西(安)成(都)鐵路客運(yùn)專線棋盤關(guān)隧道地質(zhì)特征分析與評(píng)價(jià)

孫成智

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

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西(安)成(都)鐵路客運(yùn)專線棋盤關(guān)隧道地質(zhì)特征分析與評(píng)價(jià)

孫成智

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

摘要：西成客運(yùn)專線棋盤關(guān)隧道地處地質(zhì)條件復(fù)雜的大巴山地中山區(qū),是西成客運(yùn)專線貫通川陜的重要控制性工程,隧道區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育,通過的灰?guī)r、砂巖、礫巖區(qū)裂隙水發(fā)育,為中-強(qiáng)富水區(qū)域,地質(zhì)條件復(fù)雜。通過對(duì)隧道區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大面積的地質(zhì)調(diào)繪,采用綜合勘察手段,詳細(xì)查明隧道地質(zhì)條件,同時(shí),對(duì)隧道區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件進(jìn)行特征分析及對(duì)隧道設(shè)計(jì)的地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià),提出設(shè)計(jì)施工措施建議。

關(guān)鍵詞：西成客運(yùn)專線；鐵路隧道；工程地質(zhì)；水文地質(zhì)；設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

1概述

西成客運(yùn)專線棋盤關(guān)隧道位于陜川交界處，黃壩驛鄉(xiāng)東南側(cè)，下穿京昆高速公路，隧道洞身地處大巴山低中山區(qū)，經(jīng)白家溝穿越牢固關(guān)，在棋盤關(guān)關(guān)溝出洞，隧道全長(zhǎng)9.22 km，最大埋深約435 m，“V”字形侵蝕溝谷發(fā)育，地勢(shì)陡峭，是西成客運(yùn)專線進(jìn)入四川省境內(nèi)的控制性工程[1]。

隧道洞身主要穿越志留系下統(tǒng)的頁(yè)巖，奧陶系中上統(tǒng)的灰?guī)r夾頁(yè)巖、頁(yè)巖夾灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)砂巖夾礫巖等地層，洞身位于地震烈度七度區(qū)，褶皺、斷裂構(gòu)造[2]、地下水發(fā)育，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。自2009年5月以來，通過對(duì)隧道洞身進(jìn)行大面積地質(zhì)調(diào)繪，并結(jié)合鉆探、V8物探探測(cè)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試等綜合勘察手段，查明了隧道洞身的地質(zhì)特征及力學(xué)性質(zhì)，采用綜合分析方法[3]，為隧道設(shè)計(jì)提供了翔實(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)和充分可靠的地質(zhì)評(píng)價(jià)。

2隧道工程地質(zhì)特征分析

2.1地層巖性

(1)志留系下統(tǒng)(S1)

(2)奧陶系中上統(tǒng)(O2+3)

灰?guī)r夾頁(yè)巖(O2+3Ls+Sh)：條帶狀分布于隧道洞身靠近進(jìn)出口部分?；?guī)r，紫紅色、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)含量較高，層理較發(fā)育，層間結(jié)合力一般，節(jié)理較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育-發(fā)育；頁(yè)巖，黃綠色，淺灰色，頁(yè)理發(fā)育，層間結(jié)合力較差，層狀構(gòu)造，巖體局部揉皺發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育。以上兩種巖性為軟硬巖相間，以灰?guī)r為主，局部夾有白云巖。層理產(chǎn)狀：進(jìn)口端，N60°～80°W/20°～34°N；出口端，N50°～84°W/3°～32°S。

(3)奧陶系下統(tǒng)(O1)

(4)構(gòu)造巖

碎裂巖(Cru)：分布于斷層帶內(nèi)，原巖為奧陶系下統(tǒng)砂、礫巖，鱗片狀、碎屑狀，散體結(jié)構(gòu)[4]。

2.2地質(zhì)構(gòu)造(圖1)

(1)褶皺構(gòu)造

區(qū)內(nèi)發(fā)育有鋼廠～黃壩驛傾伏背斜，隧道在其西北端翼部通過，隨背斜的傾伏，本段巖層在黃壩驛以西產(chǎn)狀多變，且奧陶系中上統(tǒng)地層逐漸封閉，在地層封閉地帶常伴有次一級(jí)褶皺，且由東到西，褶皺由開闊變?yōu)楠M長(zhǎng)。該背斜軸部成北東東～南西西向，向西傾伏，傾伏角7°～10°(由東向西變大)，由震旦，寒武，奧陶，志留，二疊系等地層組成，背斜南翼為小李家壩～龍頭山向斜的部分北翼(即從李家壩～石馬山～帶)的產(chǎn)狀一致，傾角略大，為40°～10°，北翼產(chǎn)狀傾向北～北西355°，傾角40°～20°。

