喻正富，夏國邦，王世谷，張奇華，杜勝華

(1.云南普宣高速公路建設(shè)指揮部，云南 宣威 655400；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室, 武漢 430010； 3.長江水利委員會 長江巖土工程總公司, 武漢 430010)

普立特大橋隧道錨碇區(qū)巖體工程地質(zhì)特性研究

喻正富1，夏國邦1，王世谷1，張奇華2，杜勝華3

(1.云南普宣高速公路建設(shè)指揮部，云南 宣威 655400；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室, 武漢 430010； 3.長江水利委員會 長江巖土工程總公司, 武漢 430010)

在建的普宣高速普立特大橋為主跨628 m的懸索橋，其一側(cè)采用隧道錨碇。隧道錨碇區(qū)巖體主要存在的工程地質(zhì)問題是巖體卸荷與巖溶問題。開挖了長120 m的探洞，并在探洞內(nèi)開展現(xiàn)場巖石力學試驗、聲波測試和地質(zhì)描述，獲得了巖體物理力學參數(shù)與巖體基本質(zhì)量分級情況。在此基礎(chǔ)上，分析了巖體卸荷與巖溶隨高程變化和埋深發(fā)育的規(guī)律。針對巖溶地區(qū)建設(shè)隧道錨碇可能存在的工程地質(zhì)問題，探索了一條采用地表地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)測繪、鉆探、洞探、坑槽探、鉆孔彈性波測試、勘探斜洞、原位試驗鉆孔等多種勘探方法的綜合勘探技術(shù)與分析方法，為隧道錨設(shè)計與穩(wěn)定分析提供了基本依據(jù)，可在類似工程中推廣。

普立特大橋; 隧道錨碇; 巖體卸荷; 巖溶; 巖體力學試驗

1 研究背景

隧道錨碇能較好地利用錨址區(qū)的地質(zhì)條件，工程量相對小(體量僅為重力錨的20%～25%)，是一種性價比高、對周邊環(huán)境擾動小的錨碇結(jié)構(gòu)形式，在避免大規(guī)模開挖、節(jié)約投資、保護自然環(huán)境等方面具有明顯優(yōu)勢。但隧道錨碇的設(shè)計受修建地區(qū)圍巖地質(zhì)的影響較大，宜在節(jié)理較少、完整性好的巖體條件下布置，這對隧道錨碇的工程應(yīng)用形成了制約。因此，對隧道錨碇的周邊地質(zhì)賦存條件進行深入勘察，是有效利用隧道錨碇結(jié)構(gòu)特性，進而充分發(fā)揮其優(yōu)勢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

然而迄今為止，國內(nèi)采用大噸位隧道錨碇建成的大跨度懸索橋還很少，所獲得的工程資料也很有限。矮寨特大懸索橋在前期勘察設(shè)計階段采用了勘探平洞、電磁波CT掃描等多種手段研究巖體工程地質(zhì)性質(zhì)，并于2012年3月順利通車[1-3]；四渡河特大橋同樣采用隧道錨碇形式，在充分的勘察試驗基礎(chǔ)上最終順利建成通車[4-6]；廣東虎門大橋在設(shè)計初期提出采用隧道錨碇形式，但經(jīng)過現(xiàn)場模型試驗后，最終橋梁設(shè)計未采用隧道錨碇方案[7]。從這些工程實際可以看出，隧道錨碇前期地質(zhì)勘察作用非常重要。文獻[8-9]介紹了在普立特大橋隧道錨碇區(qū)開展的隧道錨現(xiàn)場拉拔試驗研究成果。在公路懸索橋設(shè)計規(guī)范的報批稿中，沒有對不同勘察設(shè)計階段需要采取的勘察手段和工作深度等提出具體要求。

本文以普立特大橋隧道錨碇區(qū)巖體為研究對象，分析了隧道錨碇區(qū)域巖體勘察的重點問題、闡述了所采用的技術(shù)手段及主要的認識，并分析評價了地形地貌及巖體特征對橋基穩(wěn)定的影響。

