常家山隧道工程地质特征及地质灾害分析

常家山隧道工程地质特征及地质灾害分析

0分离式路基双洞隧道常家山隧道位于山西省灵石县南关市仁义河和左沟之间。左右包括k88和290个lk9和650个rk88和275个rk9和67个rk9段。该隧道横断面采用分离式路基上下单行双洞断面,两洞间距一般控制在30m左右。净宽9.75m,净高5.0m。左右洞设计长度分别为1360,1395m。最大埋深150m。该隧址为一单斜背斜,断裂构造较发育,地层厚薄不均,软硬相间,地质条件十分复杂,隧道围岩及进出口边坡稳定性等岩土工程问题十分突出。通过对隧道区采矿、地质构造等工程地质问题的研究,为该隧道设计及施工提出合理化建议,对隧道工程的决策、设计和施工具有十分重要的意义。1自然地理1常家山隧道的岩溶地貌隧址区地处太岳山脉,西临汾河峡谷,属中低山区剥蚀地貌,海拔820~1100m,相对高差280余米;山峦起伏,沟壑纵横,冲蚀切割强烈,地形极为破碎,呈不规则的鸡爪形;山沟间河流流向汾河,沟深坡陡,沟深绝大多数在30m以上,最深者常家山隧道进口端的仁义沟超过200m。隧道进口端地形较陡,局部出现岩溶地貌。出口端受断层构造影响较大,地形相对平缓,沟谷多以“V”型谷出现,沟谷两侧展露多处崩塌。2气候、降水隧址区属温带大陆性季风气候,气候特征为:冬季漫长寒冷,少雪干燥,多偏北风;春季短促,多风沙,常干旱;夏季炎热,雨量集中,温度高,多偏南风;秋季温和,秋高气爽。年平均气温10~12.2℃,冬季平均气温-4℃;极端最高气温41.9℃,极端最低气温-25.6℃,均出现在临汾地区。冰冻期60d左右,一般出现在10月至次年4月,最大冻深93cm,无霜期130~197d。该区降水较少,一年四季均有旱象。年平均降水量435~560mm,最大一月降水量90~313mm,雨季集中在夏季,占全年降水量的60%左右。年平均蒸发量1700~1993mm。年降水量变化较大,临汾站丰水年降水量为年水平的155%,枯水年降水量仅占年水平的54%。3植物和人类活动该区内植被稀疏,主要为荒草植被,有零星的农耕和人工林,水土流失严重。因区内有煤层,近期人类活动频繁,主要以采煤为主。2项目的地理特征2.1地层岩性根据地质调查及勘探资料揭示,隧址区内的地层从新到老依次为:第四系、二叠系、石炭系、奥陶系等。隧道通过地段地层的岩性特征如下。14第四系残坡积q4ell分布于隧道出口段,由二叠系砂岩、泥岩的风化产物及亚粘土组成,呈碎石夹土状,土体结构松散,为松散岩类,围岩的稳定性较差。22叠系上统石千峰组p2sh为泥岩、砂岩互层,强-弱风化,节理裂隙发育,呈碎石、碎块状,开挖时易产生拱部坍塌。3岩性地质作用主要分布在隧道出口端,为组成常家山隧道出口滑坡体的主要物质成分。岩性为泥岩、砂岩互层,软-硬相间岩组,单斜构造,受构造影响严重,岩体破碎,主要分布在隧道出口端,为组成滑坡体的主要物质成分。围岩的稳定性极差,隧道开挖时,围岩易坍塌,处理不当会出现大的坍塌现象。4单斜构造的巷道岩性以泥岩、砂岩互层为主,局部夹煤层,软-硬相间岩组,单斜构造,由于该岩组夹有煤层,岩体的完整性受到一定程度的影响,层间结合较差,岩体较破碎,呈碎石状,围岩的稳定性较差。隧道开挖时,如遇煤层,极易产生坍塌现象。5煤线、软-硬间岩组为隧道洞身段穿越的主要地层,岩性为炭质泥岩、灰岩夹煤层及煤线,软-硬相间岩组,单斜构造,受构造影响严重,节理较发育,岩体层间结合较差,岩体呈碎石状。隧道开挖时,如遇到煤层及煤线,易产生大的坍塌现象,侧壁易失稳。6岩组内开采层间结合差岩性为泥岩夹煤线,软质岩组,单斜构造。据调查,该岩组中发育可采煤层,层间结合较差,岩体呈碎石状,围岩的稳定性较差。