赤平投影下的隧道工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)范文

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摘要：本文根據(jù)浙江樓山隧道洞口的野外勘察資料和實(shí)際工程情況，分別從滑坡、危巖、棄渣和斷層節(jié)理四個(gè)方面對(duì)隧址區(qū)工程地質(zhì)條件展開介紹，以說(shuō)明隧道洞口工程地質(zhì)安全現(xiàn)狀。對(duì)解決隧道洞口的工程地質(zhì)安全問(wèn)題，研究將采用圍巖質(zhì)量分級(jí)和赤平投影圖解法相結(jié)合的方法。首先，確定隧道洞口圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，即巖體的破碎程度比較高，隧道洞口圍巖穩(wěn)定性差；其次，對(duì)洞口坡面穩(wěn)定性和硐室開挖危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析分析，得出隧址場(chǎng)區(qū)洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)結(jié)果；最后，總結(jié)出隧道洞口工程地質(zhì)安全的對(duì)策措施。

關(guān)鍵詞：隧道洞口，圍巖質(zhì)量分級(jí)，赤平投影，安全評(píng)價(jià)

引言

隧道洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)研究，不僅是隧道及洞口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，更是施工的安全系依據(jù)，它決定了隧道的支護(hù)方法和開挖方式[1-2]。關(guān)于洞口圍巖工程地質(zhì)安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已建立一套較為成熟的理論體系，但對(duì)于具體的工程設(shè)施，由于巖土體的穩(wěn)定性影響因素不同，其各因素權(quán)重也有所差異，評(píng)價(jià)方法體系的建立以及評(píng)價(jià)結(jié)果的篩選和分析都需要根據(jù)具體情況做出有針對(duì)性的研究[3-4]。因此正確合理評(píng)價(jià)洞口工程地質(zhì)安全，對(duì)隧道設(shè)計(jì)與施工的合理性及其運(yùn)營(yíng)的安全性都起到十分重要的作用。由于隧址區(qū)尚無(wú)大型工程施工，對(duì)于隧道施工缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù)，不足以支撐該隧道的施工設(shè)計(jì)，因此對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)尤為重要。本文將結(jié)合圍巖質(zhì)量分級(jí)和極射赤平投影圖解法，重點(diǎn)從洞口坡面穩(wěn)定性和隧道開挖危險(xiǎn)性來(lái)展開分析，提出該隧址區(qū)洞口工程地質(zhì)安全建議與措施。

1赤平投影理論

赤平投影是常見的研究隧道洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)的圖解方法，它主要用來(lái)表示線與面的方位關(guān)系，結(jié)構(gòu)面之間的角間距關(guān)系和結(jié)構(gòu)面的運(yùn)動(dòng)軌跡，把結(jié)構(gòu)面在三維空間的幾何要素線和面的關(guān)系反映在投影平面上，從而對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行直觀的研究和處理。它將整個(gè)圓周分為360份，每一份為1°，從而表示結(jié)構(gòu)面的傾向，然后每一方格為2°，來(lái)畫出結(jié)構(gòu)面的傾角，從而將結(jié)構(gòu)面直觀的投影到圓上，進(jìn)而分析各結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系。它是一種形象而且綜合性強(qiáng)的定量圖解法，簡(jiǎn)單方便、直觀的計(jì)算方法使其廣泛應(yīng)用于地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域之中[5]。運(yùn)用該方法可以快速分析隧道洞口邊坡與巖層穩(wěn)定性關(guān)系、節(jié)理裂隙與隧道硐室開挖面穩(wěn)定性關(guān)系，從而對(duì)隧道洞口進(jìn)行工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)研究。

2隧道洞口工程地質(zhì)條件

2.1地形地貌

隧道地處浙江東南沿海丘陵區(qū)，位于丘陵孤丘，周邊最高點(diǎn)標(biāo)高144.0m，地表地形標(biāo)高一般9～144m，坡度一般15°～30°，局部陡坡50°以上。第四紀(jì)覆蓋層厚度1～10m不等，南側(cè)相對(duì)較厚。隧道沿線邊坡可以見到多處的滑塌、崩塌及碎落現(xiàn)象，見圖1。坡頂一帶覆蓋層稍薄，局部基巖裸露。

2.2氣候條件

隧址區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，年日照時(shí)數(shù)1950h以上、平均氣溫為16.6℃～17.5℃，極端最低氣溫-6.8℃，最高氣溫41.7℃，年平均降雨量為1689.2mm，多年平均徑流量1013.5mm。降水集中在4～6月梅雨期和7～l0月臺(tái)汛期。全年降水分布極不均勻，三至十月份的降雨約占全年的80%。

