某公路隧道围岩结构特征及力学性质研究

王丹微，庞大鹏

(1.吉林建筑大学测绘与勘查工程学院,吉林 长春 130118; 2.东北电力设计院有限公司,吉林 长春 130033)

公路隧道在施工及后期运行质量维护方面,会不同程度地受到隧道围岩工程性质的影响与制约[1]。尤其是特殊地质地貌条件下,如何避免由于机械设备开挖引起围岩变形量过大,进而出现一系列诸如硬岩岩爆、软岩大变形等失稳事故的发生,已成为山区长大隧道工程施工中的重要议题。在实践工程中,可通过对公路隧址区进行详细工程地质勘察,查明隧道通过地段的地形、地貌、地层岩性、地质构造等工程地质条件,在此基础上,进一步查明隧址区断层破碎带位置及断裂活动性[2],同时探明隧道围岩主要软弱结构面的产状性质及其与隧道轴线关系。通过岩体力学室内试验及原位测试,对隧道各洞段围岩的成因类型、性质、分布范围、发生发展规律进行深入探讨[3],为隧道地质超前预报提供定量化的参数支撑。

1 隧道围岩地层基本特性分析

3)太古界鞍山群四道砬子河组(Ars):分布于整个隧道区,岩性上部由石榴二云片岩、含榴黑云石英片岩、石英云母片岩组成;中部由混合片麻岩、混合岩化黑云斜长片麻岩组成;下部由更长微斜混合片麻岩夹角闪片岩残留体组成,本隧道区段位于岩组下部。

2 隧址区大地构造分析

2.1 构造单元及其基本特征

2.1.1 褶皱构造分析

1)龙岗复式背斜:位于测区南部,核部为四道砬子组,两翼为四道砬子河组上Ⅱ组、杨家店组及夹皮沟群三道沟组,北西翼产状320°～340°∠30°～50°,南东翼130°～150°∠40°～60°,背斜轴向北东50°～60°、长120 km,宽约40 km～50 km,由许多次背、向斜组成。本场地位于该背斜北西翼的次一级向斜—凉水河子南向斜核部。2)凉水河子南向斜:发育在四道砬子河组下部 Ⅱ 组的混合岩化黑云斜长片麻岩中,宽约3 km～5 km,长约5 km,其产状自南东向北西约为345°∠46°,170°∠66°,310°∠20°。

2.1.2 断裂构造分析

孤山子—凉水冲断层:断层长大于20 km,西部延出测区外,东部被玄武岩所覆盖,走向东西,倾向北,倾角50°～60°,主要发育在四道砬子河组混合岩中。该断层于线路相交部位被玄武岩覆盖,受该断裂影响隧址区次级小型断裂或岩石节理密集带发育。

2.2 隧址区新构造运动研究

第三纪初期,测区基本全部隆起,晚期火山活动较剧烈,玄武岩占有较多面积。第四纪早期,断裂构造发育,沿断裂有大量的玄武岩浆溢出,多分布于沟谷两侧。第四纪中更新世,由于南北向挤压应力增强,促使本区东西向构造重新活动,使老的构造形迹不断得到加强,新的断裂陆续发生,而地壳内部火山气体和岩浆趋于地壳内部压力,沿断裂上升,在构造发育部位喷出地表,形成龙岗火山群。至中更新世后期,龙岗火山造锥结束,晚更新世早期,龙岗火山群再次活动,至后期火山活动停止,接受了新黄土沉积。全新统晚期龙岗火山群第三次活动,在构造应力继续加强的情况下,使大椅山等火山口喷出大量玄武岩浆,形成了今日所见的玄武岩地貌。

根据地震资料可知,1975年5月3日在龙岗火山群玄武岩台地之下,曾发生过1.8级地震,表明龙岗火山群玄武岩台地之下,基底构造仍有活动,火山处于相对稳定期,属于休眠火山。

2.3 隧址区区域地震情况

境内地震与清密断裂带活动关系较为密切,设计路线50 km左右范围内,震级最高为里氏2.2级,震中位于辉南县庆阳公社。区域东侧也有微震记录,说明区内东西向、北东向构造活动迹象明显[5]。本区没有Ⅵ级以上地震历史记载,根据建设部建抗[1993]13号文和GB 18306—2001中国地震动参数区划图,本区属构造稳定区。

3 隧道围岩结构特征

隧址区出露的岩性主要为混合片麻岩,受凉水河子南向斜和孤山子—凉水冲断层挤压影响,隧址区局部小型断裂构造发育。依据物探解译成果结合地质调绘、地质钻探和收集的资料[6],隧址区发育1条挤压断裂破碎带,由构造次生的节理裂隙对隧道围岩影响较大,具体分析评述如下:1)断层破碎带。断裂破碎带F1:物探解译近南北延伸,破碎带斜交洞体轴线于地表K43+887,YK43+888附近,物探异常显示低阻带,破碎带影响宽度60 m,断裂倾向东,表现压扭性,倾角约70°,破碎带内岩体碎裂松散,裂隙充水,浅部岩体受挤压影响风化强烈。2)岩体节理裂隙。隧址区主要结构面发育特征及公路走向的空间关系见表1,结构面特征和赤平极射投影见图1。

