杜家山特長隧道工程地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

廖 俊

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

杜家山特長隧道工程地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

廖 俊

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

通過對(duì)杜家山特長隧道隧址區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體工程地質(zhì)特征等進(jìn)行調(diào)查，利用物探、鉆探，水文地質(zhì)試驗(yàn)和巖體物理力學(xué)試驗(yàn)等勘察成果，分析評(píng)價(jià)隧道的地質(zhì)復(fù)雜程度及工程地質(zhì)條件，指出隧道施工過程中可能會(huì)遇到的工程地質(zhì)問題以及相關(guān)施工措施和建議。

特長隧道；工程地質(zhì)條件；復(fù)雜程度；綜合勘察；措施建議

1 工程概況

杜家山特長隧道位于改建鐵路陽平關(guān)至安康線增建二線擴(kuò)能改造安康樞紐配套工程的南秦嶺越嶺段，隧道呈NE-SW向穿越南秦嶺低中山區(qū)，地形崎嶇，地勢(shì)險(xiǎn)要，山高溝深，植被茂密，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性多變，工程難度大。隧道全長10 582 m，為全線控制性工程，地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性直接影響工程的進(jìn)展。

勘察過程中充分利用綜合勘探的各種手段[9]，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探相互驗(yàn)證，并對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行修正。利用鉆探查明淺埋段及部分深埋段覆蓋層及風(fēng)化層厚度、洞身巖性、巖石完整程度、富水程度、斷層走向等；在隧道通過范圍內(nèi)對(duì)每套地層的各種巖性采樣、定名及巖石物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)；布置物探工作，對(duì)洞身通過的溝谷地段及孔內(nèi)進(jìn)行放射性測(cè)試，對(duì)斷層溝谷區(qū)進(jìn)行氡氣含量測(cè)試，以查明斷層地表邊界；進(jìn)行深孔內(nèi)原地應(yīng)力測(cè)試、地溫測(cè)量、波速測(cè)試、水文測(cè)試等。通過上述工作，查明了隧址區(qū)的工程地質(zhì)條件，對(duì)隧址區(qū)的工程地質(zhì)問題進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，提出隧道設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的巖土工程問題及處理措施建議。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

杜家山隧道進(jìn)口位于旬河支流麻坪河河谷區(qū)，出口位于漢江支流丁家河河谷區(qū)，洞身穿越南秦嶺低中山區(qū)。隧址區(qū)主峰界嶺高程1 150 m，麻坪河河床高程303 m，丁家河床高程314 m，溝谷發(fā)育，多呈垂直山脊樹枝狀分布的“V”形谷，嶺北主要分布有麻坪河、向家溝、康家溝等，嶺南主要分布有紙房溝、二郎溝、油房溝、丁家河等，山體相對(duì)高差500～800 m，屬中-深切割山區(qū)，以淺變質(zhì)石質(zhì)山地為主，山坡植被茂密，樹木較多。

2.2 氣象特征

本區(qū)屬北亞熱帶秦巴濕潤山地氣候，氣候溫和，雨量充沛，隧道穿越旬陽縣和安康兩市縣區(qū)，主要?dú)鉁貐?shù)如下(2000～2009年)：

年平均氣溫16.0～16.7 ℃；最冷月平均氣溫2.0～2.4 ℃，最熱月(七月)平均29.4～29.8 ℃，極端最低氣溫-6.3 ℃，極端最高氣溫40.9～43.1 ℃，年平均降水量772.5～872.4 mm，年最大降水量1 216.8～1 392.1 mm，年最小降水量519.8～637.5 mm，年平均蒸發(fā)量874.4～1 435.7 mm，年最大積雪厚度4～6 cm，土壤最大凍結(jié)深度30 cm。

2.3 地層巖性及物性參數(shù)

