肖丹鳳，謝經(jīng)磊

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457001)

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基于閩江隧道穿越巖土條件的研究

肖丹鳳，謝經(jīng)磊

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457001)

摘要：閩江隧道穿越是海西天然氣管網(wǎng)二期工程(福州—三明段)的控制性工程之一，通過對(duì)閩江隧道穿越段的勘察研究，隧道通過區(qū)基巖以上侏羅統(tǒng)南園組凝灰熔巖為主，局部見脈狀侵入的花崗巖，隧道進(jìn)、出口段及丘坡地帶有少量第四系殘坡積土，河床土質(zhì)主要為沖洪積砂土，巖體完整性較好，圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)；地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，附近無(wú)斷層通過；水文地質(zhì)條件較好，對(duì)管道的腐蝕性較弱，適宜管道進(jìn)行隧道穿越。文章建議加強(qiáng)施工過程的地質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，采取探、掘結(jié)合的方法，嚴(yán)格執(zhí)行先探后掘、先治后掘的防、治水原則，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保工程安全。

關(guān)鍵詞：閩江隧道；地質(zhì)構(gòu)造；圍巖；巖土工程；研究

1區(qū)域地質(zhì)背景與地震條件研究

1.1區(qū)域地形地貌

測(cè)區(qū)大地構(gòu)造屬華南褶皺東部之閩東火山斷拗帶中部，次級(jí)構(gòu)造屬斌溪—閩侯火山巖拗陷帶，受新華夏系構(gòu)造的影響和控制，測(cè)區(qū)附近主要發(fā)育2條北北東向的火山裂隙噴發(fā)帶，即北西的溪坪—天池頂火山噴發(fā)裂隙帶和南東的小虎頭—長(zhǎng)坑火山噴發(fā)裂隙帶。

1.2區(qū)域穩(wěn)定性與地震地質(zhì)條件分析

本區(qū)構(gòu)造形態(tài)主要成生于燕山期，隧址區(qū)位于斌溪—閩侯火山巖拗陷帶南西段，屬相對(duì)穩(wěn)定地塊，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001，2009年版)[1]及《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，隧址所在區(qū)域地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.40s，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g；依據(jù)抗震設(shè)防區(qū)劃，區(qū)內(nèi)建筑抗震設(shè)防烈度為6°。

2工程區(qū)地質(zhì)條件研究

2.1自然條件

閩江隧道穿越位于福建省福州市閩侯縣竹歧鄉(xiāng)—白沙鎮(zhèn)之間。閩侯縣中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季如春，夏長(zhǎng)無(wú)酷暑，冬短無(wú)嚴(yán)寒，年平均氣溫19.5 ℃，年平均降水量為1 673.9 mm，冬季多偏北風(fēng)，夏季多偏東南風(fēng)，年平均風(fēng)速3 m/s。

2.2地形地貌

穿越段閩江河道較順直，河谷呈略對(duì)稱的寬緩“U”型，河床質(zhì)為中粗砂，水下地形起伏較大，主河槽偏西岸，2011年9月4日17：50實(shí)測(cè)河水位2.52m，水面寬820m，東側(cè)邊灘寬約50m，河灘水深一般在3.50～8.50 m，主河槽水深10.05～14.26 m，最大水深16.17 m，漲、落潮水位差達(dá)3.22m。兩岸屬丘陵地貌，西岸為天然岸坡，坡角約30°，坡頂為上岐—潘頭的水泥公路，高出江面約9m；東岸為人工岸坡，總體坡角約27°，坡頂為X115縣道，高出江面約13m，臨江一側(cè)為條石堡坎[1]。

2.3地層巖性

工程地質(zhì)測(cè)繪和鉆探揭露證實(shí)，隧道通過區(qū)基巖以上侏羅統(tǒng)南園組(J3nb)凝灰熔巖為主，局部見脈狀侵入的花崗巖，隧道進(jìn)、出口段及丘坡地帶有少量第四系殘坡積(Q4edl)土，河床土質(zhì)主要為沖洪積(Q4apl)砂土。