2 工程概況

普立至宣威公路是國家高速公路網(wǎng)中杭州—昆明—瑞麗高速公路的一段，是連接我國東部、西南及通向南亞、東南亞各國的公路通道。在建的普立特大橋，是該段高速公路的控制性工程，橋面凈寬24.5 m，設(shè)計路面高程1 822～1 833 m，主跨 628 m，主纜設(shè)計荷載2×101.341 MN。普立岸采用隧道錨碇基礎(chǔ)，宣威岸采用重力錨基礎(chǔ)。

普立特大橋橋址區(qū)位于構(gòu)造剝蝕、侵蝕中山深切峽谷地貌單元區(qū)，普立大溝由北西向南東貫穿橋址區(qū)，深切溝谷兩側(cè)谷坡地形陡峭，呈“V”形谷。谷深400余米，中上部坡度30°～40°，下部坡度60°～80°(地形特征見圖1)。

圖1 普立大溝“V”形谷Fig.1 The V-shaped valley of Puli large groove

3 主要不良地質(zhì)問題

3.1 基本情況

普立大溝谷坡巖體卸荷作用較明顯，卸荷作用一方面使原有結(jié)構(gòu)面張開，部分擴展而與其它方向的裂隙貫通、一方面產(chǎn)生新的拉張裂隙，從而造成巖體的裂隙率增高，裂隙的規(guī)模增大，并在地下水的作用下，裂隙的溶蝕程度增高。另外，橋位區(qū)場地溶槽、溶芽較發(fā)育。因此，巖體卸荷和巖溶是工程區(qū)域存在的主要地質(zhì)問題，是控制巖體穩(wěn)定性主要因素。

針對這些問題，在采用地表地質(zhì)測繪、槽探、鉆孔電視、鉆孔聲波測試等手段的基礎(chǔ)上，進一步針對巖體卸荷問題(見圖3(a))，在普立岸隧道錨碇區(qū)，以布置探洞的方式進行了地質(zhì)勘察、物探測試及巖體原位試驗工作；針對巖溶問題(見圖3(b))，通過在探洞內(nèi)鉆孔和地質(zhì)雷達探測以查明其發(fā)育情況。

圖3 地表巖體卸荷與巖溶Fig.3 Rock mass unloading and karst in the earth’s surface

普立岸隧道錨碇勘探洞分平洞(見圖4(a))和斜洞(見圖4(b))。在巖體卸荷帶部分開挖平洞，走向與實際隧道錨碇軸線重合，進入錨碇區(qū)永久工程部位開挖斜洞，傾角40°，垂直勘探洞在其左右共布置12個支洞。在勘探洞12個支洞內(nèi)進行原位巖體變形、巖體直剪、巖體與混凝土接觸面直剪試驗和巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗。

圖4 勘探洞Fig.4 Excavation of exploration holes

圖5 裂隙的產(chǎn)狀統(tǒng)計分布特征Fig.5 Statistical distribution of the occurrence of fissures

圖6 勘探洞裂隙發(fā)育頻率隨洞深變化關(guān)系Fig.6 Variation of fissure’s occurrence frequency with the depth of exploration hole

圖7 勘探洞每米裂隙張開寬度隨洞深變化關(guān)系Fig.7 Variation of the per meter opening width of fissure in the exploration hole with the depth of exploration hole

3.2 巖體卸荷問題

普立大溝卸荷作用較為明顯。巖體卸荷主要通過地表測繪、鉆探、物探及勘探洞等手段進行探測。巖體裂隙產(chǎn)狀分布特征如圖5所示，裂隙發(fā)育密度及裂隙張開情況隨洞深的變化規(guī)律如圖6、圖7所示，通過圖5至圖7可以看出有以下特征。

