断裂构造对公路隧道方案比选的影响分析

2019-09-10 版权声明 举报文章

断裂构造对公路隧道方案比选的影响分析

摘 要:文章讲述了“遵循地质选线理念”在公路隧道通过断裂构造带的实际应用。拟建公路隧道通过或位于多条区域断裂带附近,断裂构造对岩体的工程性质起着重要的作用,并对隧址区水文地质条件及洞室围岩稳定性起着控制性作用。通过详尽的地质调绘,并结合音频大地电磁法(AMT)和钻探,对“东西走向”和“南北走向”两种隧道方案进行了初步围岩级别划分和施工风险评估,并对可能出现的主要工程地质问题进行了预测,为隧道选线提供了地质依据。隧道方案应尽量避开断裂带,尽可能垂直穿越,避免平行通过。

关键词:地质选线;隧道;断裂;围岩分级

引言

岩体通常被层理、节理、断裂等结构面切割成大小不等、形状各异的块体,使岩体成为一种多裂隙的不连续介质。岩体的工程性质首先取决于这些结构面的性质,通常用完整性系数衡量,其次才是组成岩体的岩石性质,一般用单轴饱和抗压强度衡量。岩体的变形、破坏与稳定性主要取决于岩体内各种结构面的性质及其对岩体的切割程度。因此,对结构面的成因、特征、影响进行分析研究,在工程中具有重要意义。

拟建公路隧道地处区域断裂带,为全线控制性工程,文章结合该隧道选线,探讨了断裂构造对山区公路隧道的影响,从而为隧道选线及施工方案优化提供参考。

1 工程概况

拟建公路隧道初拟两种方案,东西向隧道方案由长岭坡隧道组成,隧道总长约4212m,最大埋深约280m,地处区域断裂带上盘,路线距破碎带最远约500m,路线走向与断层走向行;南北向隧道方案由马场隧道和三岔隧道两个隧道组成,隧道总长约4365m,最大埋深约340m,路线近垂直穿越两条区域断层。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

拟建隧道位于中高山区,总体呈东西向延伸山脉。隧址区地形地貌受东西向断裂构造控制,地形破碎,形成众多山间沟谷,沟谷一般呈南北向分布在隧道通过山体南北坡,切割深度大,边坡陡峻,地形起伏变化大,山体风化剥蚀严重,基岩少,山麓、谷地被残坡积、坡积、洪积角砾碎石覆盖,植被覆盖较好。隧址区地面高程2940m~3330m,相对高差约390m。

2.2 地层岩性

长岭坡隧道:洞身围岩岩性主要为二叠系(P1)炭质页岩、页岩及断层糜棱岩、压碎岩等。炭质页岩、页岩为隧道洞身主要岩性,青灰-灰黑-黑色,泥质(隐晶质)结构,页理构造,页状和薄片状层理极为发育,层厚一般在0.5-2cm,层理分明,易剥离成片状,页理面光滑,结合差,硬物击打易裂成碎片,岩体抗风化能力差,长时间极易碎裂呈片状,部分岩体风化浸水后污手,岩性软弱,为软岩-极软岩,该段围岩约2.82km,占隧道总长约67%;断层糜棱岩、压碎岩:分布在断层破碎带内,母岩成分为页岩、炭质页岩,大部分原岩结构已破坏变质,形成云母、方解石及粘土等次生矿物,残留部分母岩碎块,呈灰黑-黑色,夹方解石团块,呈碎裂状,挤压紧密,水稳性很差,遇水后极易软化成泥状,自稳能力很差,特别是遇水后抗剪强度急剧下降,易发生大变形及大范围坍塌破坏,该段围岩约1.39km,占隧道总长约33%。(如图1、图2)

马场隧道、三岔隧道:洞身围岩岩性主要为(γ)花岗岩;二叠系(P1)页岩、板岩夹灰岩和灰岩;古近系(E)砾岩;三叠系(T)板岩;断层糜棱岩、压碎岩等。花岗岩为较硬岩,较完整,围岩长约280m,占隧道总长约7%;页岩岩性同长岭坡隧道方案,围岩长约480m,占隧道总长约11%;砾岩为较硬岩,厚层块状,较完整,围岩长约320m,占隧道总长约7%;板岩夹灰岩为较硬岩,岩体较破碎,围岩长约1400m,占隧道总长约32%;灰岩为较硬质岩,岩体较完整-较破碎,围岩长约500m,占隧道总长约11%;板岩为较硬岩,岩体较破碎-较完整,围岩长约980m,占隧道总长约22%;断层破碎带长约300m,占隧道总长约7%。

2.3 地质构造

隧址区位于临潭-宕昌断裂带西段,该断裂为一条规模较大的晚更新世-全新世活动断裂带,由多条平行的次级断裂组成,断裂带水平滑动速率为2-2.5mm/a,垂直滑动速率为0.18mm/a,路线通过次级断裂F26和F23,见图3。

