綜合地質(zhì)勘察方法在受推覆構(gòu)造影響隧道工程中的應(yīng)用及研究

鄭曄

綜合地質(zhì)勘察方法在受推覆構(gòu)造影響隧道工程中的應(yīng)用及研究

鄭曄

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

摘要在收集石林隧道工程勘察、設(shè)計和施工相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析研究了推覆構(gòu)造對該隧道工程的災(zāi)害形成機(jī)制，闡明了以工程地質(zhì)測繪、物探、鉆探、孔內(nèi)測試和取樣試驗(yàn)等手段為主的綜合勘察方法對查明該類型隧道的地質(zhì)條件的重要性，為將來類似隧道工程勘察設(shè)計及建設(shè)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞隧道工程地質(zhì)條件推覆構(gòu)造綜合地質(zhì)勘察方法應(yīng)用

0　引言

推覆構(gòu)造是由側(cè)向應(yīng)力擠壓作用形成的緩傾角斷裂構(gòu)造，一般是由（逆）沖斷層及其上盤推覆體和下盤組合而成。（逆）沖斷層總體傾斜平緩，常呈上陡下的鏟狀或下陡上緩的倒鏟狀，也可呈陡、緩相間的臺階狀。上盤為由遠(yuǎn)距離（數(shù)千米至上百千米）推移而來的外來緩巖塊，稱推覆體。下盤為較少位移的原地巖塊。其在福建省區(qū)域范圍內(nèi)廣泛發(fā)育。當(dāng)公路、鐵路以隧道形式穿過受推覆構(gòu)造影響的區(qū)域時，可能會遇到各種危害：例如坍塌、冒頂、涌水、突水、突泥和襯砌、底板不均勻沉降等，嚴(yán)重影響隧道的施工安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1　工程概況

石林隧道位于福建省永安市大湖鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計為雙洞分離式隧道。隧道單洞設(shè)計凈寬12.52m。左洞樁號為ZK13+840～ZK16+715，長2875m；右洞樁號為YK13+ 865～YK16+730，長2865m；進(jìn)出口均采用削竹式洞門。

隧道場址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深；進(jìn)洞口自然山坡坡度約5～15°，處于坡麓坡積緩坡地帶，自然山坡穩(wěn)定；出洞口自然山坡坡度約30～40°，自然山坡穩(wěn)定；洞身最高點(diǎn)海拔1003.4m，洞身地表地勢較為陡峻，溝塹較發(fā)育，主要為洞身處NW向二條溝谷，寬度較小，但切割較深且較長，呈V型，兩條較大溝谷的地表水均較豐富，進(jìn)、出口地表溝內(nèi)地表水勘察期間不發(fā)育；沿線均為山地，地表植被發(fā)育，出洞口段局部有竹林、桔子林，其余均為林地。

測區(qū)屬亞熱帶東南季風(fēng)氣候，受季風(fēng)影響，溫和潮濕、雨量充沛，四季較分明，春季陰寒細(xì)雨連綿，夏季炎熱多大雨，秋季晴朗多雷陣雨，冬季寒冷有霜凍，山區(qū)多見短期積雪。本區(qū)多年平均降水量為1683.9mm，多年平均氣溫19.1℃；最高氣溫為40.6℃；極端最低氣溫為-9.5℃，年蒸發(fā)量約為1333.0mm，霜期平均約為50～100天/年，3-6月為雨季，7～9月為中雨季，10月至次年2月為旱季，11～12月為最旱季。風(fēng)向春末至初秋多東南風(fēng)，其余時間多為西北風(fēng)［1］。

