隧道工程地質特性及洞口邊坡穩定性評價

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摘要:松節理隧道隧址區位于太岳山坳緣翹起帶，隧址區范圍內無特殊巖土分布，對隧道圍巖穩定性有影響的不良地質主要為巖溶。本文對隧道區巖體工程地質特征和水文地質特征進行了分析，對隧道洞口邊坡穩定性進行了評價。認為隧道圍巖為巖質圍巖，圍巖穩性較差，地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。隧道在雨季開挖或通過軟弱破碎夾層、斷層破碎帶及節理密集帶時，不排除發生突水的可能;沁源端洞口和霍州端洞口邊坡穩定性差。

關鍵詞:松節理隧道;工程地質特性;洞口邊坡;穩定性評價

1地質概況

松節里隧道位于臨汾市古縣北平鎮西南側橫穿山脈，為黎城至霍州高速公路沁源—霍州段內的穿嶺隧道，本隧道屬長隧道。隧址區位于太岳山坳緣翹起帶，其位于沁水塊坳的西緣，帶內地層西翹東傾，傾角20°～25°，由東向西依次出露石炭系、奧陶系、寒武系，最西部為太岳山群、霍縣群。該翹起帶南端構造較為復雜，發育有北北東向斷裂。另外，整個翹起帶被5條較大的北東東向斷裂穿切，斷裂呈雁行斜列，間距大致相等。斷層破碎帶在隧址區地表局部岀露，為隧道出口段圍巖之一，母巖巖體以泥灰巖、石灰巖為主，局部為白云巖，巖芯多呈碎塊狀，局部為短柱狀，黏土礦物充填。隧址區地層結構復雜，地層由新至老依次有:第四系全新統殘積物(Q4el)，奧陶系中統上馬家溝組下段(O2s1)沉積巖，奧陶系中統下馬家溝組上段(O2x3)、下段(O2x1)沉積巖，奧陶系下統亮甲山組(O1l)沉積巖及斷層破碎帶等［1］。隧址區范圍內無特殊巖土分布，對隧道圍巖穩定性有影響的不良地質主要為巖溶。隧址區后段廣泛出露奧陶系石灰巖，巖溶類型為裸露型，以近代巖溶為主。依據本次勘察成果，隧址區碳酸鹽巖分布廣泛，地表溶洞、溶坑及溶槽等喀斯特地貌形態較為發育，鉆孔中巖芯表明溶蝕現象明顯，小溶孔及溶槽發育，其中在ZK4號孔170．8～171．0m揭示溶洞，充填物為黏土礦物。巖溶的發育對隧道圍巖穩定有一定影響。

2巖體工程地質特征

本隧道圍巖為巖質圍巖，洞體圍巖由奧陶系中統下馬家溝組上段(O2x3)白云質灰巖、奧陶系下統亮甲山組(O1l)白云巖、白云質泥灰巖和斷層破碎帶組成。白云巖、石灰巖、白云質灰巖屬較堅硬巖，泥灰巖屬軟巖，整體屬較堅硬巖夾軟巖，強-中風化，節理裂隙發育-較發育，巖體破碎-較破碎，呈碎裂-鑲嵌碎裂結構，圍巖穩性較差，開挖易產生中-大塌方;斷層破碎帶以碎石、斷層泥為主，結構面雜亂無序，巖體極破碎，呈散體狀結構，圍巖穩定性差，開挖極易產生大塌方。地下水出水狀態以點滴水、淋雨狀為主，在斷層破碎帶、裂隙密集帶也有可能產生涌流狀出水或較大突水現象。綜合評價，隧址區工程地質條件一般。