松柏梁断层F26:属逆冲左旋断层,产状NW275°NE∠40-60°,呈舒缓波状近东西向展布,破碎带宽300-400m,破碎带物质组成为压碎岩、糜棱岩、断层泥及炭质页岩风化物,遇水极易软化成泥状,地调及钻探揭示,断裂构造影响范围大,二叠系地层岩体破碎,产状多变,褶皱及次级断裂发育,受断裂构造阻水影响,沿断裂带上盘有众多泉水出露,沟谷内均有常年流水。大地电磁(AMT)物探揭示,F26断层上盘呈羽状分布多条次级断裂,破碎带宽100-250m。长岭坡隧道自F26断层上盘通过,洞身距断层最远约500m,且穿越该断裂多条次级断裂,隧道全线受到断裂构造影响很大,隧道围岩很差;马场隧道近垂直穿越F26断层,断层对围岩影响段落相对较短。

严家寺-格力那断层F23:属逆冲断层,产状NW290°NE∠50-60°,呈舒缓波状近东西向展布,延伸长度约75km,破碎带宽100-200m,破碎带物质组成为构造泥及角砾岩,断裂将二叠系(P1)地层推覆在三叠系(T)及古近系(E)地层之上,局部地层发生倒转,其上盘地层岩性多变。三岔隧道近垂直穿越F23断层,断层对围岩影响段落相对较短。

2.4 水文地质条件

地表水:隧址区地表水丰富,在隧道进出口沟谷及洞顶地表冲沟内均有地表水分布,为常流水,水质清澈,流量为5-10L/s,与地下水特别是出露泉水水力联系密切,枯水季节主要由地下水补给,亦受大气降水影响。

地下水:隧道区山体岩层历经多次构造运动,褶皱、断裂、节理裂隙发育,其不同的岩性接触带、断裂带、向斜、岩层的片理、层理以及岩体的节理裂隙等为地下水储存、运移提供了空间和通道,进而也决定了地下水以基岩裂隙水为主,接受大气降水补给,在隧址区多以泉的形式排泄于沟谷及地势较低的第四系堆积物中。隧道开挖后在页岩段落以淋雨状及线状流水为主,其中赋存于断层破碎带及褶皱核部的地下水储存丰富,水量大,洞室开挖后会出现股状流水及突涌水、涌泥现象。

构造断层带富水性评价:断裂破碎带主要由断层压碎岩、压碎岩、糜棱岩及断层泥组成,呈散体碎裂结构,为地下水储存提供了空间,加之断层影响带岩体受构造影响,岩体破碎,为地下水富集运移提供了天然通道,受断裂带阻水影响,在断层上盘及断裂带以泉水形式排泄至沟谷。根据地调资料,沿断裂带上盘出露众多泉水,根据泉水分布特征,判定断层破碎带及断层上盘岩体中均储存有地下水,地下水丰富,具承压性。

根据长岭坡隧道钻孔提水试验,隧址区地下水埋深浅,一般在17-21m,地下水丰富,水位恢复速度快。地下水对炭质页岩页理面和破碎带物质软化作用明显,页岩遇水后极易沿页理面开裂,破碎带遇水后易软化成散体状或泥状。隧道在断层破碎带中开挖易发生突涌水、突泥、大变形、冒顶等地质灾害,对隧道施工危害严重。

3 长岭坡隧道施工中存在的主要地质问题

隧道位于断裂构造带,围岩总体很差,地下水丰富,洞身岩性为软岩-极软岩,洞身多次穿越断裂破碎带,破碎带、影响带范围大,施工难度大、风险高,成洞条件很差,存在很大安全隐患,主要有以下工程地质问题:

(1)隧道位于区域断裂(F26)上盘,其上盘发育多条羽状次级断裂通过洞身,破碎带宽100-250m,隧道通过断裂带总长约1.39km,占隧道总长约33%。破碎带物质组成为压碎岩、糜棱岩、断层泥及炭质页岩风化物,遇水极易软化成泥状,遇水后围岩无自稳能力,隧道开挖易发生突涌水、突泥、大变形、冒顶等,围岩收敛变形很大。

(2)隧道洞身通过岩性主要为页岩、炭质页岩夹砂岩,页状和薄片状层理极为发育,层厚一般在0.5-2cm,页理面光滑,结合差,易剥离成片状,长时间极易碎裂呈片状,岩性软弱,为软岩-极软岩,遇水极易沿页理面开裂坍塌,钻孔揭示岩体中存在次级断裂带,分布不规则。该类围岩总长约2.82km,占隧道总长约67%。,隧道开挖易发生掉块及塌方,洞室有较大收敛变形,以淋雨状及线状出水为主,围岩自稳性差,局部有突涌水及突泥现象。

(3)隧址区地下水丰富,地下水对炭质页岩页理面和破碎带物质软化作用明显,页岩遇水后极易沿页理面开裂,破碎带遇水后易软化成散体状或泥状。隧道在断层破碎带中开挖易发生突涌水、突泥、大变形、冒顶等地质灾害,对隧道施工危害严重。

4 方案比选

通过对隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质条件综合分析评价,结合施工中可能出现的工程地质问题,就地质条件而言,对比选的两个方案进行以下比较。(如表1)

5 结束语

(1)隧道走向与断裂构造线平行且临近通过时,隧道全线均受断裂构造影响,岩体破碎,地下水丰富,围岩自稳能力差,施工难度大、风险高,因此隧道方案选择时应尽量避开断裂带,无法避开时尽可能垂直穿越,避免平行通过。

(2)隧道通过断层破碎带时,开挖易发生突涌水、突泥、大变形、冒顶等,围岩收敛变形很大,无自稳能力,应加强超前预报及超前支护措施,施工中应采取降低水位及排水措施,并做好对突发事件的应急预案。

参考文献

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