(1) 地層巖性：巖體為石炭系黃龍組和馬平組灰?guī)r、白云巖，2類地層為整合接觸、無沉積間斷形成的弱面(帶)；組成坡體的巖石強度差異不大，均為中厚層狀硬質(zhì)巖石，產(chǎn)狀近水平(巖層傾角5°～10°)。

(2) 裂隙特征：巖體構(gòu)造裂隙以陡傾角為主(圖5)；卸荷裂隙張開，夾泥或無充填。探洞內(nèi)共發(fā)現(xiàn)7條層間剪切帶，剪切帶寬度一般為10～30 cm，夾泥，光滑。

(3) 強卸荷帶表現(xiàn)為裂隙間距較小，較密集，一般為0.1～0.5 m(圖6)，裂隙張開(圖7)，最大可見張開數(shù)十厘米、并多充填泥質(zhì)；局部勘探洞頂有滴水，洞頂穩(wěn)定性較差，必須支護。

(4) 弱卸荷帶巖體裂隙間距增大為0.5～1.3 m，裂隙多微張，張開寬度5～10 mm不等，充填少量泥質(zhì)，洞頂有滴水，隧洞掘進洞頂穩(wěn)定性較好，巖塊間嵌合較好，洞頂及側(cè)壁較穩(wěn)定，需一般支護或不需支護。

(5) 正常巖體裂隙稀疏，裂隙間距一般>1.5 m，裂隙微張-閉合，洞頂?shù)嗡?，洞頂及?cè)壁穩(wěn)定。

通過對橋區(qū)及隧道錨碇區(qū)的巖體卸荷發(fā)育特征分析可知，橋區(qū)卸荷帶厚度不大，隧道錨與谷溝陡崖最近的平均距離在200 m以上，卸荷帶對隧道錨碇的整體穩(wěn)定性影響較小。

3.3 巖溶問題

橋位區(qū)場地溶槽、溶芽較發(fā)育。巖溶的勘探主要通過鉆探，并在勘探洞四壁采用地質(zhì)雷達進行了探測。

對鉆孔和地質(zhì)雷達探測數(shù)據(jù)進行分析，得到了溶洞發(fā)育特征的統(tǒng)計結(jié)果，如圖8、圖9所示。

圖8 鉆遇溶洞在高程和深度上的分布統(tǒng)計Fig.8 Statistics of the distribution of karst caves in elevation and depth encountered during drilling

圖9 溶洞發(fā)育特性Fig.9 Characteristics of karst caves development

由圖8和圖9可知：

(1) 鉆遇溶洞分布：橋位區(qū)共計80個鉆孔用于探查溶洞，其中有17個孔遇36個溶洞。隧道錨碇區(qū)同樣存在巖溶分布，共計3個孔遇到5個溶洞。

(2) 溶洞分布高程(如圖8(a))：高程1 810～1 830 m，遇到溶洞3個，占9%；高程1 700～1 770 m遇到溶洞29個，占88%(其中1 730～1 750 m占70%)；高程1 700 m以下溶洞極少。

(3) 溶洞埋深特征(如圖8(b))：深0～30 m遇溶洞數(shù)量最多，占溶洞總數(shù)的67%；孔深60 m以下未發(fā)現(xiàn)溶洞；總體上，孔深30 m以內(nèi)，溶洞隨深度增大而增多，孔深30 m以上，溶洞隨深度增大而減少。

(4) 溶洞發(fā)育巖性規(guī)律(如圖9(a))：白云巖2個鉆孔遇溶洞4個；灰?guī)r15孔遇到溶洞32個；灰?guī)r鉆孔遇溶洞個數(shù)遠高于白云巖。

表1 隧道錨碇區(qū)工程巖體基本質(zhì)量分級Table 1 Quality classification of rock mass in the tunnel-type anchorage region

(5) 溶洞充填情況(如圖9(b))：無充填的空洞17個，占48%；有松散的土夾碎石充填的溶洞15個，占39%；充填半膠結(jié)角礫的溶洞4個，占12 %；溶洞大部分為空洞或充填松散堆積物。

