水底隧道工程地质评价的内容和方法

　　摘要:结合水底工程隧道实际，首先阐述了隧道工程的基本地质环境和工程地质条件，然后针对隧道工程可能出现的不良地质现象和可采取的工程措施，从隧道涌水量、围岩稳定、河岸边坡稳定、出洞口稳定和隧址工程地质等角度探讨隧道工程地质评价的方法和主要内容，进行隧道工程地质评价，为隧道施工、支护提供了依据。
　　关键词：隧道工程，工程地质条件，工程地质评价，隧道稳定性
　　0引言
　　水底隧道指用作水下通道的工程建筑物，总体上可分为土质隧道和岩质隧道。近年来，国内外出现了许多偏压隧道、长大隧道和大跨度隧道，因而其修建技术研究受到了广泛重视并取得了一些成果，相比之下，对隧道所处的工程地质条件和环境反而被忽视。事实上，工程岩土体不仅是隧道勘测的目的，也是隧道设计的依据、施工的对象，始终贯穿工程全过程。因此，工程地质评价一方面是隧道设计与施工的基础，另一方面也为隧道设计提供反馈信息，为施工提供指导（如超前预报等）[1-4]。隧道工程是目前科技发展两大领域之一即地下空间的重要内容，笔者以川气东送管道工程施家河水底隧道为例，探讨岩质水底隧道工程地质评价的主要内容和一般方法，并籍此引起对水底隧道工程地质的重视。
　　1工程概况
　　施家河穿越位于平昌县泥龙乡沙溪村，测量桩号为BPC102G2-BPC102G3。输气管线在该处以278.07°的方位角，以水下隧道形式斜穿施家河。河流南北两岸采用斜井方式，河流段采用平巷方式穿越。南、北斜井水平投影长分别为149.14m、164.78m，坡度均为25°；平巷段长约79.65m，顶板高程589.24m。隧道穿越水平投影总长约393.57m。
　　2工程地质条件
　　工程地质条件是指直接或间接影响隧道规划、设计、施工和正常运用等工程活动的地质因素，是工程地质评价的直接依据，主要包括岩土性质、地质构造、水文条件和不良地质现象[5-6]。其影响方式有：以一定作用影响隧道运营安全，由于不良地质而提高隧道造价。
　　根据现场地质调查测绘、区域地质资料，穿越区域内未发现断层、泥石流、滑坡及其它等不良地质现象。
　　2.1地层岩性
　　隧道穿越地段的地层自老至新有中生界白垩系下统苍溪组(K1c)砂岩、泥岩和第四系全新统残积层（Q4el+dl）。
　　中生界白垩系下统苍溪组(K1c)可分为砂岩、泥岩和炭质泥岩三类，其中砂岩组：主要矿物成份为长石、石英、岩屑等，其地层产状65°∠6°。强风化岩层岩体破碎，岩芯多呈散体状，个别碎块和短柱状；泥岩组：紫红色，粉砂质-泥质结构，层状构造，主要矿物成份为粘土矿物，见钙质结核，强风化岩体破碎，岩芯多呈散体状其地层产状近水平，倾角约2°，该层在场区分布连续；炭质泥岩组：黑色，泥质结构，层状构造，主要矿物成份为粘土矿物，在中风化和微风化砂岩中呈透镜体产出，质软，抗风化能力弱。该层在场区分布不连续。
　　第四系残积层（Q4el+dl）：紫红色和黄褐色，可塑，稍湿，稍有光泽，干强度中等，夹泥岩碎石，粒径0.2～0.5m，其中黄褐色粉质粘土主要分布在隧道入口处，紫红色粉质粘土主要分布在两岸平台面上。
　　
　　2.2地质构造
　　从区域地质来看，勘察区位于四川盆地东北部，大地构造位置处于其东北部大巴山北西向弧形构造带与其西南部川中地块仪陇～平昌莲花状构造带交接地带的长滩河—沿山向斜和百丈岩向斜之中，向斜开阔，两翼产状平缓，断裂构造未见。
