赤平投影下的隧道工程地質安全評價范文

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摘要：本文根據浙江樓山隧道洞口的野外勘察資料和實際工程情況，分別從滑坡、危巖、棄渣和斷層節理四個方面對隧址區工程地質條件展開介紹，以說明隧道洞口工程地質安全現狀。對解決隧道洞口的工程地質安全問題，研究將采用圍巖質量分級和赤平投影圖解法相結合的方法。首先，確定隧道洞口圍巖等級為Ⅴ級，即巖體的破碎程度比較高，隧道洞口圍巖穩定性差；其次，對洞口坡面穩定性和硐室開挖危險性進行評價與分析分析，得出隧址場區洞口工程地質安全評價結果；最后，總結出隧道洞口工程地質安全的對策措施。

關鍵詞：隧道洞口，圍巖質量分級，赤平投影，安全評價

引言

隧道洞口工程地質安全評價研究，不僅是隧道及洞口設計的基礎，更是施工的安全系依據，它決定了隧道的支護方法和開挖方式[1-2]。關于洞口圍巖工程地質安全穩定性評價，國內外學者已建立一套較為成熟的理論體系，但對于具體的工程設施，由于巖土體的穩定性影響因素不同，其各因素權重也有所差異，評價方法體系的建立以及評價結果的篩選和分析都需要根據具體情況做出有針對性的研究[3-4]。因此正確合理評價洞口工程地質安全，對隧道設計與施工的合理性及其運營的安全性都起到十分重要的作用。由于隧址區尚無大型工程施工，對于隧道施工缺乏詳細的數據，不足以支撐該隧道的施工設計，因此對隧址區進行工程地質安全評價尤為重要。本文將結合圍巖質量分級和極射赤平投影圖解法，重點從洞口坡面穩定性和隧道開挖危險性來展開分析，提出該隧址區洞口工程地質安全建議與措施。

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安全評價的圖解方法，它主要用來表示線與面的方位關系，結構面之間的角間距關系和結構面的運動軌跡，把結構面在三維空間的幾何要素線和面的關系反映在投影平面上，從而對穩定性進行直觀的研究和處理。它將整個圓周分為360份，每一份為1°，從而表示結構面的傾向，然后每一方格為2°，來畫出結構面的傾角，從而將結構面直觀的投影到圓上，進而分析各結構面之間的關系。它是一種形象而且綜合性強的定量圖解法，簡單方便、直觀的計算方法使其廣泛應用于地質科學領域之中[5]。運用該方法可以快速分析隧道洞口邊坡與巖層穩定性關系、節理裂隙與隧道硐室開挖面穩定性關系，從而對隧道洞口進行工程地質安全評價研究。

2隧道洞口工程地質條件

2.1地形地貌

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

2.2氣候條件

隧址區域屬亞熱帶季風海洋性氣候，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，年日照時數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

隧址區地層主要為侏羅紀西山頭組（J3x）。巖性以青灰、紫紅色晶屑、玻屑熔結凝灰巖為主，巖質較硬，巖體較破碎，廣泛分布于本項目山體斜坡區段和平原區下部。

2.4地質構造

調查區內層理不明顯，無皺褶，主要為節理、斷層，節理普遍發育，由于區內露頭不明顯，受風化裂隙影響，區域的規律不明顯。樓山隧道洞口附近發現一條斷層，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，在爆破等外力震動下，結構面易松弛，圍巖易產生小規模的坍塌。根據初勘調查的統計節理，坑道區節理玫瑰花走向見圖2，以北東、北北西、北北東、北西向四個方向為主，與區域構造走向一致。主要節理、裂隙特征見表1。

3隧道洞口工程概況及圍巖質量分級

3.1工程概況

樓山隧道為分離式隧道，是通過對既有雙向四車道隧道原位擴建為雙向八車道隧道。既有隧道左線實際長度530.5m，右線實際長度509.6m，隧道凈斷面為10.25×5m2，隧道兩幅最小間距29～35m。改擴建后的樓山隧道右線全長487m，左線全長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。

3.2洞口圍巖質量分級

首先根據巖石的堅硬程度以及巖體完整程度的兩個基本因素的定性特征和定量巖體基本質量指標BQ，綜合進行初步分級。然后在巖體基本質量分級基礎上考慮修正因素的影響，按修正后的巖體基本質量指標［BQ］，結合巖體的定性特征綜合評判、確定圍巖的詳細分級。圍巖基本質量指標BQ見公式（1）。式中：Rc為巖石單軸飽和抗壓強度；Kv為完整性系數[7]，利用超聲波測試成果計算，見公式（2）。式中：vp為縱波波速；vc為橫波波速。圍巖基本質量指標修正值［BQ］見公式（3）式中：K1、K2、K3分別為地下水影響、主要軟弱結構面產狀影響和初始應力狀態影響的修正系數。修正系數取值參訂《公路隧道設計規范》（JTGD70/2-2014）。計算得出［BQ］＜250，巖體破碎，自穩性差，隧道洞口為Ⅴ級圍巖。洞口地形易匯水，原隧道已有排水措施，一般不會有大量涌水，處理不當易產生較大規模坍塌，洞身附近易塌至地表。