2.3地層巖性

隧址區(qū)地層主要為侏羅紀(jì)西山頭組（J3x）。巖性以青灰、紫紅色晶屑、玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，巖質(zhì)較硬，巖體較破碎，廣泛分布于本項(xiàng)目山體斜坡區(qū)段和平原區(qū)下部。

2.4地質(zhì)構(gòu)造

調(diào)查區(qū)內(nèi)層理不明顯，無(wú)皺褶，主要為節(jié)理、斷層，節(jié)理普遍發(fā)育，由于區(qū)內(nèi)露頭不明顯，受風(fēng)化裂隙影響，區(qū)域的規(guī)律不明顯。樓山隧道洞口附近發(fā)現(xiàn)一條斷層，走向355°左右，向東傾，露頭傾角55°左右，斷層帶寬1～2m。在隧道洞身上部，在爆破等外力震動(dòng)下，結(jié)構(gòu)面易松弛，圍巖易產(chǎn)生小規(guī)模的坍塌。根據(jù)初勘調(diào)查的統(tǒng)計(jì)節(jié)理，坑道區(qū)節(jié)理玫瑰花走向見圖2，以北東、北北西、北北東、北西向四個(gè)方向?yàn)橹鳎c區(qū)域構(gòu)造走向一致。主要節(jié)理、裂隙特征見表1。

3隧道洞口工程概況及圍巖質(zhì)量分級(jí)

3.1工程概況

樓山隧道為分離式隧道，是通過(guò)對(duì)既有雙向四車道隧道原位擴(kuò)建為雙向八車道隧道。既有隧道左線實(shí)際長(zhǎng)度530.5m，右線實(shí)際長(zhǎng)度509.6m，隧道凈斷面為10.25×5m2，隧道兩幅最小間距29～35m。改擴(kuò)建后的樓山隧道右線全長(zhǎng)487m，左線全長(zhǎng)508m，隧道凈斷面為17.25×5m2，隧道兩幅最小間距25～31m，洞口縱斷面放大圖見圖3。

3.2洞口圍巖質(zhì)量分級(jí)

首先根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度以及巖體完整程度的兩個(gè)基本因素的定性特征和定量巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，綜合進(jìn)行初步分級(jí)。然后在巖體基本質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上考慮修正因素的影響，按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］，結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判、確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)。圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ見公式（1）。式中：Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度；Kv為完整性系數(shù)[7]，利用超聲波測(cè)試成果計(jì)算，見公式（2）。式中：vp為縱波波速；vc為橫波波速。圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值［BQ］見公式（3）式中：K1、K2、K3分別為地下水影響、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響和初始應(yīng)力狀態(tài)影響的修正系數(shù)。修正系數(shù)取值參訂《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70/2-2014）。計(jì)算得出［BQ］＜250，巖體破碎，自穩(wěn)性差，隧道洞口為Ⅴ級(jí)圍巖。洞口地形易匯水，原隧道已有排水措施，一般不會(huì)有大量涌水，處理不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模坍塌，洞身附近易塌至地表。

4隧道洞口工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)

通過(guò)分析圍巖的地質(zhì)條件現(xiàn)狀，圍巖質(zhì)量分級(jí)計(jì)算結(jié)果表明，這些安全隱患重點(diǎn)區(qū)域主要分布在在隧道洞口和斷層破碎帶。本文采用赤平投影圖解法對(duì)樓山隧道洞口工程地質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)分析[6-7]。

4.1洞口坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

隧道洞口斜坡坡度40°～50°，坡向約35°。洞頂圍巖主要位于中風(fēng)化凝灰?guī)r中，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈破碎、碎裂結(jié)構(gòu)，洞口巖層產(chǎn)狀240°∠68°，主要節(jié)理產(chǎn)狀J1：100°∠60°、J2：155°∠18°。隧道洞口各坡面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系的赤平面投影見圖5。由圖5可知，該隧道洞口仰坡的坡向與巖層的傾向呈現(xiàn)反向相交，對(duì)隧道洞口的邊坡穩(wěn)定性有利；節(jié)理J1、J2組合沿巖層切割形成的楔形體的傾向與仰坡的坡向呈大角度相交，對(duì)隧道洞口仰坡的穩(wěn)定性影響不大。隧道洞口左、右兩側(cè)邊坡的坡向與巖層的傾向呈大角度相交，對(duì)隧道洞口的邊坡穩(wěn)定性較為有利。總體上，該隧道一端洞口的仰坡面和左側(cè)邊坡均屬于穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)，坡體穩(wěn)定性較好，坡面穩(wěn)定性較差。隧道入口段施工需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施、避免碎石、塊石層產(chǎn)生沿巖土界面的滑動(dòng)。

