某隧道工程地质条件特征及稳定性研究

郭利召

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000)

0 引 言

项目建设地点位于宽城县下河区，道路总长1 300.00 m，其中拟建隧道全长约304.0 m，高程294.716～303.190 m，埋深1.85～28.62 m，覆土厚度1.85～28.62 m，隧道红线宽26.5 m，隧道净高度9.17 m，净宽度12.10 m。通过地形、地貌、工程地质等勘查，对场地的稳定性和适宜性作出评价；了解物理力学性质指标、承载力等岩土技术参数，查明隧道围岩及进出洞口的地质条件；提出该工程施工和使用期间可能发生的岩土工程问题的预测和监控及预防措施的建议[1-4]。

1 地质环境概况

勘查区位于宽城凹褶束，总体地貌为剥蚀构造低山区，尚义-平泉断裂，平泉-桑园断裂分别位于拟建场区南北两侧，但远离项目场地，影响较小。出露地层主要为中生界侏罗系中统及第四系，岩性以粗安岩、安山角砾岩为主。

2 工程地质条件

2.1 岩土特征

根据钻孔揭露，将勘察范围内地基岩土按物质组合、埋藏条件及成因类型等特点划分为工程地质层，见表1。

表1 工程地质层岩土特征表Tab.1 Geotechnical features of the engineering geological strata

(1)土力物理力学性质

粉质黏土层：在该层作标贯试验6次，最小值6.0，最大值9.0，平均击数N=7.5，标准值N=6.4，标准差S=1.378，变异系数δ=0.184。该层取原状样6件，土工试验指标标准值如下：含水率W=22.1 %，重度γ=19.6 kN/m3，孔隙比e0=0.706，液性指数IL=0.17，粘聚力c=22.5 kPa，内摩擦角φ=11.4度，压缩模量Es0.1-0.2=6.302 Mpa(平均值)，压缩系数a0.1-0.2=0.270 MPa-1(平均值)，属于中压缩性土。

角砾层：在该层作动力触探试验5.0 m，平均击数N63.5=10.6，标准值N63.5=10.2，界限值8.2～13.8，标准差S=1.421，变异系数δ=0.134。该层物理力学性质建议值：变形模量E0≈30 MPa，内摩擦角φ≈30°，渗透系数k=2.0×10-1cm/s(经验值)。

(2)岩石物理力学特征

见表2。

表2 岩石物理力学特征统计表Tab.2 Physical mechanical features of the rock

2.2 不良地质作用

根据场区工程地质调查与测绘，未发现岩溶、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等不良地质作用与地质灾害。拟建工程现状不良地质作用主要为不稳定斜坡、崩塌[3]。

(1)不稳定斜坡

隧道入口处为天然形成的斜坡，山体表层主要为强风化岩石，坡角33°，斜坡多发生于表层强风化层中，为浅表层的垮塌，规模均为小型。建议进行工程治理，已保证安全施工及运营。

(2)崩塌

经野外地质调查，隧道出口处为人工开挖高边坡，边坡类型为岩土混合边坡，未进行支护，高度约为30 m，坡角约为62°。现场调查，岩质边坡整体均处于稳定状态，未见坡体出现隆起、剪出等变形现象，但局部由于裂隙较发育，岩体被裂隙切割成块状，有危岩发育，在降雨引发下产生小规模崩塌、掉块现象，掉块、崩塌体积一般0.5～5.0 m3，危害公路、车辆及人员安全。

3 场地的稳定性及工程建设适宜性

3.1 场地稳定性评价

勘查区沿线地势总体起伏较大，第四系覆盖层厚度较厚，无液化土极特殊岩土分布。现状条件下未发现岩溶、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等不良地质作用与地质灾害，建筑场地范围内不存在土洞、溶洞、埋藏的河道、沟浜、墓穴、孤石等对工程不利的埋藏物。综合评定该场地稳定性划分为基本稳定场地[2]。

3.2 建筑适宜性评价

工程场地地基条件和施工条件一般，工程建设可能诱发次生地质灾害，通过工程防护可以避免，为基本适宜[4]。

4 隧道工程分析与评价

拟建隧道穿越粗安岩及安山角砾岩，进洞口位置主要地层为粉质黏土及碎块状强风风化岩石及中等风化岩石，强风化岩石具有透水性强、遇水软化、崩解等特点。出洞口上方存在粉质黏土、角砾、碎块状强风化岩石及中等风化岩石，碎石土及强风化岩石具有透水性强、遇水软化、崩解等特点。