4隧道洞口工程地質安全評價

通過分析圍巖的地質條件現狀，圍巖質量分級計算結果表明，這些安全隱患重點區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樓山隧道洞口工程地質穩定性進行直觀的評價分析[6-7]。

4.1洞口坡面穩定性評價

隧道洞口斜坡坡度40°～50°，坡向約35°。洞頂圍巖主要位于中風化凝灰巖中，節理裂隙發育，巖體呈破碎、碎裂結構，洞口巖層產狀240°∠68°，主要節理產狀J1：100°∠60°、J2：155°∠18°。隧道洞口各坡面與結構面關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反向相交，對隧道洞口的邊坡穩定性有利；節理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，對隧道洞口仰坡的穩定性影響不大。隧道洞口左、右兩側邊坡的坡向與巖層的傾向呈大角度相交，對隧道洞口的邊坡穩定性較為有利。總體上，該隧道一端洞口的仰坡面和左側邊坡均屬于穩定型結構，坡體穩定性較好，坡面穩定性較差。隧道入口段施工需要采取相應的防護措施、避免碎石、塊石層產生沿巖土界面的滑動。

4.2隧道開挖危險性評價

經過野外勘察所獲得洞口圍巖節理裂隙數據統計和洞口邊坡、洞口圍巖產狀測量，隧道開挖面與結構面關系的赤平面投影見圖6。由圖6可知，隧道軸線方向為81°，節理裂隙J1：100°∠60°，節理裂隙J2：155°∠18°，隧道開挖面與節理裂隙J1相交角度大于50°，與節理裂隙J2相交角度接近80°。這個部位容易被結構面切割，從而形成不穩定的楔形塊體滑出，在實際工程中存在一定的安全隱患。應及時做好圍巖支護工作，以預防J1、J2這兩組粗糙閉合的節理面不斷發育，造成隧道頂部巖塊進一步的滑移、塌落等災害。在天然應力作用下，圍巖不斷受到擠壓，隧道內壁兩側會發育形成不連續的卸荷節理，進而發生圍巖松弛帶持續失穩，且隧道洞口圍巖質量分級為為Ⅴ級，圍巖穩定性較差，為確保隧道穩定及施工安全，需盡快進行隧道襯砌。

5隧道洞口工程地質安全防護措施

5.1洞口坡面防護措施

對隧道洞口臨時邊仰坡較高的洞口，增加噴、錨、網等臨時支護措施，保證施工過程中邊仰坡的穩定。對于洞口一帶的覆蓋層，采用鋼拱支護開挖。對進洞后可能遇到由不利結構面及其組合引起的小范圍塌方及掉塊問題，建議采用超前支護、噴錨掛網等支護措施。洞室進洞口附近多分布墓穴，施工前應先清除。為便于邊仰坡坡面的一次開挖成型，減少刷坡量，開挖出一個臺階后進行坡面測量，從而確保邊坡順直，為邊坡防護工程創造條件。洞口邊仰坡防護見圖7。

5.2硐室開挖防護措施

邊仰坡采用機械分層開挖，人工配合機械刷坡，自上而下分臺階進行，必須邊開挖邊支護。采用信息法施工，做好施工地質工作，做好隧道地質超前預報與監控量測工作，通過現場采集的數據及時反饋、及時修正。場地地質條件變化大，所提供工程地質縱斷面圖等，主要根據地面測繪及部分鉆孔揭露推測而得，實際地層巖性、厚度及風化分層界線會有一定變化，建議動態施工，加強施工地質工作和監測工作，根據開挖揭示地層，及時調整支護方案。

6結語

（1）隧道洞口外圍局部地區存在不同程度的工程地質安全隱患，洞口邊坡及圍巖均處于不穩定狀態，存在的安全隱患較多，需及時防護。（2）圍巖質量分級結果表明，該隧道洞口為Ⅴ級圍巖，屬于軟弱巖，巖體的破碎程度較高，如果對圍巖進行直接開挖，會造成大量不穩定的巖石塊體滑落。（3）圖解法屬于局部塊體穩定性分析，運用赤平投影圖解法能完善隧址場區工程地質資料，簡潔明了地反應洞口圍巖各巖層、結構面之間的關系。（4）該隧道洞口節理裂隙發育，圍巖穩定性差，隧道洞口邊坡建議采用邊開挖邊支護的方式及時防護；而對于隧道開挖，建議采用“管棚法超前支護+臺階分部法”施工。

參考文獻：

[1]羅威.金泉隧道Ⅳ級圍巖級別細分及其穩定性控制研究[D].重慶大學,2015.

[3]張鑫.大巴山隧道圍巖穩定性分析與評價[D].西安科技大學,2010.

[4]劉國生.砂子坡隧道工程地質對施工的影響分析[J].企業技術開發,2013,32(34):26-28.

[5]袁華娟,楊運海,唐凱.赤平極射投影法在巖質邊坡穩定性分析中的應用[J].山東工業技術,2015(24):93-93.

[6]張慧慧.隧道圍巖穩定性分析方法研究[J].黑龍江科技信息,2013(31):237-237.

[7]華開成.麻崖子不同級別圍巖隧道結構受力特性分析與安全性評價[D].長安大學,2014.

作者：陳楓 陳明 潘曉君 劉儀 單位：臺州市交通投資集團有限公司