該隧道分兩個階段進(jìn)行勘察，初步設(shè)計階段采取了以工程地質(zhì)測繪、綜合物探（淺層地震法和大地電磁法兩種手段）為主，結(jié)合鉆探（5個）、孔內(nèi)測試和取樣試驗(yàn)等勘察手段。初勘成果驗(yàn)證了該隧道走廊帶在區(qū)域地質(zhì)上存在的褶皺和推覆構(gòu)造的形態(tài)和位置。施工圖設(shè)計階段在進(jìn)一步核實(shí)初勘成果的基礎(chǔ)上加密工作量，采取了鉆探（鉆孔14個，其中深孔5個）、孔內(nèi)測試、抽水試驗(yàn)和綜合物探為主，結(jié)合補(bǔ)充工程地質(zhì)測繪、取樣試驗(yàn)等手段，進(jìn)行綜合工程地質(zhì)勘察。

2　地質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)域在大地構(gòu)造上處華南褶皺系東部、閩西南坳陷帶北緣。三級構(gòu)造為胡坊-永定隆起中段，大田-龍巖坳陷帶北東部。共有加里東、華力西-印支、燕山、喜馬拉雅四個構(gòu)造旋回。

隧道走廊帶內(nèi)存在有大型區(qū)域推覆構(gòu)造，其位于坑邊復(fù)式向斜西北翼與李坊-魏坊斜歪倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜西南翼之間。推覆體為奧陶系（O）及不整合于其上的上泥盆統(tǒng)（D3）及早石炭統(tǒng)（C1）地層，出露原地巖系為下石炭統(tǒng)林地組（C1l）地層。推覆體斷面即小樺上-涼山北東向掩逆斷層F5（位于隧道里程YK16+244），該斷層在走向、傾向上均具強(qiáng)烈的波狀彎曲，地表總體走向北東，傾角40～50°，向深部傾角可能變緩。斷層上盤奧陶系（O）地層原走向北西向巖層被扭曲成與斷面一致的北東向，并向南東方向逆沖，斷層下盤為上泥盆統(tǒng)（D3）砂巖、砂礫巖，由于上盤的大規(guī)模推移擠壓，原組成坑邊復(fù)式向斜北西翼外側(cè)的這套地層向北西方大規(guī)模倒轉(zhuǎn)。上曹-嶺頭斷裂F4（位于隧道進(jìn)口段）為推覆體次級斷面，將原上泥盆統(tǒng)（D3） 及早石炭統(tǒng)（C1）的地層，呈低緩角度向南東向遠(yuǎn)距離推掩至上石炭統(tǒng)船山組（C3c）和下二疊統(tǒng)棲霞組（P1q）之上。其深部可能與主干斷面F5匯合。

圖1　石林隧道區(qū)域構(gòu)造圖

3　水文地質(zhì)條件

該隧道地下水按照其賦存介質(zhì)，可分為基巖風(fēng)化帶孔孔隙-裂隙水、基巖構(gòu)造裂隙水和碳酸鹽巖溶水三種?；鶐r風(fēng)化帶孔孔隙-裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化層的節(jié)理裂隙中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，富水性較差，流量隨季節(jié)變化大，主要影響隧道進(jìn)出洞口施工和近洞口段圍巖的穩(wěn)定。勘察期間進(jìn)口段地下水高于隧道頂板，出口段地下水低于隧道頂板，但高于隧道底板。

該數(shù)據(jù)傳輸方法適用于各種電子提花機(jī)的主控系統(tǒng)，可以與當(dāng)前采用ARM、FPGA芯片作為處理器的主控制器聯(lián)合使用，不受幀數(shù)的限制.采用該方法對原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，可靈活配置下位機(jī)接口板的個數(shù)，滿足任何針數(shù)的提花工作要求.