(6) 溶洞發(fā)育規(guī)模：豎向高度<3 m的溶洞占67%，大者可達5～6 m。多為干溶洞，局部底部可能賦存少量巖溶水。

(7) 勘探洞斜洞洞底(距地表深度80.2 m)發(fā)現(xiàn)一處較大的溶洞(見圖10)，順洞軸線長6.6 m，橫向?qū)?.0 m，往洞頂、底延伸較深，>3 m。探洞其余部分只發(fā)現(xiàn)幾處小溶洞，溶洞一般呈不規(guī)則縫隙狀，深數(shù)米，寬<10 cm。地質(zhì)雷達對洞壁探測結(jié)果表明圍巖存在較大溶洞的可能性不大。

圖10 勘探洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)的溶洞Fig.10 A big karst cave discovered in the exploration hole

通過橋位區(qū)巖溶總體分布特點的分析，以及錨碇區(qū)探洞洞壁巖溶分布情況調(diào)查探測，可以基本斷定錨洞及周圍一定范圍(10 m)的圍巖不存在規(guī)模較大溶洞。

4 工程巖體基本質(zhì)量分級

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB50218—94)[10]，結(jié)合橋位區(qū)巖體堅硬程度與完整性，巖石及巖體室內(nèi)與現(xiàn)場試驗等，將隧道錨碇區(qū)巖體進行基本質(zhì)量分級(見表1)。普立岸隧道錨勘探洞編錄圖見圖11。

勘探洞內(nèi)勘察結(jié)果顯示隧道錨0～31 m為強卸荷、強風化溶蝕帶巖體，圍巖分類Ⅴ類；31～44 m巖體位于弱卸荷、中風化溶蝕帶，圍類以Ⅳ類為主；44 m以下巖體為微風化溶蝕帶，圍巖分類為Ⅲ類，部分Ⅳ類。

圖11 隧道錨勘探洞地質(zhì)編錄圖Fig.11 Geolograph chart of exploration hole of the tunnel-type anchorage region

5 巖體物理力學性質(zhì)及參數(shù)建議

在勘探洞內(nèi)共進行了巖體變形試驗、巖體本身直剪試驗、結(jié)構(gòu)面直剪試驗、混凝土與巖體接觸面直剪試驗4種試驗，根據(jù)試驗結(jié)果并類比相似工程相似巖性的工程經(jīng)驗，可得到隧道錨碇區(qū)域的工程巖體力學參數(shù)建議值(見表2)和隧道錨碇區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議值(見表3)。

表2 普立大橋隧道錨碇區(qū)巖體物理力學參數(shù)建議值Table 2 Suggested physical and mechanical parameters of rock masses in the tunnel-type anchorage region at Puli bridge

表3 普立大橋隧道錨碇區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議值Table 3 Suggested parameters of the structure planes of rock mass in the tunnel-type anchorage region at Puli bridge

6 隧道錨碇工程地質(zhì)評價

普立特大橋隧道錨碇區(qū)存在巖體卸荷和巖溶兩大地質(zhì)問題，采用包括地質(zhì)描繪、鉆探、聲波測試、地質(zhì)雷達監(jiān)測以及開挖勘探洞的綜合地質(zhì)勘察手段對這2大地質(zhì)問題進行詳細的勘察和研究。根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB50218—94)[10]，結(jié)合橋位區(qū)巖體特性分析，錨塞體總體位于Ⅲ類巖體中，局部為溶蝕破碎的Ⅴ類巖體，同時隧道錨與普立大溝陡坡的最近距離大于200 m，卸荷帶對隧道錨碇的整體影響比較小。通過對巖溶問題的勘測，可以基本斷定錨洞及周圍一定范圍(10 m)的圍巖不存在規(guī)模較大溶洞。但為了實際工程施工順利進行，建議在錨洞開挖后對錨塞體周圍進行巖溶探測，對錨塞體周圍一定范圍內(nèi)巖體采取灌漿等有效的工程處理手段以提高錨塞體周圍巖體的完整性。