2.4工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造研究

測(cè)區(qū)大地構(gòu)造屬華南褶皺東部之閩東火山斷拗帶中部，次級(jí)構(gòu)造屬斌溪—閩侯火山巖拗陷帶，受新華夏系構(gòu)造的影響和控制，測(cè)區(qū)附近主要發(fā)育2條北北東向的火山裂隙噴發(fā)帶，即北西的溪坪—天池頂火山噴發(fā)裂隙帶和南東的小虎頭—長(zhǎng)坑火山噴發(fā)裂隙帶。

2.5水文地質(zhì)概況評(píng)價(jià)

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕丘陵—河谷地貌，區(qū)內(nèi)基巖以火山噴出巖—凝灰熔巖為主，局部花崗巖沿裂隙脈狀侵入，第四系沖洪積松散堆積層分布于閩江河道兩岸的漫灘部位，區(qū)內(nèi)地下水按賦存介質(zhì)的組合特征，可分為第四系松散巖類孔隙水和火山巖類基巖裂隙水二大類型，地層的富水性受含水層巖性、分布面積、裂隙發(fā)育程度及地形地貌的影響和控制。

按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001，2009年版)第12.2節(jié)及《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50568—2010)[3]附錄A的標(biāo)準(zhǔn)，穿越段地下水對(duì)混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性；地表水對(duì)混凝土有弱腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

2.6巖體的風(fēng)化特征

測(cè)區(qū)淺表巖體在各種風(fēng)化營(yíng)力的作用下受到不同程度的風(fēng)化，總體來(lái)看巖體的風(fēng)化程度隨著深度的增大而迅速減弱，表現(xiàn)出明顯的垂直分帶性。測(cè)區(qū)巖體自上而下可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化及微風(fēng)化等4個(gè)風(fēng)化帶。

2.7河床及岸坡的穩(wěn)定性

穿越段河床土質(zhì)為二元結(jié)構(gòu)，主河道堆積層厚度約8～22 m，上部為松散-稍密的中粗砂，下部為稍密的卵石土，現(xiàn)有河床的自然狀況較好，河道內(nèi)無(wú)采石挖砂現(xiàn)象，河床未受擾動(dòng)，抗下切侵蝕的能力較強(qiáng)，枯、平水期河水流量小、流速緩，沖刷作用較弱，河床穩(wěn)定性較好；洪水期河水流量大、流速快，對(duì)松散表層具一定的沖刷能力，河床穩(wěn)定性相對(duì)較差。

由于穿越段處閩江下游，江面較寬、水流平穩(wěn)，河道平均坡降約0.1‰，河流的中-長(zhǎng)期沖刷侵蝕與堆積補(bǔ)償作用基本保持動(dòng)態(tài)平衡，河床的穩(wěn)定性總體較好。

穿越段所在河段屬剝蝕丘陵區(qū)，河道開闊，兩岸岸線較順直，岸坡的穩(wěn)定性總體較好。閩江東岸穿越斷面附近為X115縣道的條石堡坎，無(wú)天然條件下的岸坡再造問題；閩江西岸為自然岸坡，其物質(zhì)構(gòu)成主要為人工填土和殘坡積粉質(zhì)黏土，穿越處因采石場(chǎng)傾渣岸坡坡面多為大塊石，因而其穩(wěn)定性較好，但下游不遠(yuǎn)處的原生岸坡在河流的側(cè)蝕作用下，已出現(xiàn)多處潛蝕坍塌，說明水流對(duì)西側(cè)土質(zhì)岸坡有一定的沖刷破壞作用。

3隧道工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1兩岸場(chǎng)地的穩(wěn)定性

隧道進(jìn)口位于閩江東岸一小沖溝南側(cè)的階梯狀緩斜坡部位，高出溝底約8.40 m，自然地形坡角約8°～12°，表層殘坡積厚度一般1～3 m，沖溝底部約8～12 m，下伏為侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰熔巖，斜坡的穩(wěn)定性較好。

隧道出口位于閩江西岸的采石場(chǎng)內(nèi)，地形平坦、開闊，表層為人工填土和殘坡積土，厚度約8～13 m，下伏為侏羅系上統(tǒng)南園組(J3nb)凝灰熔巖，場(chǎng)地的穩(wěn)定性好。

3.2巖、土工程性狀及物理力學(xué)指標(biāo)