3水文地質特征

3．1地下水類型及富水性

隧址區山體由碳酸鹽巖構成，第四系松散巖僅分布于隧道穿越的基巖山區沖溝內。水系多呈南北向展布。區域地下水的分布受地形地貌、地層巖性和地質構造的嚴格控制。根據含水介質、地下水賦存條件和水動力特征等，隧址區地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水兩大類。(1)松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要分布于隧址區范圍的基巖山間溝谷內。含水巖組由第四系砂土及碎石土組成，平面上沿山間溝谷呈條帶狀分布，含水層斷面呈三角形或梯形，含水層狀態為層狀，含水層厚度分布不均，一般1～5m，最厚處達10m，水量受顆粒級配影響較大，富水性較強［2］。(2)碳酸鹽巖裂隙巖溶水。含水巖組主要為奧陶系中統上馬家溝組(O2s1)石灰巖及奧陶系下統亮甲山組(O1l)白云巖、白云質泥灰巖;隔水巖組為奧陶系中統上馬家溝組(O2s1)泥灰巖。巖層中的層理、節理及構造裂隙、斷裂構造、巖溶是該段地下水的儲藏和運移空間。該含水巖組厚度巨大，層位穩定，埋藏較淺，常裸露地表，地下水補給、徑流條件均較好，滲透系數K在1．43～20．5m/d之間。該含水巖組其富水性受地貌單元控制，據區域水文地質資料及沿線大范圍的井泉調查結果，該段地形切割劇烈，河流侵蝕基準面較低，地下水位埋深大，大氣降水是地下水的唯一補給來源，可溶巖巖溶裂隙發育，滲漏補給條件良好，大氣降水在下滲過程中，遇到隔水巖組泥灰巖阻隔，以泉的形式沿坡面排泄，在越過隔水巖組泥灰巖后繼續下滲［3］。本次勘察期間正值暴雨時節，隔水層泥灰巖上部坡面有較多泉水出露，溝谷內有暫時性的地表徑流，部分鉆孔內也有地下水揭示。通過鉆孔提水試驗結束后的長期觀測，鉆孔內的水位由開始的少量恢復到最后干涸無水，確定了隧址區的水量變化主要隨大氣降水量的多少而改變。在本次工程地質測繪及工程物探工作成果中，隧址區共發現有5條斷層與線路相交及9處節理密集帶異常區，由于貫通性好，裂隙通道密集，是地下水下滲的主要通道或儲水構造。在今后的施工過程中一旦新的通道打開后，再遇強降雨、暴雨天氣，很可能洞體內沿裂隙密集帶和斷層破碎帶出現涌水、突水現象。

3．2隧址區地下水的補給、徑流和排泄條件

隧址區內地下水的補給、徑流和排泄受地形地貌、地層巖性和地質構造等多種因素綜合控制。(1)松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要接受裂隙水的側向徑流補給及地表水的垂直滲漏補給，接受補給后呈條帶狀順溝谷方向由上游向下游徑流，排泄方式主要以潛流的方式向下游排泄，部分再沿途重新滲入下伏基巖裂隙中。(2)碳酸鹽巖裂隙巖溶水。碳酸鹽巖裂隙巖溶水位于巖溶水垂直入滲帶內。主要以基巖裸露區的大氣降水入滲補給為主，其次為上覆含水巖組的越流補給以及通過裂隙帶、斷裂構造等滲漏補給。由于特殊的水文地質條件，決定了該含水巖組主要以層間水的形式存在，地下水以垂向徑流為主，在遇到相對隔水層時轉為水平徑流，由坡麓地帶以泉的形式出露，繼續下滲補給，各含水層間水力聯系一般較弱，沒有穩定的連續的區域水位。排泄方式主要以向下越流、滲漏補給為主。

3．3影響隧道富水程度的要素

影響隧道富水程度的要素有地形地貌、圍巖類型及結構、地質構造形態、區域降水量、洞體埋深等。本隧道地處基巖中山區分水嶺段，地形起伏較大，微地貌較為復雜，基巖沖溝較為發育，但隧址區主要含水體的巖性較為均一，含水層的富水性主要受地形地貌、巖體風化帶的分布厚度、巖層產狀、層間接觸帶、斷裂構造帶、裂隙發育帶等因素控制明顯，洞身的圍巖富水程度主要受洞體埋深、洞身所處的巖體風化帶、斷裂構造帶、裂隙發育帶等影響［4］。

3．4隧道建成后對地下水的影響

測區地下水類型主要為基巖裂隙水，隧道開挖將形成較大的集水廊道，勢必對隧道區水文地質條件產生影響，其影響半徑可達500m左右，可能會造成地下水位下降，水量減少。隧道建成后，會讓部分環境地質條件改變，影響地下水的排泄，可能會造成循環改變和水質污染。為保護隧道區的生態環境，應該加強隧道的排水、堵水措施，并加強監測［5］。