(2)斷裂構(gòu)造

隧道洞身在DK337+030～DK337+080附近通過西溝正斷層，斷帶物質(zhì)以碎裂巖為主，該斷裂構(gòu)造出露于牢固關(guān)附近，切割震旦、寒武、奧陶、志留系地層，并切割北北東斷層，在曹家壩附近，破碎帶寬達(dá)70 m，帶內(nèi)物質(zhì)以碎裂巖、斷層角礫為主，斷層泥少見，斷層面傾向東，傾角近直立，經(jīng)物探驗(yàn)證在牢固關(guān)-四坪里一線斷層帶寬度達(dá)40～70 m。

(3)節(jié)理

圖1　棋盤關(guān)隧道地質(zhì)縱斷面

由于隧道所在區(qū)域內(nèi)褶皺、構(gòu)造較為發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)巖體巖層產(chǎn)狀多變，巖體普遍發(fā)育3～4組密集節(jié)理，節(jié)理裂隙發(fā)育，且在褶皺的核部位置，有節(jié)理密集帶分布。

2.3不良地質(zhì)

隧道區(qū)內(nèi)灰?guī)r地段，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，局部發(fā)育有溶隙、溶孔，巖溶發(fā)育程度輕微，但因巖溶分布的不規(guī)則性，巖溶水沿地層層理及節(jié)理裂隙滲流[5]，巖溶對(duì)隧道工程施工影響較大。

2.4特殊巖土

隧道進(jìn)出口表層覆蓋粉質(zhì)黏土及洞身穿越頁(yè)巖，均具有膨脹性，膨脹土具弱-中等膨脹性；頁(yè)巖具弱膨脹性。

3隧道水文地質(zhì)特征分析

隧道隧址區(qū)地下水的形成、分布受地形地貌、巖性、構(gòu)造、植被、降水量等多種因素控制和影響，特別是在構(gòu)造、巖溶作用下，巖溶發(fā)育帶、斷層碎裂帶、巖性接觸帶、節(jié)理密集帶等，為地下水貯存和運(yùn)移創(chuàng)造了良好的地質(zhì)條件。隧道區(qū)內(nèi)地下水賦存類型主要有碳酸鹽巖巖溶裂隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水。

3.1地表水

隧道區(qū)內(nèi)地表水主要為溝內(nèi)常年流水，水量豐富，且雨季水量增加顯著。隧道頂部及附近較大的溝谷有張家溝、大河壩、粗石溝、大干溝、何家墳溝等，據(jù)調(diào)查，其流量為678～20 029 m3/d(表1)。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，地表水水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na+K·Ca，礦化度小于0.5 g/L，pH值>7，呈弱堿性，水質(zhì)良好。

表1　河谷流量量測(cè)及徑流模數(shù)計(jì)算

3.2地下水類型及補(bǔ)、徑、排特征

隧道區(qū)地下水主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水，賦存于灰?guī)r、砂巖、礫巖中。受各地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地形等條件差異的影響，地下水的富水性很不均衡，在巖溶發(fā)育的石灰?guī)r及裂隙、層理發(fā)育的砂礫巖地區(qū)，入滲儲(chǔ)存條件較好，地下水較豐富；而頁(yè)巖分布區(qū)，由于巖體裂隙不發(fā)育或被擠密充填，貯水空間非常有限，透水和儲(chǔ)存條件較差，地下水貧乏。據(jù)地表測(cè)流計(jì)算，地下水徑流模數(shù)變化在89.41～583.6 m3∕d·km2。

區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源主要是大氣降水，次為地表水。地下水的徑流狀態(tài)主要受地形地勢(shì)的控制，一般由分水嶺向河谷方向運(yùn)移，即沿山坡向就近溝谷排泄，基本上與地表水流方向一致，徑流排泄是該區(qū)地下水的主要排泄方式。由于地勢(shì)起伏較大，水力坡度大，地下水的徑流較短，水交替循環(huán)迅速，溶濾作用強(qiáng)烈而礦化作用微弱。

3.3深孔勘探試驗(yàn)

在隧道洞身地段共對(duì)3個(gè)深鉆孔進(jìn)行了抽、提水試驗(yàn)，計(jì)算主要參數(shù)見表2。

表2　鉆孔抽提水試驗(yàn)參數(shù)及滲透系數(shù)計(jì)算

3.4富水性分析

根據(jù)大面積的水文地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)測(cè)試和地下水水徑流模數(shù)計(jì)算，結(jié)合地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征，將隧址區(qū)地下水富水性分為3個(gè)區(qū)。