4.1 隧道进口边坡稳定性分析

边坡为天然形成的岩质边坡，地形较陡，边坡倾向62°，坡角约32°，边坡主要强风化-中等风化安山角砾岩，岩体较破碎，结构面结合一般或差，现场调查未见坡体出现隆起、剪出等变形现象，目前处于自稳状态，见图1左。但根据岩体稳定调查，采用赤平投影图分析见图2，岩体局部由于裂隙很发育，被裂隙切割成块状，在降雨引发下可能产生小规模崩塌、掉块现象，建议对开挖后形成的新边坡采用浆砌片石进行防护。

图1 隧道进口段现状(左)、隧道出口段现状(右)Fig.1 States of the tunnel inlet and outlet sections

图2 隧道进口边坡结构面赤平投影图Fig.2 Structural plane stereogram of the tunnel’s inlet slope

4.2 隧道出口边坡稳定性分析

隧道出口位于坡脚处，边坡为人工开挖形成岩土混合边坡，地形较陡，边坡倾向113°，坡角约62°，坡顶被第四系覆盖，厚度约1.0 m，以粉质黏土及角砾为主，第四系以下为强风化-中风化安山角砾岩及粗安岩，目前处于自稳状态，见图1右。但施工开挖必然会形成新的岩土混合边坡，破坏原有的应力平衡状态，根据岩体稳定性分析，见图3，预测边坡变形破坏模式为，临空面达到一定坡度时，上部强风化岩层沿最不利结构面发生折线滑动，下部岩体局部可能出现被裂隙切割的“棱形”或“楔形”块体掉块、剥落，可能会使边坡失稳，而产生局部滑动，形成严重的次生灾害，建议做好支护工作。

图3 隧道出口边坡结构面赤平投影图Fig.3 Structural plane stereogram of the tunnel’s outlet slope

4.3 隧道出入口边坡治理方案

隧道出口隧道开挖后将形成岩土混合边坡，自上至下主要地层依次为粉质黏土、角砾、强风化粗安岩(安山角砾岩)及中等风化粗安岩(安山角砾岩)，建议采用浆砌片石防护，同时注意坡顶地表水截流及坡面积水的疏干；隧道入口隧道开挖后将形成岩质边坡，主要地层为强风化安山角砾岩及中等风化粗安岩(安山角砾岩)，建议采用浆砌片石防护，同时注意坡顶地表水截流及坡面积水的疏干。

4.4 岩体基本质量等级评价

该文根据岩石坚硬程度、岩体完整程度两个基本因素的定性指标和岩石饱和抗压强度Rc、岩体完整性指数Kv，2个分级因素的定量指标，来确定围岩级别[2-4]。岩石围岩基本质量指标BQ，围岩基本质量指标修正值BQ[3]。根据现场波速测试结果及岩石取样弹性波速测试结果，确定围岩质量等级见表3。

表3 岩体基本质量等级评价表Tab.3 Basic quality grading of the rock mass

进口段：围岩级别Ⅴ，裂隙发育，围岩为中等风化安山角砾岩，岩质新鲜，岩体较破碎。开挖后，洞顶板埋深较浅，无自稳能力，拱部无支护时可能产生较大的坍塌，洞口顶部两侧易产生剥落掉块，侧壁有时失去稳定[1]。

洞身段：围岩级别Ⅴ，隧洞上部有碎石，易坍塌，围岩以粗安岩为主，岩体较破碎。洞顶埋深较大，拱部无支护时可能产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大可能局部坍塌[2]。

出口段：围岩级别Ⅴ，隧洞上部有碎石，易坍塌，围岩以粗安岩为主，岩体较破碎。洞顶板埋深较浅，无自稳能力，拱部无支护时可能产生较大的坍塌，洞口顶部两侧易产生剥落掉块，侧壁有时失去稳定[3-4]。

5 结 语

(1)隧道施工区地质环境简单，不良地质作用主要为不稳定斜坡、崩塌，规模较小。综合评定该场地稳定性划分为基本稳定场地，适宜性分级划分为基本适宜。

(2)隧道进、出口边坡在自然状态处于自稳状态，工程开挖后，可形成不稳定滑坡、崩塌等次生灾害，需进行边坡防护。

(3)隧道岩体坚硬程度较软，为破碎-较破碎型，围岩级别Ⅳ-Ⅴ，隧道施工过程中，侧壁有时失去稳定，可能产生较大的坍塌，需进行拱部无支护处理。