 950 h以上、平均气温为16.6～17.5 ℃,极端最低气温-6.8 ℃,最高气温41.7 ℃,年平均降雨量为1 689.2 mm,多年平均径流量1 013.5 mm。降水集中在4—6月梅雨期和7—10月台汛期。全年降水分布极不均匀,3—10月份的降雨约占全年的80%。

图1 土质滑坡Fig.1 Soil landslide

2.3 地层岩性

隧址区地层主要为侏罗纪西山头组(J3x)。岩性以青灰、紫红色晶屑、玻屑熔结凝灰岩为主,岩质较硬,岩体较破碎,广泛分布于本项目山体斜坡区段和平原区下部。

2.4 地质构造

调查区内层理不明显,无皱褶,主要为节理、断层,节理普遍发育,由于区内露头不明显,受风化裂隙影响,区域的规律不明显。

楼山隧道洞口附近发现一条断层,走向355°左右,向东倾,露头倾角55°左右,断层带宽1～2 m。在隧道洞身上部,在爆破等外力震动下,结构面易松弛,围岩易产生小规模的坍塌。

根据初勘调查的统计节理,坑道区节理玫瑰花走向见图2,以北东、北北西、北北东、北西向四个方向为主,与区域构造走向一致。主要节理、裂隙特征见表1。

图2 节理裂隙玫瑰花图Fig.2 Rose diagram of joint

表1 节理裂隙特征表Table 1 Characteristics of joint fracture

3 隧道洞口工程概况及围岩质量分级

3.1 工程概况

楼山隧道为分离式隧道,是通过对既有双向四车道隧道原位扩建为双向八车道隧道。既有隧道左线实际长度530.5 m,右线实际长度509.6 m,隧道净断面为10.25 m×5 m,隧道两幅最小间距29～35 m。改扩建后的楼山隧道右线全长487 m,左线全长508 m,隧道净断面为17.25 m×5 m,隧道两幅最小间距25～31 m,洞口纵断面放大图见图3。

隧址区与G104国道基本平行,贯通整个全线,距离线路较近,隧道洞口现场照片见图4。

3.2 洞口围岩质量分级

首先根据岩石的坚硬程度以及岩体完整程度的两个基本因素的定性特征和定量岩体基本质量指标BQ,综合进行初步分级。然后在岩体基本质量分级基础上考虑修正因素的影响,按修正后的岩体基本质量指标[BQ],结合岩体的定性特征综合评判,确定围岩的详细分级。

围岩基本质量指标BQ见公式(1)。

图3 隧道洞口纵断面放大图Fig.3 Enlargement profile of tunnel entrance1.含角砾粉质粘土;2.含粘性土碎石;3.全风化凝灰岩;4.强风化凝灰岩;5.中风化凝灰岩;6.微风化凝灰岩;7.第四纪残坡积物;8.凝灰岩;9.断层带。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中:Rc为岩石单轴饱和抗压强度;Kv为完整性系数[7],利用超声波测试成果计算,见公式(2)。

(2)

式中:vp为纵波波速;vc为横波波速。

图4 隧道洞口现场照片Fig.4 Status of tunnel entrance

围岩基本质量指标修正值[BQ]见公式(3)。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(3)

式中:K1、K2、K3分别为地下水影响、主要软弱结构面产状影响和初始应力状态影响的修正系数。修正系数取值参订《公路隧道设计规范》(JTGD70/2—2014)。

计算得出[BQ]<250,岩体破碎,自稳性差,隧道洞口为Ⅴ级围岩。洞口地形易汇水,原隧道已有排水措施,一般不会有大量涌水,处理不当易产生较大规模坍塌,洞身附近易塌至地表。

4 隧道洞口工程地质安全评价

通过分析围岩的地质条件现状,围岩质量分级计算结果表明,这些安全隐患重点区域主要分布在在隧道洞口和断层破碎带。采用赤平投影图解法对楼山隧道洞口工程地质稳定性进行直观的评价分析[6-7]。

4.1 洞口坡面稳定性评价

隧道洞口斜坡坡度40°～50°,坡向约35°。洞顶围岩主要位于中风化凝灰岩中,节理裂隙发育,岩体呈破碎、碎裂结构,洞口岩层产状240°∠68°,主要节理裂隙J1:100°∠60°、J2:155°∠18°。隧道洞口各坡面与结构面关系的赤平面投影见图5。

