隧道围岩稳定性勘察分析报告

隧道围岩稳定性勘察分析报告1概述1.1工程背景拟建隧道工程位于构造剥蚀中低山地貌区，隧址区地形起伏较大，地面高程介于860～1320m之间，相对高差约460m。隧道采用分离式双洞布置，左线起讫桩号为ZK12+340～ZK15+680，全长3340m；右线起讫桩号为YK12+320～YK15+710，全长3390m。隧道最大埋深约285m，属深埋长隧道。隧道设计建筑限界净宽10.25m，净高5.0m，设计时速80km/h。本次勘察工作的主要目的是查明隧址区工程地质条件，评价隧道围岩稳定性，划分围岩级别，为隧道设计、施工提供可靠的地质依据。勘察工作遵循《公路隧道设计规范》（JTGD70）、《公路工程地质勘察规范》（JTGC20）及《岩土工程勘察规范》（GB50021）等现行规范规程执行。1.2勘察工作概况勘察工作采用了工程地质调绘、钻探、物探、原位测试与室内试验相结合的综合勘察手段。完成主要工作量如下：1:2000工程地质调绘面积约3.8km²；布置勘探钻孔12个，其中隧道洞身控制性钻孔8个，孔深35～185m，累计进尺1260m；实施高密度电法测线4条，总长度3.2km；进行声波测井8孔，累计测试段长520m；采集岩样68组，水样6组，完成岩石物理力学性质试验、点荷载试验、耐磨性试验等室内测试项目。2隧址区工程地质条件2.1地形地貌隧址区属构造剥蚀中低山地貌，山脉走向总体呈北东—南西向，与区域构造线方向基本一致。隧道进口端位于斜坡中下部，地形坡度25°～35°，植被发育；出口端位于沟谷侧坡，地形坡度30°～40°。隧道轴线穿越两条次级山脊和一条冲沟，冲沟位于ZK14+120附近，沟底高程约980m，沟内有季节性流水，流量受大气降水控制明显。2.2地层岩性根据地质调绘与钻探揭露，隧址区出露地层由老至新分述如下：（1）中元古界变质岩系（Pt₂）岩性以绢云母石英片岩、绿泥石片岩为主，夹薄层状大理岩透镜体。主要分布于隧道进口段及洞身中段。绢云母石英片岩呈灰白—浅灰色，鳞片变晶结构，片状构造，片理发育，片理面产状总体为320°～340°∠45°～60°。绿泥石片岩呈暗绿色，片理极发育，岩质较软，遇水易软化。（2）上元古界—下古生界大理岩夹片岩（Pt₃-Pz₁）岩性以灰白色—浅灰色中厚层状大理岩为主，夹绢云母石英片岩及薄层状钙质片岩。主要分布于隧道洞身中段至出口段。大理岩为中细粒变晶结构，块状构造，层理产状为280°～310°∠35°～55°，局部见有溶蚀现象。（3）第四系（Q）残坡积层（Q₄^(el+dl)）主要由碎石土、粉质黏土组成，厚度一般0.5～3.0m，分布于山坡及沟谷两侧；冲洪积层（Q₄^(al+pl)）主要由漂卵石、砂砾石组成，厚度2.0～8.0m，分布于隧道出口端沟谷底部。2.3地质构造隧址区位于区域性大断裂F1与F2之间的构造岩片内，构造变形较强烈。根据地质调绘和物探解译，隧址区发育的主要构造形迹如下：（1）褶皱构造隧道洞身穿越马鞍山背斜北翼。背斜轴向北东—南西向，核部出露中元古界变质岩，两翼依次为大理岩夹片岩。北翼地层产状总体倾向北西，倾角35°～60°，局部受次级褶皱影响产状变化较大。（2）断裂构造隧址区共发育4条规模不等的断层，分述如下：F3断层：出露于ZK13+080附近，走向NE35°～45°，倾向NW，倾角65°～75°，破碎带宽度约8～15m，带内岩体呈碎裂—散体结构，见有断层角砾岩和糜棱岩化片岩。断层性质为压扭性逆断层，上盘（NW盘）上升，下盘（SE盘）下降，断距约30～50m。F4断层：出露于ZK14+350附近，走向NE50°～60°，倾向SE，倾角50°～60°，破碎带宽度约3～5m，带内以碎裂岩为主，局部见断层泥。断层性质为平移正断层，错断大理岩层位。F5断层：出露于ZK15+100附近，走向近东西向，倾向南，倾角70°～80°，破碎带宽约5～8m，带内岩体破碎，充填钙质胶结角砾岩。断层性质为张扭性正断层。