3．5水文地質條件評價

本隧道水文地質條件較簡單，附近的地表水對隧道影響不大，地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水。隧址區內地下水對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。隧道在雨季開挖或通過軟弱破碎夾層、斷層破碎帶及節理密集帶時，不排除發生突水的可能，建議設置相應排水、導水措施。

4隧道進出口邊坡穩定性評價

(1)沁源端洞口。沁源端洞口位于松節里東側約200m一基巖沖溝斜坡上，溝谷狹窄，呈“V”字型，溝岸為中陡坡，坡向約114°，坡角在40°～45°之間，洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩定狀態。隧道左右線洞口仰坡高60．0～65．0m，洞口仰坡、邊坡地層由第四系全新統殘積(Q4el)粉質黏土、奧陶系中統上馬家溝組下段(O2s1)石灰巖、泥灰巖及奧陶中統下馬家溝組上段(O2x3)石灰巖組成。(Q4el)粉質黏土在大氣降水的淺蝕、沖蝕作用下，可能產生小范圍坍塌及滑塌現象，在工程開挖擾動條件下可能加劇上伏土體沿基巖面整體滑塌;(O2s1)石灰巖、泥灰巖及(O2x3)石灰巖節理裂隙發育，溶蝕明顯，巖體破碎，巖層產狀為135°∠6°，巖層傾向坡腳，屬同向斜坡，呈不利組合，且由于巖體破碎，節理裂隙發育，在工程開挖擾動條件下易發生碎落、小范圍內坍塌及沿結構面滑塌等現象。總體評價:沁源端洞口邊坡穩定性較差。(2)霍州端洞口。霍州端洞口位于二道河東南側熱留河東岸斜坡上，河谷較寬闊，呈“U”字型，但河岸陡峻，坡向304°左右，坡角在35°～40°之間。左右線洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩定狀態。隧道左右線洞口仰坡高120．0～140．0m，洞口仰坡、邊坡及洞口段圍巖由奧陶中統下馬家溝組下段(O2x1)及奧陶下統亮甲山組(O1l)白云巖組成。節理裂隙發育，溶蝕明顯，巖體破碎，圍巖巖層產狀為140°∠11°，巖層傾向坡面，呈有利組合，但因受F27正斷層的影響，巖體破碎松散，在工程開挖擾動條件下易發生碎落及坍塌等現象。總體評價:霍州端洞口邊坡穩定性差。

5結論

隧址區斷裂活動處于相對穩定狀態，區內地殼大部分具有基底與蓋層雙層結構，少部分沉積蓋層被剝蝕殆盡，僅存結晶基底，區內地殼應屬相對穩定區，基本適宜擬建工程建設。不穩定因素主要為新裂陷盆地邊緣的活動斷裂及地震活動。隧道范圍內揭露暫時性裂隙水，在強降雨或暴雨天氣下可能產生沿斷層破碎帶及裂隙密集帶發生涌水、突水災害。沁源端洞口邊坡及洞口段圍巖穩定性均較差，洞口段邊坡穩定性較好;霍州端洞口邊坡穩定性及洞口段圍巖穩定性均差，洞口段邊坡穩定性較好。

參考文獻:

［1］山西省地質礦產局．山西省區域地質志［M］．北京:地質出版社，1989．

［2］韓亞魯．季凍區隧道洞口巖質邊坡穩定性研究［D］．吉林:吉林大學，2019．

［3］谷叢楠，李立偉，陳利貞．天津市某公路邊坡滑塌地質災害特性與治理［J］．資源信息與工程，2019，34(4):149－150．

［4］龐旭陽．大前石嶺隧道巖堆洞口段圍巖及邊坡穩定性分析［D］．阜新:遼寧工程技術大學，2017．

［5］茹杉杉，俞尚宇．某隧道邊坡穩定性分析評價［J］．鐵道勘察，2013，39(6):35－38．

作者：張和平 單位：甘肅省地質礦產勘查開發局第二地質礦產勘查院