(1)裂隙孔隙弱富水區(qū)

主要分布在隧道進(jìn)口一帶頁(yè)巖地層及砂礫巖地段，單位最大涌水量904.2～4 579.6 m3/d·km，受本區(qū)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體較破碎，不同巖性接觸帶及層間是地下水主要富集區(qū)，隧道開挖過程中可能產(chǎn)生一定量涌水。

(2)碳酸鹽巖巖溶裂隙中等富水區(qū)

主要分布在DK341+100～DK341+955段灰?guī)r發(fā)育地段，巖溶弱發(fā)育。賦存巖溶裂隙水，其發(fā)育程度受構(gòu)造控制明顯，灰?guī)r與其他巖性接觸帶可形成阻水型的富水構(gòu)造，裂隙、巖溶發(fā)育地段，地下水富集。單位最大涌水量4 781.5 m3/d·km。

(3)碳酸鹽巖巖溶裂隙強(qiáng)富水區(qū)

主要分布在DK332+850～DK334+000段灰?guī)r發(fā)育地段，巖溶弱發(fā)育。賦存巖溶裂隙水，其發(fā)育程度受構(gòu)造控制明顯，灰?guī)r與其他巖性接觸帶可形成阻水型的富水構(gòu)造，裂隙、巖溶發(fā)育地段，地下水富集。單位最大涌水量16 714.4 m3/d·km。

3.5隧道涌水量預(yù)測(cè)

該隧道涌水量預(yù)測(cè)主要采用地下水動(dòng)力學(xué)法、地下徑流模數(shù)及降水入滲法進(jìn)行預(yù)測(cè)，經(jīng)綜合分析，采用表3預(yù)測(cè)結(jié)果。采用降水入滲法對(duì)不同巖性地層單位長(zhǎng)度涌水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

4隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

4.1隧道洞身巖體力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)

通過對(duì)隧道地表裸露巖體及洞身深鉆孔巖石取樣

表3　隧道分段涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

注：qo為隧道單位長(zhǎng)度可能最大涌水量；qs為隧道單位長(zhǎng)度正常涌水量；Qo為隧道可能最大涌水量；Qs為隧道正常涌水量

表4　降水入滲法預(yù)測(cè)不同巖性單位長(zhǎng)度涌水量結(jié)果

進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合巖體受構(gòu)造影響程度、節(jié)理發(fā)育程度等因素，并結(jié)合隧道開挖后因滲流路徑的增加、水力坡度的改變將影響圍巖的含水狀態(tài)，并直接導(dǎo)致圍巖力學(xué)性質(zhì)弱化，穩(wěn)定性大大降低[6]。綜合考慮，隧道洞身各巖性主要物理力學(xué)參數(shù)如表5所示。

表5　隧道洞身各巖性主要物理力學(xué)參數(shù)

4.2隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

(1)突、涌水(泥)

根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)調(diào)查中對(duì)地表水及地下水的情況調(diào)查，地表溝內(nèi)水量較大，為充足的地下水補(bǔ)給來源，地下局部地段地下水發(fā)育，主要富存于褶皺破碎帶、斷層帶、巖性接觸帶、長(zhǎng)大密集節(jié)理帶、灰?guī)r段落巖溶發(fā)育地段及部分隧道淺埋地段中，這些部位巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水、巖溶水較發(fā)育，產(chǎn)生突、涌水(泥)的可能性較大，尤其斷層帶物質(zhì)擠壓破碎嚴(yán)重，施工中極易會(huì)出現(xiàn)突水現(xiàn)象[7]。根據(jù)V8顯示，本隧道洞身在DK334+800～DK338+140范圍內(nèi)為低阻帶，為富水地段，隧道施工中發(fā)生突涌水的可能性較大。

(2)圍巖失穩(wěn)

褶皺破碎帶、斷層帶、巖性接觸帶、長(zhǎng)大密集節(jié)理、灰?guī)r段落、巖溶發(fā)育地段及部分隧道淺埋地段，圍巖巖體較破碎且富水，施工中可能會(huì)出坍塌、變形等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

(3)高地應(yīng)力

隧道埋深大于300 m處于高應(yīng)力狀態(tài)，本隧道埋深較大，最大埋深近440 m，構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜，各向異性變化較大，隧道地應(yīng)力值不可能完全符合地應(yīng)力梯度公式，且同一巖性在不同區(qū)域抗壓強(qiáng)度值也有較大差異。在隧道中，硬質(zhì)巖層中可能發(fā)生巖爆，軟質(zhì)巖層中可能發(fā)生大變形[8]。