F6断层：出露于YK14+280附近（右线），走向NE30°左右，倾向NW，倾角约70°，破碎带宽约2～4m，带内以片理化碎裂岩为主。该断层规模较小，但延伸方向与左线F4断层斜交，在洞身段可能形成不利组合。（3）节理裂隙隧址区岩体节理裂隙发育，主要发育三组节理：J1组产状为200°～220°∠60°～75°，间距0.2～0.5m，延伸长度2～5m，闭合—微张；J2组产状为110°～130°∠55°～70°，间距0.3～0.8m，延伸长度1～3m，微张—张开；J3组产状为300°～320°∠25°～40°，间距0.5～1.5m，延伸长度3～8m，闭合，属缓倾角节理。J3组缓倾角节理与隧道轴线近于平行，对洞顶稳定不利。2.4水文地质条件隧址区地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水三类。松散岩类孔隙水赋存于第四系松散堆积层中，含水层厚度薄，富水性弱至中等。基岩裂隙水赋存于变质岩及大理岩的风化裂隙和构造裂隙中，受大气降水和地表水补给，沿裂隙网络运移，在沟谷低洼处以泉的形式排泄。岩溶水主要赋存于大理岩的溶蚀裂隙和溶孔中，富水性不均匀。根据钻孔水位观测和沟谷泉水流量调查，隧址区地下水位埋深变化较大，山脊部位埋深可达60～120m，沟谷部位埋深一般5～25m。隧道洞身大部分位于地下水位以下，预计隧道开挖时洞身涌水量较大。根据水样分析结果，地表水及地下水均为HCO₃-Ca·Mg型水，pH值7.2～7.8，对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。2.5不良地质现象隧址区主要不良地质现象为岩溶和崩塌。岩溶现象主要发育于大理岩分布区，地表可见溶沟、溶槽及小型溶洞，物探解译洞身段ZK14+600～ZK15+200范围内存在3处低阻异常区，推测为溶蚀发育带或富水破碎带。进口端斜坡可见少量崩塌堆积体，方量不大，对隧道进口施工有一定影响。3围岩分级与稳定性评价3.1围岩分级依据与方法隧道围岩分级采用《公路隧道设计规范》（JTGD70）中的围岩分级方法，综合考虑岩石坚硬程度、岩体完整程度、结构面发育特征、地下水状态及地应力条件等因素。在定量评价方面，采用岩体基本质量指标BQ值进行初步分级，再结合地下水、结构面产状等修正因素确定围岩级别。BQ值按下式计算：BQ=100+3Rc+250Kv式中，Rc为岩石单轴饱和抗压强度（MPa），Kv为岩体完整性指数。当Rc>90Kv+30时，以Rc=90Kv+30代入计算；当Kv>0.04Rc+0.4时，以Kv=0.04Rc+0.4代入计算。3.2围岩分级结果根据钻孔岩芯RQD统计、声波测试、室内岩石试验及地质调绘成果，对隧道洞身围岩进行分级。声波测试结果表明，隧址区岩体完整性指数Kv值变化范围为0.25～0.75，岩石单轴饱和抗压强度Rc值变化范围为18～65MPa。综合各项指标，隧道围岩分为III、IV、V三个级别，分段描述如下：（1）进口段（ZK12+340～ZK12+520，YK12+320～YK12+500）该段隧道埋深5～45m，穿越残坡积碎石土及全—强风化绢云母石英片岩。岩体呈散体—碎裂结构，风化强烈，节理裂隙极发育，RQD值10%～30%，Kv值0.15～0.25，Rc值5～15MPa。地下水以孔隙水和风化裂隙水为主，雨季水量增大明显。围岩自稳能力差，隧道开挖易产生坍塌、冒顶，综合评定为V级围岩。（2）浅埋变质岩段（ZK12+520～ZK13+080，YK12+500～YK13+060）该段隧道埋深45～120m，围岩为中等风化—微风化绢云母石英片岩夹绿泥石片岩。岩体呈碎块状—层状结构，片理发育，片理面光滑，绿泥石片岩夹层遇水易软化，形成软弱结构面。RQD值35%～55%，Kv值0.35～0.50，Rc值22～35MPa，BQ值约280～350。考虑到片理面与隧道轴线交角较小（15°～30°），且绿泥石片岩夹层对拱部稳定不利，围岩级别综合评定为IV级偏弱。