隧道工程涉及地層主要有第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，沖、洪積細(xì)圓礫土，卵石土；泥盆系中統(tǒng)大楓溝組及公館組灰?guī)r、千枚巖、千枚巖夾灰?guī)r、灰?guī)r夾千枚巖；志留系下統(tǒng)梅子埡組千枚巖，含泥炭質(zhì)片巖夾云母片巖、片巖。此外，局部有長英質(zhì)巖脈及巖株侵入。本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動(dòng)，巖層不同程度發(fā)生變質(zhì)。地層接觸關(guān)系如圖1所示，各地層物性及力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

圖1 杜家山特長隧道地層

表1 杜家山特長隧道各類巖組的物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 隧道各巖性物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

受本區(qū)構(gòu)造影響，隧道區(qū)褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，隧道洞身穿越4個(gè)褶皺構(gòu)造，其中兩個(gè)向斜構(gòu)造、兩個(gè)背斜構(gòu)造。

杜家山隧道穿越斷裂總共10條(854 m)，占隧道群全長的8.07%，其中洞身穿越主要斷裂7條(累計(jì)長度834 m)，洞身穿越3條一般斷層(累計(jì)長度20 m)，對(duì)隧道有較大影響。

隧址區(qū)地表基巖露頭節(jié)理較發(fā)育-發(fā)育，全隧道巖體受2～3組節(jié)理切割、控制，其中正洞洞身發(fā)育兩組近似平行洞軸節(jié)理，為不良節(jié)理，影響范圍2 892 m/2段，占隧道全長的27.33%。麻坪河橫洞發(fā)育一組近似平行洞軸節(jié)理，為不良節(jié)理，貫穿整個(gè)橫洞，對(duì)隧道圍巖影響較大，巖體完整性較差。

2.5 不良地質(zhì)

(1)巖溶

隧道灰?guī)r區(qū)屬弱巖溶化巖層，溶洞密度小、個(gè)體小，隧道區(qū)巖溶的發(fā)育多與構(gòu)造破碎帶關(guān)系密切。巖溶裂隙水主要接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，富水性好，斷層及構(gòu)造發(fā)育區(qū)巖溶突水的可能性很大。

(2)高地應(yīng)力條件下硬質(zhì)巖巖爆和軟質(zhì)巖變形

最大水平主應(yīng)力值為10.31～27.33 MPa，最小水平主應(yīng)力值為8.31～16.83 MPa，隧道最大埋深約773 m，隧道通過硬質(zhì)巖長度約2 936 m，占隧道總長的27.74%，隧道通過軟質(zhì)巖長度約6 756 m，占隧道總長的63.84%，在高地應(yīng)力條件下易發(fā)生硬質(zhì)巖的巖爆和軟質(zhì)巖的大變形問題。

(3)邊坡穩(wěn)定性

工點(diǎn)區(qū)域麻坪河、二郎溝內(nèi)第四系覆蓋層較厚，分布有較多滑坡、錯(cuò)落，多為堆積層滑坡、錯(cuò)落，不良地質(zhì)體物質(zhì)主要為碎石土及粉質(zhì)黏土，規(guī)模較大。隧道進(jìn)口及出口巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，風(fēng)化層厚約10 m，邊坡穩(wěn)定性差。丁家河橫洞進(jìn)口為云母片巖和炭質(zhì)片巖，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體完整性、層間結(jié)合差，風(fēng)化層厚，邊坡穩(wěn)定性差。麻坪河橫洞及丁家河斜井進(jìn)口巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，風(fēng)化層厚約16 m，邊坡穩(wěn)定性差。目前對(duì)隧道洞身無影響，但施工不當(dāng)會(huì)對(duì)洞口和施工便道造成一定影響。

(4)偏幫及掉塊

全隧道巖體受2～3組節(jié)理切割、控制，其中正洞洞身發(fā)育兩組近似平行洞軸節(jié)理，為不良節(jié)理，影響范圍2 892 m/2段，占隧道全長的27.33%。麻坪河橫洞發(fā)育一組近似平行洞軸節(jié)理，為不良節(jié)理，貫穿整個(gè)橫洞，對(duì)隧道圍巖影響較大，巖體完整性較差，易偏幫、掉塊。