隧道开挖时,如遇煤层,易产生坍塌现象,爆破震动过大,侧壁易失稳,产生大的坍塌现象。7岩石学和岩石学特征主要分布于隧道的进口端,岩性以灰岩、泥土岩夹石膏层为主,强-弱风化,单斜构造,节理发育,石膏层遇水易溶解和软化,岩体呈碎石-碎块状,围岩的稳定性较差。隧道开挖时,若拱部无支护,易产生大的坍塌现象。2.2地质构造常家山隧址区内的地质构造主要有断裂带及节理。1高角度南倾断层带区内主要发育正断层,位于设计里程LK89+465及RK89+450处,在地表与路线相交,F5断层走向近东西,高角度南倾,产状为170°∠75°,断层带影响宽度约30m。影响洞室范围为LK89+60—LK89+510,RK89+475—RK89+510。断层带由断层角砾岩、泥岩组成。岩体破碎,呈碎石状,围岩稳定性极差,隧道开挖时易产生大的坍塌现象。沿断裂带出露一系列下降泉,洞室开挖后,可出现涌水现象。2剪性节理法隧址区内主要发育3组节理:①走向南北,倾向近东西向,倾角一般为80°左右,节理间距5~70cm不等,节理面平直,为剪性节理,连通性良好。呈密闭-微张状,一般无充填物;②走向西南—北东东向,倾向近东南,其性质与南北向节理性质相同,两者均为“X”型剪节理组;③走向北西西,倾向近西南,倾角75°,节理间距40~100cm,呈微张状,由粘性土充填,贯通性较差。2.3富水性较好,水量、水质该区地下水按含水层性质可分为松散堆积物中的孔隙水,碳酸盐岩类岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙水。松散堆积物中的孔隙水主要分布于河床、沟谷地带,含水层多为砂、砾石,主要接受大气降水补给,富水性不均一,在仁义河谷内富水性较好,地下水位埋深较浅。在其他一些黄土冲沟区内,其富水性较差,水位埋深较大。碳酸盐岩类岩溶裂隙水赋存于石炭系上统太原组的3层稳定灰岩及奥陶系灰岩中,奥陶系富水性最好,水量丰富。碎屑岩类裂隙水赋存于石炭系、二叠系,含水层岩性多为砂岩和上部强风化地层的泥岩,裂隙发育,接受大气降水补给。另外,勘察区内煤炭开采面积大,古窑和近代煤矿采空区较多,且都有不同程度的充水。依据勘察报告,常家山隧道地下水流经石膏层或煤层后,对混凝土会产生侵蚀性。2.4隧道围岩及隧道围岩模型据勘察报告提供的各类岩组的物理力学参数、岩体结构、结构面发育特征及各项资料分析,按《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)中的规定,将隧道围岩划分为4类。各隧道围岩分类情况见表1。3地质病害隧道位置处于煤系地层,主要存在采空塌陷区、隧道内突水、涌水、瓦斯突出及其出口端(灵石端)滑坡等地质病害。这些地质灾害会影响到隧道围岩的稳定和安全施工,因此必须对这些地质灾害进行治理。3.1采空区治理方案常家山隧道受道阡—沟东古采空区(即Ⅳ号采空区)的影响。该煤矿采空区位于K88+990—K89+600之间。生产活动在民国以前,现在古窑进口已被埋没,该段线路之下均发生过采煤活动,开采煤层为石炭系山西组2#煤,煤层平均厚度2m,产状170°∠16°,顶板为砂质泥岩或泥岩,底板为砂岩,埋深90~150m左右,点柱支护,回采后回撤,顶板任其自然垮落。据地勘分析,采空区顶板冒落高度在0.5~6.5m,塌陷堆积物厚约0.2~2.5m,实际悬空高度约0.5~2.0m,采空区内部分充水。常家山隧道设计标高900~936m,在采空区段埋深约100~150m,受采空区影响长约245m,其中采空区位于隧道洞身及其以上长110m,位于洞身以下长135m。采空区位于隧道上方的路段,岩体以碎石镶嵌结构为主;采空区位于隧道下方的路段,岩体以碎石状松散结构为主。