　　2.3水文条件
　　2.3.1地表水
　　施家河穿越地段的地表水系主要为施家河，目前施家河为牛角坑水库的蓄水区。
　　蓄水前，施家河穿越处水位标高约624米（勘察期间水位标高约632米），蓄水后，河面最宽约500米，最窄约100米（位置在施家河穿越钻孔位置下游约两百米处）。
　　2.3.2地下水
　　区内地下水主要为第四系孔隙潜水含水层和基岩裂隙水。
　　１）第四系孔隙潜水含水层：与江水具统一的水位线，其补、迳、排严格受江水的控制。但远离本工程巷道，对本工程的影响甚微。
　　２）基岩裂隙含水岩组
　　基岩裂隙含水层：主要赋存于基岩风化裂隙带及砂岩层间裂隙中，尤其在砂岩与泥岩接触带，层间裂隙相对发育，其富水程度相对较好，含水的不均匀性较明显，富水性与层间裂隙的发育程度密切相关。据水文地质调查和区域水文地质经验，砂岩透水率一般为4.86～6.23Lu，在砂岩与泥岩接触带地带，透水率可达14.07Lu。基岩层的单位涌水量0.39～0.67L/min.m，渗透系数为0.229m/d，透水性较强。地下水赋存、运移于岩体构造节理裂隙中，接受大气降水、河水补给和层间径流补给。.
　　３）相对隔水层
　　主要由泥岩组成，其裂隙不甚发育，岩体较完整，为相对隔水层。
　　3隧道工程地质评价的内容和方法
　　3.1地下水补给量及涌水量评价
　　3.1.1地下水补给量评价
　　根据施家河穿越隧道的水文地质条件，分别采用径流模数法和地下水动力学法计算隧道地下水补给量。
　　第四系地层出露面积小，无意义，不参加地下水量的计算。
　　１）径流模数法
　　本隧道为越岭穿河隧道，地表水体不发育，两岸地下水整体向通江河径流排放，可采用地下水径流模数法计算两岸斜井涌水量。计算参数M值根据相同地层经验取2.5L/S•km2。
　　经计算南北两岸斜井的涌水量详见表1。
　　表1地下水径流模数法计算表

　　2）地下水动力学法
　　隧址区含水层主要为白垩系下统苍溪组(K1c)基岩裂隙水，为潜水。根据钻孔提水试验资料，含水层和渗透性，将隧址区划为三个地段。
　　计算详见表2。
　　
　　
　　表2地下水动力学法计算表

　　3.1.2隧道涌水量计算结果评价
　　施家河穿越通过地区地下水埋深约0.15-23.2m，水位高程为641.57-656.79m，位于地下水位之上的洞口地段，由于岩土层中不含水，隧道不可能出现涌水，但有可能存在大气降水沿裂隙下渗和上层滞水被揭露后出现瞬间突水，涌水量的大小取决于积水量的大小。位于地下水位以下，河流常年洪水位之上的斜井段，隧道涌水量取决于岩、土层的透水性，隧道涌水水源主要来自基岩裂隙水和松散土层孔隙水等地下水。位于河流常年洪水位以下段，隧道涌水水源除地下水外，主要为河水沿岩体裂隙和松散土层孔隙垂直补给坑道。因此，笔者用水均衡法，根据据地下水的补给、径流、排泄动态平衡近似计算方法来预测隧道洞室涌水量，
　　通过地下径流模数法和地下水动力法两种计算方法相比较，选取径流模数法计算值作为两岸斜井涌水量，入口段斜井涌水量为63.45m3/d，出口段斜井涌水量为85.85m3/d。平巷涌水量由地下水补给量和河水垂直补给量组成，地下水的补给量选取地下水动力学法计算值为235.68m3/d，河水垂直补给量根据达西定律计算结果3732.04m3/d，则平巷总涌水量为3967.72m3/d。隧道总涌水量为4117.02m3/d。