(5)有害氣體

隧道洞身在穿越志留系下統(tǒng)含泥炭質(zhì)片巖夾云母片巖，襄渝二線財(cái)神廟隧道通過同組地層時(shí)，有低濃度H2S、瓦斯等有毒有害氣體逸出。施工中應(yīng)提前按規(guī)定采取合理的安全措施，加強(qiáng)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)，消除可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)隧道通過區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征，并結(jié)合含水巖組的不同，地下水分為第四系孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水三大類?；鶐r裂隙水又可細(xì)分為六個(gè)含水巖組，而發(fā)育于巖溶中的巖溶水，水量不穩(wěn)定，隨季節(jié)變化大，對(duì)施工影響大。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查、地表泉水流量大小、巖性和構(gòu)造及水文地質(zhì)計(jì)算，將隧道部位地下富水性分為強(qiáng)富水、中等富水、弱富水三個(gè)區(qū)(其中中等富水分為2個(gè)亞區(qū))。

隧道通過強(qiáng)富水區(qū)3 000 m/2段，占總隧道總長的28.35%；通過中等富水區(qū)5 169 m/3段，占總隧道的48.84%；通過弱富水區(qū)2 413 m/2段，占總隧道的22.8%。

采用降水入滲法計(jì)算和地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果：正常涌水量為40 487 m3/d，最大涌水量為120 096 m3/d。麻坪河橫洞涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果：正常涌水量為11 829 m3/d，最大涌水量為35 487 m3/d。丁家河橫洞涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果：正常涌水量為4 772 m3/d，最大涌水量為14 316 m3/d。丁家河斜井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果：正常涌水量為636 m3/d，最大涌水量為1 907 m3/d。

4 工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度分級(jí)及評(píng)價(jià)

4.1 隧道地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)

根據(jù)對(duì)隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的綜合分析[10]，預(yù)測(cè)隧道施工中可能會(huì)出現(xiàn)巖爆、大變形、突涌水(泥)、圍巖失穩(wěn)、放射性異常、有害氣體及不良節(jié)理等地質(zhì)災(zāi)害：洞身穿越斷層破碎帶10條及影響帶(進(jìn)出斷層20個(gè)部位)，高-極高地應(yīng)力段1段，褶曲帶4段，巖溶發(fā)育段、泥炭質(zhì)片巖夾云母片巖帶1段，物探異常帶10段，可溶巖與非可溶巖接觸帶、隧道進(jìn)出口和洞身河溝淺埋段3處及不良節(jié)理影響帶3段等高風(fēng)險(xiǎn)部位，地質(zhì)復(fù)雜等級(jí)見表3。

表3 杜家山特長隧道地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)

4.2 隧道工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

杜家山特長隧道全長10 582 m，穿越秦嶺南麓低中山區(qū)，地形崎嶇，地勢(shì)險(xiǎn)要，山高溝深，植被茂密，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性軟硬不均，地下水豐富，隧道埋深大，施工中可能存在突然涌水(泥)、坍塌、冒頂、高地應(yīng)力條件下的巖爆及軟巖變形、巖溶及有害氣體逸出等地質(zhì)問題，隧道不確定因素多，工程難度大。

隧道洞身兩端為志留系下統(tǒng)梅子埡組千枚巖、含泥炭質(zhì)石英片巖、云母片巖、云母石英片巖，中部巖性為泥盆系中統(tǒng)公館組和大楓溝組千枚巖、千枚巖夾灰?guī)r、灰?guī)r、灰?guī)r夾千枚巖等。其中梅子埡組云母石英片巖，公館組和大楓溝組灰?guī)r、灰?guī)r夾千枚巖，含鈣質(zhì)、石英質(zhì)較多的千枚巖以及巖株、巖脈狀長英巖屬硬質(zhì)巖，隧道通過硬質(zhì)巖長度約2 936 m，約占隧道總長的27.74%；梅子埡組云母片巖、含泥炭質(zhì)石英片巖、千枚巖、大楓溝組絹云母千枚巖屬軟質(zhì)巖，隧道通過軟質(zhì)巖長度約6 756 m，約占隧道總長的63.84%；洞身通過10條斷層，斷層破碎帶以斷層泥礫、擠壓片巖、擠壓千枚巖、壓碎巖等極軟巖為主，長度約為890 m，占隧道總長的8.41%。