（3）F3断层破碎带及影响带（ZK13+080～ZK13+180，YK13+060～YK13+160）该段隧道穿越F3断层破碎带及两侧影响带。破碎带内岩体呈散体—碎裂结构，断层角砾岩胶结差，糜棱岩化片岩遇水易崩解。RQD值小于15%，Kv值小于0.15。两侧影响带岩体节理密集，岩体破碎。地下水沿断裂带富集，开挖时可能出现集中涌水。围岩自稳能力极差，开挖后需及时强支护，综合评定为V级围岩。（4）深埋变质岩段（ZK13+180～ZK14+120，YK13+160～YK14+100）该段隧道埋深120～285m，为隧道最大埋深段。围岩为微风化—新鲜绢云母石英片岩夹薄层大理岩。岩体呈层状—块状结构，RQD值55%～75%，Kv值0.55～0.70，Rc值40～55MPa，BQ值约380～450。片理面间距增大，岩体完整性较好。但该段埋深大，局部存在高地应力条件，可能出现片帮或岩爆现象。综合评价为III级围岩。（5）冲沟浅埋段（ZK14+120～ZK14+320，YK14+100～YK14+300）该段隧道穿越冲沟谷地，最小埋深约28m。围岩为强—中等风化绢云母石英片岩及大理岩，受F4断层影响，岩体破碎，节理裂隙极发育。沟谷内地表水丰富，地下水补给条件好，开挖时涌水量大。RQD值20%～40%，Kv值0.20～0.35，Rc值15～25MPa。综合评价为V级围岩，局部为IV级围岩。（6）F4断层破碎带及影响带（ZK14+320～ZK14+400，YK14+280～YK14+360）该段围岩为F4断层破碎带碎裂岩及两侧影响带碎裂—镶嵌结构岩体。破碎带宽度3～5m，影响带宽度约20～30m。RQD值小于20%，Kv值0.15～0.25。断层带内可见断层泥，遇水后强度急剧降低。综合评价为V级围岩。（7）大理岩段（ZK14+400～ZK15+100，YK14+360～YK15+080）该段隧道穿越中厚层状大理岩夹片岩。岩体呈层状—块状结构，层理面较平整，局部见溶蚀裂隙和小型溶洞。RQD值50%～70%，Kv值0.50～0.65，Rc值40～60MPa，BQ值约360～430。大理岩中发育的溶蚀裂隙可能构成小型涌水通道。层间片岩夹层厚0.3～1.5m，构成软弱结构面。综合评价为III～IV级围岩，其中ZK14+600～ZK14+700段物探显示低阻异常，推测存在溶蚀发育带，围岩质量按IV级偏弱考虑。（8）F5断层破碎带及影响带（ZK15+100～ZK15+180，YK15+080～YK15+160）该段穿越F5断层破碎带，破碎带宽5～8m，带内角砾岩钙质胶结，胶结程度一般。影响带岩体破碎，节理发育。RQD值20%～35%，Kv值0.20～0.30。综合评价为V级围岩，影响带边缘为IV级。（9）出口段（ZK15+180～ZK15+680，YK15+160～YK15+710）该段隧道埋深10～60m，围岩为中等风化大理岩夹片岩。岩体呈碎块状—层状结构，风化裂隙发育，局部见溶蚀现象。RQD值30%～50%，Kv值0.30～0.45，Rc值25～40MPa。出口端地形坡度大，侧向覆盖层较薄，洞口段存在偏压。综合评价为IV级围岩，洞口附近50m范围为V级围岩。各段围岩级别汇总见表1。分段桩号长度（m）围岩级别ZK12+340～ZK12+520180VZK12+520～ZK13+080560IVZK13+080～ZK13+180100VZK13+180～ZK14+120940IIIZK14+120～ZK14+320200VZK14+320～ZK14+40080VZK14+400～ZK15+100700III～IVZK15+100～ZK15+18080VZK15+180～ZK15+680500IV（洞口段50m为V）3.3地应力条件分析根据钻孔水压致裂法地应力测试结果，隧址区最大水平主应力方向为NE20°～35°，与隧道轴线方向（约NE45°）夹角较小。测试段最大水平主应力值为8.5～16.2MPa，最小水平主应力值为5.8～10.5MPa，垂直主应力按上覆岩体重度估算为3.5～7.8MPa。