基巖構(gòu)造裂隙水主要賦存于導(dǎo)水性、富水性較好的破碎帶及地層不整合接觸帶中，受大氣降水及地表水下滲的補(bǔ)給，沿風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙順山坡方向由高處向低處逕流，由溪溝和地形低洼處排泄，流量隨季節(jié)變化小，泉流量常見值為0.01～0.184L/s?？辈炱陂g洞身段地下水水位均高于隧道頂板。

碳酸鹽巖溶水主要賦存于船山組灰?guī)r中，受大氣降水及地表水通過裸露區(qū)或覆蓋區(qū)下滲補(bǔ)給，水量豐富，埋藏較淺，一般雨季泉流量增大，旱季地下水位下降。隧道進(jìn)口段（約YK13+865～YK14+546）受其影響隧道施工時易發(fā)生涌噴等災(zāi)害。

圖2　石林隧道EH-4物探解譯縱斷面圖示意圖

4　綜合勘察方法的應(yīng)用

4.1工程地質(zhì)調(diào)繪及水文地質(zhì)專項調(diào)查

在對區(qū)域地質(zhì)資料的研判的基礎(chǔ)上，對隧道進(jìn)行1：5000的工程地質(zhì)調(diào)繪，通過對基巖露頭、巖性、巖層產(chǎn)狀及不同段落的地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄方向的統(tǒng)計測量，初步查明隧道區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及水文地質(zhì)特征。對后期的物探、鉆探及孔內(nèi)測試工作起到指導(dǎo)作用。

4.2綜合物探

物探工作采用大地電磁法與淺層地震法相結(jié)合的手段。對覆蓋層厚度、斷裂帶位置及富水帶位置進(jìn)行初步判定。

在初期對代表性巖石，測試了代表性電參數(shù)，為解譯工作提供直接依據(jù)。在此基礎(chǔ)上沿隧道軸線進(jìn)行貫通大地電磁法物探，對進(jìn)出口段落進(jìn)行淺層地震法物探。分別進(jìn)行巖面、巖性、構(gòu)造帶及富水帶解譯（見圖2）。根據(jù)物探初步解譯，一般電阻率值背景呈中低、極低或出現(xiàn)畸變的異常區(qū)域，除巖性特征不同和斷層發(fā)育帶外，應(yīng)充分考慮存在巖溶水或基巖裂隙水發(fā)育帶的可能性，后續(xù)勘察應(yīng)針對異常區(qū)域加強(qiáng)工程地質(zhì)測繪、水文專項調(diào)查及鉆探驗(yàn)證。從而對物探成果進(jìn)行進(jìn)一步的合理解譯。

4.3鉆探、測試及試驗(yàn)

對前期測繪與綜合物探成果進(jìn)行綜合分析，合理布設(shè)鉆孔，孔內(nèi)進(jìn)行聲波測試，選擇部分鉆孔進(jìn)行水文試驗(yàn)，并取代表性巖土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。查明并驗(yàn)證了孔位附近的地層巖性、巖性接觸關(guān)系、巖土體界限、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、斷層破碎帶特征等。通過上述情況，可直觀掌握隧道走廊帶的段地質(zhì)情況。

5　勘察成果與工程問題的驗(yàn)證與分析

5.1綜合勘察成果

通過分階段合理有序的綜合勘察，查明了石林隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。對多種勘察手段成果進(jìn)行綜合分析并得出結(jié)論。

（1）隧道區(qū)巖性復(fù)雜，區(qū)域上沉積巖地層因褶皺斜歪倒轉(zhuǎn)，故出露次序?yàn)槔系貙釉谏?，新地層在下，隧道穿越地層表層為厚層的?殘積層，下伏基巖從進(jìn)口至出口的地層關(guān)系為：石炭系林地組 （C1l）和船山組（C3c）、泥盆系桃子坑組（D3tz）、泥盆系天瓦崠組（D3t）、奧陶系魏坊群（O1wf）地層，由于受沉積環(huán)境的影響，各巖性變化規(guī)律性不強(qiáng)，并相互夾帶。主要巖性有：進(jìn)口段林地組 （C1l）石英砂巖、泥巖夾千枚巖下伏船山組 （C3c）灰?guī)r；洞身段為泥盆系桃子坑組（D3tz）及天瓦崠組（D3t）石英砂巖、石英砂礫巖、砂巖及千枚狀粉砂巖；出口段地層為奧陶系魏坊群（O1wf）變質(zhì)砂巖、千枚狀粉砂巖、泥巖，局部夾硅質(zhì)條帶，地層巖性軟硬夾層或互層。進(jìn)口段林地組產(chǎn)狀主要為：345° ∠45°；洞身段桃子坑組地層產(chǎn)狀為：315°∠35～45°、天瓦崠組地層產(chǎn)狀：320～340°∠45～50°；出口段魏坊群地層產(chǎn)狀：290°∠30°。巖層產(chǎn)狀總體在進(jìn)口段為反坡向或與坡向小角度斜交，出口段方向則為順坡向或與坡向相近的斜交。