4.2隧道開挖危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)野外勘察所獲得洞口圍巖節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和洞口邊坡、洞口圍巖產(chǎn)狀測(cè)量，隧道開挖面與結(jié)構(gòu)面關(guān)系的赤平面投影見圖6。由圖6可知，隧道軸線方向?yàn)?1°，節(jié)理裂隙J1：100°∠60°，節(jié)理裂隙J2：155°∠18°，隧道開挖面與節(jié)理裂隙J1相交角度大于50°，與節(jié)理裂隙J2相交角度接近80°。這個(gè)部位容易被結(jié)構(gòu)面切割，從而形成不穩(wěn)定的楔形塊體滑出，在實(shí)際工程中存在一定的安全隱患。應(yīng)及時(shí)做好圍巖支護(hù)工作，以預(yù)防J1、J2這兩組粗糙閉合的節(jié)理面不斷發(fā)育，造成隧道頂部巖塊進(jìn)一步的滑移、塌落等災(zāi)害。在天然應(yīng)力作用下，圍巖不斷受到擠壓，隧道內(nèi)壁兩側(cè)會(huì)發(fā)育形成不連續(xù)的卸荷節(jié)理，進(jìn)而發(fā)生圍巖松弛帶持續(xù)失穩(wěn)，且隧道洞口圍巖質(zhì)量分級(jí)為為Ⅴ級(jí)，圍巖穩(wěn)定性較差，為確保隧道穩(wěn)定及施工安全，需盡快進(jìn)行隧道襯砌。

5隧道洞口工程地質(zhì)安全防護(hù)措施

5.1洞口坡面防護(hù)措施

對(duì)隧道洞口臨時(shí)邊仰坡較高的洞口，增加噴、錨、網(wǎng)等臨時(shí)支護(hù)措施，保證施工過(guò)程中邊仰坡的穩(wěn)定。對(duì)于洞口一帶的覆蓋層，采用鋼拱支護(hù)開挖。對(duì)進(jìn)洞后可能遇到由不利結(jié)構(gòu)面及其組合引起的小范圍塌方及掉塊問(wèn)題，建議采用超前支護(hù)、噴錨掛網(wǎng)等支護(hù)措施。洞室進(jìn)洞口附近多分布墓穴，施工前應(yīng)先清除。為便于邊仰坡坡面的一次開挖成型，減少刷坡量，開挖出一個(gè)臺(tái)階后進(jìn)行坡面測(cè)量，從而確保邊坡順直，為邊坡防護(hù)工程創(chuàng)造條件。洞口邊仰坡防護(hù)見圖7。

5.2硐室開挖防護(hù)措施

邊仰坡采用機(jī)械分層開挖，人工配合機(jī)械刷坡，自上而下分臺(tái)階進(jìn)行，必須邊開挖邊支護(hù)。采用信息法施工，做好施工地質(zhì)工作，做好隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)工作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋、及時(shí)修正。場(chǎng)地地質(zhì)條件變化大，所提供工程地質(zhì)縱斷面圖等，主要根據(jù)地面測(cè)繪及部分鉆孔揭露推測(cè)而得，實(shí)際地層巖性、厚度及風(fēng)化分層界線會(huì)有一定變化，建議動(dòng)態(tài)施工，加強(qiáng)施工地質(zhì)工作和監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)開挖揭示地層，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。

6結(jié)語(yǔ)

（1）隧道洞口外圍局部地區(qū)存在不同程度的工程地質(zhì)安全隱患，洞口邊坡及圍巖均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在的安全隱患較多，需及時(shí)防護(hù)。（2）圍巖質(zhì)量分級(jí)結(jié)果表明，該隧道洞口為Ⅴ級(jí)圍巖，屬于軟弱巖，巖體的破碎程度較高，如果對(duì)圍巖進(jìn)行直接開挖，會(huì)造成大量不穩(wěn)定的巖石塊體滑落。（3）圖解法屬于局部塊體穩(wěn)定性分析，運(yùn)用赤平投影圖解法能完善隧址場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)資料，簡(jiǎn)潔明了地反應(yīng)洞口圍巖各巖層、結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系。（4）該隧道洞口節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，隧道洞口邊坡建議采用邊開挖邊支護(hù)的方式及時(shí)防護(hù)；而對(duì)于隧道開挖，建議采用“管棚法超前支護(hù)+臺(tái)階分部法”施工。

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作者：陳楓 陳明 潘曉君 劉儀 單位：臺(tái)州市交通投資集團(tuán)有限公司