图5 洞口坡面稳定性赤平面投影Fig.5 Stereographic projection of slope face

由图5可知,楼山隧道洞口仰坡的坡向与岩层的倾向呈现反向相交,对隧道洞口的边坡稳定性有利;节理J1、J2组合沿岩层切割形成的楔形体的倾向与仰坡的坡向呈大角度相交,对隧道洞口仰坡的稳定性影响不大。隧道洞口左、右两侧边坡的坡向与岩层的倾向呈大角度相交,对隧道洞口的边坡稳定性较为有利。

总体上,楼山隧道一端洞口的仰坡面和左侧边坡均属于稳定型结构,坡体稳定性较好,坡面稳定性较差。隧道入口段施工需要采取相应的防护措施,避免碎石和块石层产生沿岩土界面的滑动。

4.2 开挖危险性评价

经过野外勘察所获得洞口围岩节理裂隙的数据统计和洞口边坡、洞口围岩产状测量,隧道开挖面与结构面关系的赤平面投影见图6。

图6 开挖面稳定性赤平面投影Fig.6 Stereographic projection of excavation face

由图6可知,隧道轴线方向为81°,节理裂隙J1:100°∠60°,节理裂隙J2:155°∠18°,隧道开挖面与节理裂隙J1相交角度>50°,与节理裂隙J2相交角度接近80°。这个部位容易被结构面切割,从而形成不稳定的楔形块体滑出,在实际工程中存在一定的安全隐患。应及时做好围岩支护工作,以预防J1、J2这两组粗糙闭合的节理面不断发育,造成顶部岩块进一步的滑移、塌落等灾害。在天然应力作用下,围岩不断受到挤压,隧道内壁两侧会发育形成不连续的卸荷节理,进而发生围岩松弛带持续失稳,且隧道洞口围岩质量分级为Ⅴ级,围岩稳定性较差,为确保隧道稳定及施工安全,需尽快进行隧道衬砌。

5 隧道洞口工程地质安全防护措施

5.1 洞口坡面防护措施

对隧道洞口临时边仰坡较高的洞口,增加喷、锚、挂网等临时支护措施,保证施工过程中边仰坡的稳定。对于洞口一带的覆盖层,采用钢拱支护开挖。对进洞后可能遇到由不利结构面及其组合引起的小范围塌方及掉块问题,建议采用超前支护、喷、锚、挂网等支护措施。洞室进洞口附近多分布墓穴,施工前应先清除。

图7 边坡临时防护示意图Fig.7 Temporary protection of slope

为便于边仰坡坡面的一次开挖成型,减少刷坡量,开挖出一个台阶后进行坡面测量,从而确保边坡顺直,为边坡防护工程创造条件。洞口边仰坡防护见图7。

5.2 硐室开挖防护措施

边仰坡采用机械分层开挖,人工配合机械刷坡,自上而下分台阶进行,必须边开挖边支护。采用信息法施工,做好施工地质工作,及隧道地质超前预报与监测工作,通过现场采集的数据及时反馈、及时修正。

场地地质条件变化大,所提供工程地质纵断面图等,主要根据地面测绘及部分钻孔揭露推测而得,实际地层岩性、厚度及风化分层界线会有一定变化,建议动态施工,加强施工地质工作和监测工作,根据开挖揭示地层,及时调整支护方案。

6 结语

(1) 楼山隧道洞口外围局部地区存在不同程度的工程地质安全隐患,洞口边坡及围岩均处于不稳定状态,存在的安全隐患较多,需及时防护。

(2) 围岩质量分级结果表明,楼山隧道洞口为Ⅴ级围岩,属于软弱岩,岩体的破碎程度较高,如果对围岩进行直接开挖,会造成大量不稳定的岩石块体滑落。

(3) 图解法属于局部块体稳定性分析,运用赤平投影图解法能完善隧址区工程地质资料,简洁明了地反应出洞口围岩各岩层、结构面之间的关系。

(4) 楼山隧道洞口节理裂隙发育,围岩稳定性差,隧道洞口边坡建议采用边开挖边支护的方式及时防护;而对于隧道开挖,建议采用“管棚法超前支护+台阶分部法”施工。