（2）隧道區(qū)發(fā)育有5條構(gòu)造帶，1條節(jié)理裂隙密集帶，力學(xué)性質(zhì)主要為逆沖壓性或壓扭性。對該隧道圍巖影響較大的為兩條燕山早期斷裂活動的大型推覆構(gòu)造F4（近進(jìn)口段） 和F5（近出口段），F(xiàn)4的產(chǎn)狀平緩，巖石強(qiáng)烈擠壓破碎，呈土狀及碎塊狀，為林地組與船山組巖性界限；F5產(chǎn)狀為315～330°∠45～60°，斷層走向、傾向具強(qiáng)烈的波狀彎曲，靠近斷面巖石具強(qiáng)烈片理化，千枚巖化。

（3）根據(jù)專項水文地質(zhì)調(diào)查及水文測試，對隧道的涌水量進(jìn)行了預(yù)測。單洞正常涌水量約為4600m3/d，水量較大，主要匯集在隧道進(jìn)出口、巖溶發(fā)育帶、巖性接觸帶、節(jié)理裂隙及斷層破碎帶中，對進(jìn)口段涌水量大的段落必要時應(yīng)設(shè)井點(diǎn)降水。近進(jìn)洞口段（里程約YK13+865～K14+546）巖溶水發(fā)育，單洞正常涌水量達(dá)540m3/d，可能發(fā)生集中涌突水等災(zāi)害。（4）隧道近進(jìn)口段（里程約YK13+865～K14+546）為巖溶弱發(fā)育區(qū)，鉆孔揭示溶洞、土洞大小為直徑0.5～1.5m范圍，對隧道圍巖及路基穩(wěn)定影響較大，建議根據(jù)溶洞大小、填充物及巖溶水發(fā)育情況，采用噴錨加固、回填、注漿、跨越通過及引排截流巖溶水等方法綜合處理，且應(yīng)在施工貫通后，進(jìn)一步查明該段路基地下巖溶分布情況，若發(fā)育巖溶應(yīng)及時處理。

5.2主要工程問題

隧道在里程約YK14+175～YK14+425、ZK14+135～ZK14+382的實(shí)際開挖過程中揭露為受平緩的推覆構(gòu)造的斷層破碎帶F4和巖溶發(fā)育區(qū)影響的特殊地質(zhì)路段?，F(xiàn)場施工中地質(zhì)揭露地層主要為黃、灰黃色軟弱土層，基本無完整基巖出露，土石膠結(jié)性差，構(gòu)造分層界限明顯，開挖后易從分層面滑塌。施工過程中頻繁出現(xiàn)突水、突泥甚至流沙等地質(zhì)災(zāi)害［2］。

初期支護(hù)變形嚴(yán)重，現(xiàn)場出現(xiàn)混凝土初噴層開裂、剝落以及鋼拱架壓屈變形等現(xiàn)象，多處出現(xiàn)變形侵限，最大累計變形量達(dá)120mm。局部路段在仰拱施工后出現(xiàn)底鼓［3］。