隧址區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造作用，褶皺、斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，隧道穿越的重要斷層有7條，一般斷層有3條(累計(jì)通過斷帶長度為854 m)，大型褶皺4個(gè)。通過主要斷裂有：F12宋家埡斷層(280 m)、F13-2麻坪河斷裂(24 m)、F13-4界嶺村斷層(100 m)、F13-12紙房溝斷層(60 m)、F13杜家山斷層(90 m)、F13-18丁家河斷層(235 m)、F13-19東鎮(zhèn)斷層(45 m)，推測(cè)在DK222+000附近穿越界嶺村斜臥背斜核部，在DK223+280附近穿越紙房溝斜臥向斜核部，在DK224+660附近穿越二郎溝斜臥背斜核部，在DK226+000附近穿越丁家河斜臥向斜核部。

隧道洞身通過兩段強(qiáng)富水帶(總長3.55 km，約占隧道總長33.54%)、2段中等富水帶(總長5.319 km，約占隧道總長50.26%)、2段弱富水帶(總長1.767 km，約占隧道總長16.7%)。

隧道洞身在DK227+260～DK228+150(890 m)段通過含泥炭質(zhì)片巖夾云母片巖帶。

隧道洞身在DK220+340～DK224+470(4 130 m)段埋深350～773 m，存在高-極高地應(yīng)力。

隧道在斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、褶皺帶核部、含泥炭質(zhì)片巖帶工程地質(zhì)條件較差，容易產(chǎn)生突然涌水、坍塌、冒頂、變形量過大等地質(zhì)問題；隧道在軟質(zhì)巖區(qū)及軟硬巖交互段可能出現(xiàn)坍塌、掉塊及局部段落的圍巖變形量過大等地質(zhì)問題；硬質(zhì)巖區(qū)一般巖體較完整，但受多組節(jié)理、裂隙切割，存在掉塊、高地應(yīng)力下的巖爆以及強(qiáng)富水性問題；隧道在含泥炭質(zhì)片巖可能出現(xiàn)低濃度H2S、瓦斯等有毒有害氣體逸出；該隧道還存在巖溶等地質(zhì)問題。綜合評(píng)價(jià)：隧道地質(zhì)條件一般，局部段落較差。

5 結(jié)束語

杜家山特長隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，施工中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以地質(zhì)編錄為基礎(chǔ)，TSP為先導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)異常段落時(shí)增加地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水進(jìn)行確認(rèn)。對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)及確認(rèn)的異常段落進(jìn)行超前鉆探，各種手段相互驗(yàn)證，進(jìn)一步查清工作面前方的地質(zhì)條件，分析施工中可能存在的地質(zhì)問題，并提出工程措施建議，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度。

對(duì)于易發(fā)生塌方和大變形等斷層破碎帶、褶皺核部及淺埋段等地段，應(yīng)加強(qiáng)襯砌支護(hù)及防排水措施，減少對(duì)圍巖的影響，保證圍巖的穩(wěn)定性。

[1] 鐵建設(shè)[2008]105號(hào) 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南[S]

[2] 鐵建設(shè)[2007]200號(hào) 鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定[S]

[3] TB10012—2007 J124—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4] TB10027—2012J1407—2012 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[5] TB10049—2004J339—2004 鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[6] TB10013—2010 鐵路工程物理勘探規(guī)范[S]

[7] TB10014—2012 鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程[S]

[8] TB10038—2012J1408—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]

[9] 張雄鋒.五指山隧道綜合勘察手段的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2013(2)

[10]鐘有信，耿偉，胡斌.象山特長鐵路隧道重大風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制[J].鐵道勘察,2012(4)

AnalysisandevaluationofDuJiaShanTunnelEngineeringGeologicalConditions

LIAO Jun

2014-10-30

廖 俊(1983—)，男，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2014)06-0046-04

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