　　根据计算结果分析，渗水及突水地段主要在平巷及两岸斜井下部地段，未采取任何防治水措施情况下平巷与斜井段总涌水量估算4117.02m3/d，局部大裂隙发育极可能导致大的突水。
　　3.2边坡稳定性分析评价
　　3.2.1两岸岸坡稳定性
　　穿越段所在河段属剥蚀低山丘陵地貌，河流开阔，岸坡低缓，河道两岸岸线较顺直整齐，水面较宽，河流两岸为白垩系下统苍溪组（K1C）泥岩与砂岩互层，上覆第四系残坡积（Q4el+dl）粉质粘土。勘察期间水位为642m，在牛角坑库区蓄水后水位为正常水位648m。两岸岸坡多为基岩出露，总体稳定性较好，但河流存在侧蚀作用，加之浪蚀作用等的影响，岸坡局部强风化泥岩存在坍塌改造的可能。
　　3.2.2出洞口边坡稳定性评价
　　边坡坡向249.91°，坡角46°，坡高约12m，坡面基岩出露，表层被植被覆盖，岩层产状65°∠6°，为切向坡，属有利组合。
　　出洞口边坡可以不考虑边坡塌滑的影响，但要考虑边坡重力卸荷带的影响，根据类似边坡经验，卸荷带宽度为3m，而隧道出口桩离边坡边缘仅3.6m。因此，在隧道出洞口的作业面应选在靠内侧或在施工时对出洞口段强风化岩体进行清除，建议逆隧道走向设置仰坡出洞。
　　3.3隧道围岩稳定性评价
　　平巷段、斜井段的围岩为砂岩和泥岩互层，洞身围岩级别为Ⅳ级。为了进一步计算围岩的稳定性，判定隧道设计位置的合理性，选取隧道ZK6和ZK8二个有代表性点进行计算判定。通过计算可知除ZK6顶板中心和顶墙转角处不稳定外，其他部位均稳定，因此施工时需及时采取锚喷砼临时支护处理措施。
　　3.5隧址工程地质综合评价
　　隧址区处于四川盆地东北部，大地构造位置处于其西南部川中地块仪陇～平昌莲花状构造带及川东新华夏系弧形构造带与其东北部大巴山北西向弧形构造带交接地带的分水岭背斜、任家山背斜和百丈岩向斜之中，褶曲比较开阔，两翼缓倾斜，断裂构造少见。隧址区岩层呈单斜状，产状65°∠6°。隧道穿越埋设走向278.07°，与岩层走向近垂直相交，对隧道穿越无不利影响。隧道从山体中部通过，开挖形成的岩压均匀，无偏压影响。进出洞口均位于两岸的平台，平台坡度较缓，为第四系残坡积粉质粘土层，基岩面埋深均较浅，覆盖层厚度入口处约0.6-3.0m，出口处小于0.5m。
　　隧道围岩为中生界白垩系下统苍溪组泥岩与砂岩互层为主，局部夹炭质泥岩。围岩岩体较完整～完整，局部较破碎。地表水与地下水的补给关系为河水向地下水补给，隧址区水文地质条件中等。不存在夹煤和采空区，无有毒、有害气体。
　　隧址区隧址区无断层、泥石流等不良地质作用。活动断裂不发育，无新构造活动迹象，隧址区稳定性较好。
　　4结论
　　（1）水底隧道工程是地下工程的主要内容之一，受到多种因素影响，工程地质条件是一个重要因素。
　　（2）工程地质评价以基本地质环境和工程地质条件为依据，对隧道涌水量、围岩稳定性、河岸边坡稳定性、出洞口稳定性和隧址工程地质综合评价均需要按要求进行评价。
　　（3）工程地质评价是隧道设计、施工及支护的基础，始终贯穿隧道工程的全过程，对隧道超前预报起着决定性作用，在隧道工程中应引起高度重视。
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