5.3推覆構(gòu)造對突水、突泥災(zāi)害的影響

對綜合勘察成果與施工中出現(xiàn)的問題進(jìn)行綜合對比分析，施工中發(fā)生突水、突泥災(zāi)害路段，位處于查明的上曹-嶺頭推覆構(gòu)造帶F4影響區(qū)域范圍內(nèi)，對其影響主要表現(xiàn)在斷裂帶的力學(xué)特征方面。該斷層形成于燕山早期，在后續(xù)南東向推覆力的作用下，將原上泥盆統(tǒng)（D3）及早石炭統(tǒng)（C1）的地層，呈低緩角度遠(yuǎn)距離推掩至上石炭統(tǒng)船山組（C3c）和下二疊統(tǒng)棲霞組（P1q）之上。在距離運(yùn)動作用下，上下盤巖層擠壓錯動強(qiáng)烈，產(chǎn)生塑性變形，巖體破碎，為地表水的下滲，地下水賦存、徑流提供良好的通道。斷層下盤主要發(fā)育有船山組（C3c）灰?guī)r，受其影響利于巖溶發(fā)育及地下水富集。故形成了對隧道穿越區(qū)突水、突泥孕災(zāi)的地質(zhì)環(huán)境（見圖3）。

6　結(jié)論

（1）在對石林隧道已開挖段典型突水、突泥地段的地質(zhì)特征規(guī)律入手，重點(diǎn)對推覆構(gòu)造帶多期地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、地層巖性變化及水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行闡述和分析。強(qiáng)調(diào)了推覆構(gòu)造復(fù)雜性以及其對隧道工程的影響。

（2）對受推覆構(gòu)造影響的類似隧道，區(qū)域上地質(zhì)形成條件較復(fù)雜，地層變化規(guī)律性不強(qiáng)，應(yīng)在對區(qū)域地質(zhì)充分研究的基礎(chǔ)上，采用工程地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、孔內(nèi)測試及試驗(yàn)相結(jié)合的綜合勘察手段，不能局限于單一勘察手段。

圖3　石林隧道進(jìn)口段地質(zhì)縱剖面圖

（3）綜合勘察手段不是多種方法的簡單重復(fù)、堆砌，而是在充分分析各種勘察資料基礎(chǔ)上，相互驗(yàn)證，相互補(bǔ)充得出的成果結(jié)論。形成以地質(zhì)調(diào)繪與水文專項調(diào)查為核心，與電法、地震波法、電磁波法為一體的綜合物探方法互為驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上合理布設(shè)鉆孔，并進(jìn)行孔內(nèi)測試和室內(nèi)試驗(yàn)，形成"體-面-線-點(diǎn)"式的綜合勘察結(jié)果。在和后期施工中掌子面揭露的情況的對比結(jié)果驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性。由此也進(jìn)一步減少了單一勘察手段的盲目性，提高了預(yù)報精度 ［4］。是規(guī)避災(zāi)害風(fēng)險的有效手段。

（4）隧道工程是條帶狀的地下工程，尤其在受推覆構(gòu)造影響的復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域，存在諸多不確定地質(zhì)因素，完全準(zhǔn)確查明隧道工程地質(zhì)條件、劃分圍巖級別及預(yù)測涌水量在實(shí)際上是做不到的。所以，隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報工作。

參考文獻(xiàn)

［1］福建省交通規(guī)劃設(shè)計院.國家高速公路泉州至南寧福建省永安至寧化（閩贛界）高速公路兩階段施工圖設(shè)計A2、A3合同段工程地質(zhì)勘察報告［R］.2009.

［2］國家高速公路泉州至南寧福建省永安至寧化（閩贛界）高速公路兩階段施工圖設(shè)計A2合同段石林隧道工程變更會議紀(jì)要.

［3］鄧濤，黃明，詹金武，張文遠(yuǎn)，鄭斌.石林隧道底鼓的特征與機(jī)理分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2014，22（1）:174-175.

［4］徐穎，左昌群，陳志超，方曉睿.推覆構(gòu)造帶碳酸鹽巖隧道突水機(jī)制及風(fēng)險規(guī)避［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（增1）：2887-2892.