3.2.1土體的工程性狀

人工填土(Q4ml)：分布于兩岸公路、鐵路的路基-路肩和西岸的采石場(chǎng)一帶，厚度約5～8 m，主要成分為塊、碎石和粉質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)松散至稍密，東岸距隧道位置較遠(yuǎn)，對(duì)隧道工程不構(gòu)成影響；西岸為隧道斜井的開洞層位，其強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，需全斷面支護(hù)掘進(jìn)。

沖洪積土(Q4apl)：分布于閩江河道內(nèi)，東段厚度一般10～15 m，西段厚度一般15～25 m，以中-粗砂為主，底部卵石層較薄，結(jié)構(gòu)松散至稍密，由于其遠(yuǎn)離隧道位置，對(duì)工程影響極小。

殘坡積土(Q4edl)：分布于閩江兩岸，東岸厚度一般1～3 m、沖溝底部約8～12 m，西段厚度一般3～5 m，由粉質(zhì)黏土夾塊、碎石組成，為隧道斜井的穿越層位，強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，需全斷面支護(hù)掘進(jìn)。

3.2.2巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

3.2.2.1巖石物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)

隧道穿越段圍巖以凝灰熔巖為主，局部為花崗巖。試驗(yàn)分析表明，中風(fēng)化凝灰熔巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般38.6～54.4 MPa，軟化系數(shù)一般0.56～0.69，屬易軟化的較硬巖[4]；微風(fēng)化凝灰熔巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般62.2～73.5 MPa，屬堅(jiān)硬巖，軟化系數(shù)一般0.76～0.94，屬不易軟化的堅(jiān)硬巖；中-微風(fēng)化花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度39.4～8.5 MPa，軟化系數(shù)一般0.59～0.70，屬易軟化的較硬巖。

巖石物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001，2009年版)第14.2條進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1。

表1　巖石主要物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)值)表

3.2.2.2巖體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

1)天然重度平均值：26.5kN/m3；

2)飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：14.20MPa(折減系數(shù)0.33)；

3)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：1.07MPa(折減系數(shù)0.20)；

4)內(nèi)聚力標(biāo)準(zhǔn)值：1.80Mpa(折減系數(shù)0.33)；

5)內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值：38.2°(折減系數(shù)0.70)；

6)彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值：26.13×103MPa(折減系數(shù)0.67)；

7)泊桑比標(biāo)準(zhǔn)值：0.21。

3.3隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50585—2010)規(guī)定，依據(jù)巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度及圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行基本分級(jí)，圍巖級(jí)別Ⅲ～Ⅴ。

3.4結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道工程的影響

工程地質(zhì)測(cè)繪表明，隧址區(qū)基巖主要發(fā)育產(chǎn)狀72°∠76°和148°∠75°二組陡傾節(jié)理，巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道工程的影響，二組陡傾節(jié)理對(duì)東岸斜井的影響較大，節(jié)理與斜井頂面構(gòu)成不穩(wěn)定楔形體，易在斜井北側(cè)壁頂部形成掉塊，受振動(dòng)時(shí)極易發(fā)生楔形體滑落；節(jié)理與隧道側(cè)壁構(gòu)成的不穩(wěn)定楔形體，受振動(dòng)時(shí)易在斜井北側(cè)壁下部剪出。節(jié)理對(duì)隧道平巷及西岸斜井的影響不大，局部可能在隧道北側(cè)壁頂部形成小的掉塊。

3.5放射性和有害有毒氣體

本次勘察未取得巖體氣樣和放射性分析樣，根據(jù)《福州-福清-南日島幅1：20萬(wàn)聯(lián)測(cè)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》及鄰區(qū)《閩清縣幅1∶5萬(wàn)地質(zhì)圖說明書》，侏羅系火山熔巖含有微量的放射性元素釷(Th)和鈾(U)等，其含量豐度值極低，鈾(U)一般<10×10-6，釷(Th)一般<35×10-6，不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成危害；隧道穿越地層不含煤層和有機(jī)物，無(wú)瓦斯、甲烷、硫化氫等有毒有害氣體。但施工中亦應(yīng)加強(qiáng)放射性和有毒有害氣體的檢測(cè)，做好通風(fēng)排煙工作。