表1 隧址区结构面特征

由表1可知,隧址区主要发育四组结构面,分别为三组构造结构面—节理J1,J2和J3,以及一组原生结构面片麻理P1。通过对三组节理特征分析可知,节理J1,J2为剪节理,节理面贯通性和延伸性均较好,节理周围岩体蚀变严重,对围岩力学性质有明显的不利影响;节理J3为张节理,有一定张开度,可能引起岩体进一步拉裂,并引起地下水在裂隙中渗流量增大,不利于岩体稳定性。原生结构面片麻理P1,对岩体变形及破坏影响不大。

通过对图1隧址区围岩结构面赤平投影图分析可知,构造结构面节理J1,J2的走向与公路走向相近,应特别重视以上两组节理对隧道围岩强度与变形的影响;其他两组结构面在走向上与公路走向相关性不强。

4 隧道围岩工程性质研究

4.1 隧道围岩工程地质层

隧道区地层下伏太古界鞍山群四道砬子河组(Ars)混合片麻岩,上覆第四系松散层,自上而下简述如下:

②1全风化混合片麻岩(Ars):黄褐色,原岩风化严重,结构、构造基本破坏,矿物基本风化蚀变,岩芯呈松散砂土状,少量碎石状,手掰易碎。该层分布于隧道南侧出口段和洞身段上部相对低洼地段,钻探揭露层厚10.4 m,Vp=960 m/s～1 190 m/s。

②2强风化混合片麻岩(Ars):黄褐色、灰褐色,中粗粒结构,块状构造,矿物部分风化蚀变,风化裂隙极发育,裂隙面铁质侵染,岩体破碎呈松散碎裂结构,岩芯呈碎石状、碎块状。该层隧址区内均有分布,局部岩体破碎带部位厚度较大,物探、钻探揭露层厚1.2 m～11.5 m,Vp=2 080 m/s～3 020 m/s。

②3中风化混合片麻岩(Ars):青灰色,中粗粒结构,夹片麻状构造,矿物成分以石英、长石为主,次为角闪石、云母,局部裂隙发育,裂隙轴夹角25°,36°,48°,60°。岩芯呈碎块状、短柱状,一般柱长5 cm～17 cm,裂隙面见有铁染。该层分布整个隧道区,岩体多以镶嵌碎裂结构为主,局部受构造影响岩体破碎带呈碎裂松散结构,Vp=3 020 m/s～4 800 m/s。

4.2 隧道围岩风化状态分析

隧道区岩体风化程度不均,全、强风化程度弱,厚度一般小于15.0 m,根据物探解译,局部受断裂挤压破碎影响,各钻孔均未揭穿,其钻孔揭露基岩风化带厚度见表2。

表2 钻孔揭露风化带厚度

由表2可知,该隧址区围岩风化带厚度,以中等风化带厚度最大,其次为强风化带的厚度,因此,隧道围岩风化程度以中等风化为主。

4.3 隧道围岩岩石物理力学性质研究

通过钻孔取样,对隧址区岩体进行了室内物理、水理及力学性质参数试验,可得整个隧址区的岩石物理力学性质指标见表3。

表3 岩石物理力学性质成果表

通过对隧道区岩石物理力学性质试验数据分析(如表3所示)可知,取样深度较浅的混合片麻岩其吸水率、饱和吸水率均较高,说明岩石空隙性发育良好,岩体破碎程度较高;同理其抗压强度、抗剪强度参数也明显低于埋深较大的岩石。因此,该隧址区围岩性质一般,整体属于破碎及较破碎,可能在隧道开挖过程中,发生变形过大,应及时支护。

5 结论与建议

1)经收集资料、地表调绘、物探及钻探工作,查明了隧道区岩性特征、时代、成因。该隧址区主要岩性为变质程度较深的混合片麻岩。

2)隧址区局部小型断裂构造发育。隧址区发育1条挤压断裂破碎带,由构造次生的节理裂隙对隧道围岩影响较大。

3)通过对隧道岩体结构分析可知,在该隧道围岩中发育的4组结构面中,有两组剪节理,对围岩变形和强度有较明显影响。

4)隧道围岩风化程度以中等风化为主,应在开挖中,对风化带厚度较大的洞段进行加固处理。

5)隧道围岩力学性质较差,强度偏低,易在开挖中出现变形过大问题。