在采空区隧道路段的左线LK89+440—LK89+440+460和右线RK89+440—RK89+440+460处有F5正断层,断距在50~200m以上,断层带宽度为20m,与隧道相交角度为65°。受此构造作用的影响,围岩节理发育,围岩受地质构造影响严重。古代采空区剩余变形量较小,但在修建桥梁、隧道等公路建筑物及开挖边坡条件下,古采空区可能再度发生大的变形,足以使隧道产生裂缝,从而对路基及围岩稳定构成严重威胁,对拟建公路将产生大的危害。在勘察中ZK04,ZK08,ZK09,ZK11钻孔揭示的资料也表明该段采空区变形尚未结束,对公路工程危害极大,故必须进行治理。采空区治理方案主要依据地表的变形特征、地质与采矿特征等因素确定,主要有桥跨采空区方案、支撑法治理方案、地面注浆治理方案、隧道内大管棚预注浆超前支护方案及修建后维修的方案等。综合考虑采空区范围内的工程地质特征,结合以往的工程经验,建议采用地面注浆法方案。地面注浆法治理方案,是在地面上打孔,通过注浆孔将水泥粉煤灰浆注入采空区,使浆液同时充填到采空区及上覆岩层的裂隙中,形成结石体,阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落,提高围岩稳定性。3.2采空区排水系统排水隧址地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水,局部地段发育岩溶水,同时,隧道穿越断层破碎带,断层又是一个良好的导水带。破碎带中的承压水,开挖时会产生涌水现象。另外,勘察区内煤层开采面积大,古窑和近代煤矿采空区较多。由于在该采空区路段含有不同的含水层,且老采空区都有不同程度的充水,当隧道通过采空区时,采空区内的积水,也会引起积水突涌。因此,隧道施工过程中有可能发生涌水(突水)灾害,必须采取一定的防治措施。对采空区积水的处理,应首先查明积水与地下水的水动力关系,当为弱的水动力关系时,可采用超前放水和小导管超前预注浆支护通过积水区;当为强的水动力关系时,应采用地面注浆方法进行处理。由于地面注浆能较好的解决采空区的积水问题,又能改善采空区段隧道的围岩状况,故推荐采用地面注浆方法通过采空区。断层由断层角砾岩、泥岩组成,并可能赋有承压水,又是良好的导水带,开挖时会引起涌水突水和大塌方。揭穿断层前应对断层内的水压力进行超前预测,当水压很大时,应采用地面注浆的方法进行防治,当水压较小时,可采用小导管超前预注浆支护通过。3.3隧道监控的构成常家山隧道穿越数百米煤系地层,且有废弃的古井。该区域构造复杂,岩体破碎,地应力较高,煤层被采出后,瓦斯可能在采空区部位赋积,当隧道开挖时,有可能出现瓦斯涌出或突出等地质灾害,对施工安全产生极大的危害,隧址区煤层瓦斯压力在100m处深度为0.5~1.5MPa之间;在150m深度为0.75~2.25MPa之间。因此,必须采取相应的防治措施。常家山隧道分别穿越2#和11#两个煤层。这两个煤层都有瓦斯和煤突出的危险,因此在隧道揭煤时,应同时考虑预防煤与瓦斯突出和煤层采空区坍塌。施工时应对接近煤层的区段进行瓦斯浓度、压力等的预测、预报,并针对瓦斯的浓度进行施工方案、电爆技术以及通风方案设计,确保施工安全。3.4洞出口段基本扩张,提出了要考虑隧道洞门仰坡下坡体,初步设计方案中常家山隧道左,右线出口段约120m长的洞身及洞门位于大型岩石滑坡体内。路线(即隧轴线)优化后,隧轴线向左移了约220m,右洞基本避开了滑坡体,位于该滑体附近相对稳定的地质体上。左洞出口段约15m处处于一小型浅层滑坡的中后部,洞门及洞基均位于滑面以下的稳定滑床上。有关资料表明,该滑坡在路基填方反压后,稳定系数Ks=1.71,考虑地震(烈度Ⅷ度)影响时,稳定系数Ks=1.37,滑体稳定。但由于隧道出口段坡体破碎,隧道施工开挖会恶化其平衡