7 結(jié) 論

本文針對普立特大橋隧道錨碇工程，采用了地表地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)測繪、鉆探、洞探、坑槽探、鉆孔彈性波測試、勘探斜洞、原位試驗鉆孔等多種勘探方法的綜合勘探手段，特別是針對巖體卸荷和巖溶問題進行了深入細致的勘察和研究。根據(jù)隧道錨碇區(qū)勘探洞的勘察結(jié)果，表明隧道錨碇區(qū)巖體堅硬，大部分巖體裂隙發(fā)育程度較低，巖體卸荷帶對隧道錨碇整體穩(wěn)定影響較小。

根據(jù)巖溶總體分布以及探洞巖溶特點，可基本確定探洞周圍巖體一定范圍內(nèi)(10 m)不存在規(guī)模較大溶洞，為隧道錨碇方案的成立提供了有利的地質(zhì)條件。建議在工程開挖后，進一步查明錨洞洞壁一定深度范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，必要時采取灌漿等有效加固措施。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果及結(jié)合工程經(jīng)驗類比，提出了隧道錨碇區(qū)域的工程巖體分級，并給出了物理力學參數(shù)建議值。

綜合上述分析，認為隧道錨碇探洞區(qū)域的地質(zhì)條件可滿足隧道錨碇設(shè)計和施工的要求。現(xiàn)場巖石力學試驗和數(shù)值分析結(jié)果也表明了這一點。通過本文工作，總結(jié)出了一條綜合性的勘探技術(shù)與分析方法，為隧道錨設(shè)計與穩(wěn)定分析提供了基本依據(jù)，可在類似工程的地質(zhì)勘察分析研究中推廣。

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[10]GB50218—94, 工程巖體分級標準[S]. 北京：中國計劃出版社，1994. (GB50218—94， Standard for Engineering Classification of Rock Masses[S]. Beijing：China Planning Press，1994. (in Chinese))

(編輯：劉運飛)

Geological Characteristics of Rock Masses Engineering inthe Tunnel Anchorage Area at Puli Bridge

YU Zheng-fu1, XIA Guo-bang1, WANG Shi-gu1, ZHANG Qi-hua2, DU Sheng-hua3

(1.Construction Headquarters of Puli-Xuanwei Highway of Yunnan Province, Xuanwei 655400, China;2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics & Engineering of MWR, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 3.Yangtze River Geotechnical Engineering Corporation,Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

Puli bridge is a large suspension bridge with a main span of 628 m and tunnel-type anchorage on one side. Rock mass unloading and karst problem are the key issues of engineering geology in the tunnel anchorage area. An exploration hole of 120 m long was excavated through the center of the anchorage, and in-situ rock mechanical test, sonic test and geological description were conducted in the exploration hole. The physical and mechanical parameters of rock masses and the classification of basic quality of rock masses were obtained. On this basis, the regularities of rock mass unloading and karst development varying with elevation and embedded depth were analyzed. Comprehensive investigation technologies and analysis methods involving ground surface geological survey, geological mapping, drilling, tunnel excavation, pitting, trenching, elastic wave testing, and in-situ testing are explored in view of the possible engineering geological problems of tunnel anchorage in karst region. These technologies provide fundamental data for the design of tunnel anchorage and the stability analysis, and are worth to be popularized in similar works.

Puli bridge; tunnel anchorage; rock mass unloading; karst; rock mass mechanics test

2014-06-11；

2014-08-18

云南省交通運輸廳科技項目(云交科2011(LH)12-a號)

喻正富(1963-)，男，云南通海人， 高級工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理和巖土工程勘察設(shè)計工作，(電話)0874-7170599(電子信箱)yzf21706@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.013

TU45

A

1001-5485(2015)08-0072-06

2015,32(08):72-77