本隧道在DK336+400～DK338+115段埋深絕大部分在300～500 m，處于高應(yīng)力狀態(tài)。此處軟巖在高地應(yīng)力作用下，軟巖大變形具有“變形快、變形量大且破壞嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)”的基本特征[9]，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取合理措施，保證施工安全。

5設(shè)計(jì)及施工注意事項(xiàng)

(1)隧道進(jìn)、出口頁(yè)巖有順層及坡面覆蓋層問題，且?guī)r體風(fēng)化破碎，另外隧道地處秦巴山區(qū)，為生態(tài)保護(hù)區(qū)，隧道棄渣設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)做好坡面防護(hù)或加固措施，在進(jìn)口坡面做好擋護(hù)及排水措施。

(2)在隧道通過褶皺核部、斷層破碎帶、巖性接觸帶、長(zhǎng)大密集節(jié)理、灰?guī)r段落巖溶發(fā)育地段及部分隧道淺埋地段、富水地段，易發(fā)生突涌水、坍塌變形，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)做好超前支護(hù)措施且及時(shí)襯砌，對(duì)隧道的防排水，要做到“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜”[10]。

(3)隧道洞身局部穿越頁(yè)巖，具弱膨脹性，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)做好頁(yè)巖地段的防排水措施并做好施工用水管理，防止頁(yè)巖由于受水浸泡強(qiáng)度降低而發(fā)生坍塌、變形。膨脹土具弱-中等膨脹性，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)做好膨脹土地段的防排水措施并做好施工用水管理，防止膨脹土由于受水浸泡強(qiáng)度降低而發(fā)生坍塌、變形。

(4)隧道在埋深大于300 m地段存在高地應(yīng)力問題，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)注意，采取必要的主動(dòng)卸能措施，確保隧道施工安全。且本隧道在DK338+450附近與高速公路隧道相交，洞頂離高速公路隧道底部約58 m，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)采取切實(shí)有效的措施，確保西漢高速公路隧道的安全及高速公路上車輛行人的安全。

(5)由于巖溶具有隱蔽性和復(fù)雜性，現(xiàn)有勘探難以從地面完全查清隧道巖溶發(fā)育的具體里程段落、分布高程和溶洞規(guī)模，施工階段在本隧道的灰?guī)r夾頁(yè)巖地段應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，本著“地表和洞內(nèi)相結(jié)合、構(gòu)造探測(cè)和水探測(cè)相結(jié)合、長(zhǎng)中短期分階段預(yù)報(bào)相結(jié)合”的“三結(jié)合”原則，做到有疑必探、先探后掘”[11]，必要時(shí)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。待隧道開挖后，對(duì)灰?guī)r地段的隧道基底用物探、鉆探的方法進(jìn)一步查清基底以下的巖溶發(fā)育情況，對(duì)基底以下存在溶洞的，應(yīng)做好回填處理措施，確保以后運(yùn)營(yíng)安全。

6結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)西成客運(yùn)專線棋盤關(guān)隧道進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，采取淺孔、深孔勘探，輔以大地音頻電磁法、瞬變電磁法、孔內(nèi)CT等多種先進(jìn)勘探方法[12]，并進(jìn)行綜合測(cè)試試驗(yàn)，取得了翔實(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過對(duì)大量的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)、評(píng)價(jià)出影響隧道設(shè)計(jì)、施工的地質(zhì)問題，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工措施。

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Analysis and Evaluation of Geological Characteristics of Qipanguan Tunnel on Xi’an-Chengdu Passenger Dedicated LineSUN Cheng-zhi

(China Railway First and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Qipanguan tunnel on Xi’an-Chengdu passenger dedicated line is located in Daba mountain area with complex geological conditions, and an important controlling project to connect Sichuan and Shaanxi. This area is characteristic of developed folds and faults with abundant with fissure water in limestone sandstone and Conglomerate zone, and classified as a medium to strong water-rich area. The extensive geological survey and comprehensive investigation of tunnel geological conditions lead to recommendations on the design and construction of the tunnel with the help of the analysis and evaluation of the tunnel geological conditions.

Key words：Xi～Chen passenger dedicated railway line: Railway tunnel; Engineering geology; Hydrogeology; Design evaluation

中圖分類號(hào)：U238； U452.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.030

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0133-05

作者簡(jiǎn)介：孫成智(1979—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于成都理工大學(xué)勘察技術(shù)與工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：99192051@qq.com。

收稿日期：2014-12-26； 修回日期：2015-01-05