3.6構(gòu)造破碎巖帶工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

本次勘察證實(shí)，隧道穿越位置分布有一構(gòu)造破碎巖帶，厚度13.8～21.0 m，以帶內(nèi)節(jié)理裂隙密集發(fā)育、巖體破碎為顯著特點(diǎn)，由于其巖性與上、下原巖一致，也未見壓溶與蝕變等動(dòng)力變質(zhì)特征，故該帶實(shí)際上為節(jié)理、裂隙密集帶。物探資料也佐證了破碎帶的存在，并顯示該帶在隧道進(jìn)洞口與鐵路外福線之間穿出地表，外福線東側(cè)沖溝 “土層+強(qiáng)風(fēng)化層”物探顯示厚度達(dá)23.5m，正是該破碎帶穿出地表的直接反應(yīng)。破碎巖帶對(duì)穿越隧道的影響主要有3個(gè)方面：①制約了對(duì)隧道標(biāo)高(埋深)的選擇；②提高了隧道圍巖的支護(hù)等級(jí)；③帶來(lái)了隧道雨季涌、突水的危險(xiǎn)。因而，在隧道設(shè)計(jì)和施工中，對(duì)此都必需給予高度的重視，選取適宜的工藝與保護(hù)措施，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

3.7隧道棄渣場(chǎng)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

本穿越隧道總長(zhǎng)度為1 111.62 m，斷面凈尺寸初步設(shè)計(jì)為2.70×2.70m，按松散系數(shù)1.70計(jì)算，工程總出渣量預(yù)計(jì)為14 400 m3。按照就地棄土堆放的原則，東岸隧道進(jìn)口可選擇鐵路外福線東側(cè)的沖溝作為棄渣場(chǎng)地；西岸隧道出口處為采石場(chǎng)，礦主正且擬建為混凝土攪拌站，附近無(wú)適宜的棄渣場(chǎng)地，隧道棄渣需外運(yùn)堆放。東岸棄渣場(chǎng)可利用地形條件，就近于進(jìn)洞口西在沖溝底部水溝的南東側(cè)砌筑擋渣墻，擋墻長(zhǎng)度約185m，按擋墻高2.50 m計(jì)算，堆渣量約7 500 m3。

根據(jù)隧道物探資料，沖溝底部基巖埋深較大，表層殘坡積粉質(zhì)黏土夾碎塊石最大厚度約8m。擋渣墻基礎(chǔ)可置于粉質(zhì)黏土夾碎塊石層中，基礎(chǔ)埋深應(yīng)保證擋渣墻的穩(wěn)定，但≤1.50 m，粉質(zhì)黏土的地基承在力特征值可按105 kPa取值，土對(duì)擋墻基底的磨擦系數(shù)可按0.25取值。

4結(jié)語(yǔ)

1)本報(bào)告過江段隧道埋深，參照Z(yǔ).D.Eisenstein的挪威經(jīng)驗(yàn)曲線，在擬合計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合穿越斷面地層結(jié)構(gòu)、巖體物理力學(xué)特征和閩江水文情況等方面資料后，按照安全、合理、經(jīng)濟(jì)的原則確定的，僅作為初步的建議方案。設(shè)計(jì)方可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)隧道的全面要求進(jìn)行具體調(diào)整，建議適當(dāng)降低過江平巷段的隧道標(biāo)高。

2)東岸斜井上段大致在離進(jìn)洞口平距約35～56 m間穿過破碎巖帶，該段水平長(zhǎng)約21m，建議采用小管棚全斷面支護(hù)掘進(jìn)工藝快速通過，并用現(xiàn)澆鋼筋混凝土做永久性支護(hù)。為確保巷道及施工安全，必要時(shí)可對(duì)進(jìn)洞口位置及平巷段長(zhǎng)度作適當(dāng)調(diào)整，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)按實(shí)施的具體要求予以綜合考慮。

3)建議加強(qiáng)施工過程的地質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，采取探、掘結(jié)合的方法，嚴(yán)格執(zhí)行先探后掘、先治后掘的防、治水原則，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保工程安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

中圖分類號(hào)：U452.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡(jiǎn)介]肖丹鳳(1982-)，女，吉林遼源人，工程師；謝經(jīng)磊(1981-)，男，河南許昌人，工程師。

[收稿日期]2015-10-21

文章編號(hào)：1007-7596(2016)01-0023-03