深埋段最大水平主应力约为垂直主应力的1.5～2.0倍，表明隧址区以水平构造应力为主导。在最大埋深段（埋深约280m处），最大水平主应力约16MPa，围岩为微风化绢云母石英片岩，单轴饱和抗压强度约50MPa，岩石强度应力比约为3.1，处于中等偏高地应力水平，隧道开挖时拱部及边墙可能出现应力型破坏，需采取相应支护措施。4隧道围岩稳定性工程分析4.1主要工程地质问题综合勘察成果，隧道围岩稳定性面临的主要工程地质问题包括以下几个方面：（1）断层破碎带坍塌与涌水问题F3、F4、F5断层破碎带围岩自稳能力差，开挖扰动后易发生坍塌、掉块。同时，断裂带是地下水富集和运移的通道，开挖揭露后可能产生集中涌水，尤其是F3断层破碎带宽度大，地下水补给条件好，涌水风险较高。F4断层位于冲沟下方，地表水与地下水力联系密切，雨季施工涌水风险显著增大。（2）软弱结构面对洞室稳定的影响隧址区变质岩片理发育，绿泥石片岩夹层构成软弱结构面。当片理面或层间软弱面与隧道开挖面形成不利组合时，拱部岩体易沿软弱面产生楔形体滑落或板裂破坏。J3组缓倾角节理与隧道轴线近于平行，在拱顶形成连续结构面时，可能诱发拱顶岩体离层脱落。（3）岩溶问题大理岩段局部发育溶蚀裂隙和小型溶洞，洞径一般0.3～1.5m。物探解译的3处低阻异常区推测为溶蚀发育带或富水破碎带，其中ZK14+620处异常范围较大，长约40m，宽约20m。若隧道穿越溶洞或溶蚀破碎带，围岩完整性将显著降低，且可能伴随涌泥、涌水。（4）洞口边坡与偏压问题隧道进口端斜坡坡度较大，残坡积层及全风化层厚度较大，洞口开挖时仰坡稳定性差，易发生滑塌。出口端地形呈陡坡状，侧向覆盖层薄，隧道存在偏压现象，洞口段成洞条件差。4.2围岩稳定性分段评价基于围岩分级结果，结合断层、地下水、地应力等不利因素的综合影响，将隧道围岩稳定性划分为四个等级进行分段评价：（1）围岩稳定段（III级围岩段）主要包括深埋变质岩段（ZK13+180～ZK14+120）及大理岩段中完整性较好部分。该段围岩自稳能力强，开挖后围岩变形量小，可保持较长时间稳定。建议采用全断面法或台阶法开挖，以喷锚支护为主，局部加强支护。深埋段需关注高地应力引起的片帮、岩爆现象，施工中加强监测和超前地质预报。（2）围岩基本稳定段（IV级围岩段）主要包括浅埋变质岩段、大理岩段中完整性较差部分及出口段。围岩自稳能力中等，开挖后拱部可能出现局部掉块，边墙基本稳定。建议采用台阶法开挖，及时施作初期支护，控制围岩变形。浅埋变质岩段需特别注意绿泥石片岩夹层的软弱面效应，拱部应加强系统锚杆和钢支撑支护。（3）围岩稳定性差段（IV级偏弱～V级围岩段）主要包括F4、F5断层影响带及冲沟浅埋段。围岩自稳能力差，开挖后拱部易坍塌，边墙可能出现滑移。建议采用环形开挖留核心土法或CD法，短进尺、强支护、勤量测。冲沟浅埋段需加强地表水疏排，防止地表水下渗恶化围岩条件。（4）围岩极不稳定段（V级围岩段）主要包括进出口段、F3断层破碎带、F4断层破碎带核心段及F5断层破碎带。围岩自稳能力极差，开挖后极易发生坍塌、涌水等现象。建议采用超前预支护（管棚或超前小导管注浆）配合CRD法或双侧壁导坑法开挖，支护参数按加强型设计。F3断层段应进行超前探水，必要时采取超前预注浆堵水措施。4.3涌水量预测根据地下水补给条件、含水层渗透性及隧道穿越段的岩体透水特征，采用大气降水入渗法和地下水动力学法（古德曼经验公式法）对隧道涌水量进行估算。采用古德曼公式法计算，隧道正常涌水量约为1850m³/d，最大涌水量约为4200m³/d。其中F3断层破碎带段、F4断层及冲沟浅埋段、大理岩溶蚀发育段为主要涌水段，预测单段最大涌水量分别约为800m³/d、600m³/d和400m³/d。隧道施工中应加强涌水监测和排水系统建设，储备足够的排水能力。5结论与建议5.1结论（1）隧址区出露地层为中元古界绢云母石英片岩、绿泥石片岩及上元古界—下古生界大理岩夹片岩，构造变形强烈，发育F3、F4、F5