新中梁山隧道沿線斷層構(gòu)造勘察研究

葉興軍，陳志平

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新中梁山隧道沿線斷層構(gòu)造勘察研究

葉興軍，陳志平

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400030）

通過工程實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹了新中梁山隧道勘察采用地質(zhì)測(cè)繪、地面物探以及工程鉆探等手段，查明了隧址區(qū)斷層的平面分布位置及斷破碎帶的深度、厚度、隧道圍巖完整性等，為施工圖設(shè)計(jì)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。施工揭露的地質(zhì)條件與勘察成果高度吻合，表明上述勘察方法與手段行之有效，可供類似工程參考。

隧道；斷層；勘察研究;中梁山

斷層是越嶺隧道建設(shè)中常見的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，它是造成隧道塌方的最主要原因，也是涌突水、瓦斯突出、巖爆等諸多地質(zhì)災(zāi)害的載體。因?yàn)閿鄬釉斐晒こ坛杀驹黾?、工期延誤甚至危及施工人員生命及設(shè)備安全的事例并不鮮見。在提高施工技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步提高對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)和預(yù)判，完善設(shè)計(jì)方案和施工預(yù)案，能有效的避免和減少安全事故的發(fā)生。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)介

成渝高速中梁山隧道建于1990年，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)、地質(zhì)條件最復(fù)雜的高等級(jí)公路隧道。該隧道為雙洞四車道，設(shè)計(jì)通行量為每天2.4萬(wàn)輛，至2014年隧道實(shí)際通行量已達(dá)9萬(wàn)輛左右，成為重慶城區(qū)重大堵點(diǎn)之一。為了緩解交通擁堵，推動(dòng)主城向西發(fā)展，經(jīng)充分論證后擬在既有隧道兩側(cè)各修建一條兩車道隧道。

新成渝高速中梁山隧道左線長(zhǎng)3 233m，右線長(zhǎng)3 165m，最大埋深288.0m左右。隧道穿越山脈是以觀音峽背斜軸部隆起為主體的“背斜脊?fàn)钌健?，沿線地面高程為325～628m，地形地貌受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性制約，呈“一山兩槽三嶺”形態(tài)。

圖1 工作區(qū)構(gòu)造綱要圖

觀音峽背斜走向?yàn)楸北睎|-南南西，為一狹長(zhǎng)不對(duì)稱的梳狀扭轉(zhuǎn)背斜。軸部地層為飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M，兩翼地層為嘉陵江組至新田溝組。背斜軸部位于新建隧道YK4+120附近，地表巖層傾角為10°~25°；兩翼巖層具有東陡西緩之勢(shì)，西翼傾角36°～74°，東翼傾角62°～80°。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及原隧道竣工資料，隧道穿越段背斜軸部有4條壓扭性逆斷層形成，東翼有一條正斷層形成。

圖2 路塹邊坡中巖體破碎、產(chǎn)狀凌亂、表層泥土化嚴(yán)重

2 隧道沿線斷層構(gòu)造痕跡及研究方法

2.1 工程地質(zhì)測(cè)繪揭示的斷層構(gòu)造痕跡

2.1.1 背斜核部斷層

據(jù)調(diào)查，隧址以南800m處長(zhǎng)興組地層在背斜軸部附近出露地表，垂直構(gòu)造線方向地層為飛仙關(guān)一段灰?guī)r-長(zhǎng)興組燧石灰?guī)r-破碎帶（寬20m左右，巖體破碎，產(chǎn)狀紊亂）-飛仙關(guān)一段灰?guī)r。長(zhǎng)興組地層在飛仙關(guān)地層的中部出露，造成地層分布不連續(xù)，可初步確定破碎帶為由斷層破碎帶。

隧道軸線附近，背斜軸部地層主要為飛仙關(guān)一段灰?guī)r，長(zhǎng)興組地層未在地面出露。背斜軸部以東70m左右地面發(fā)現(xiàn)紅褐色、黃灰色、灰色粘土巖出露，出露寬度為12m左右。背斜軸部巖層傾角10°～20°，西翼巖層傾向258°~275°，傾角由近軸部20°漸變?yōu)?0°～60°～74°，巖層傾角變化有序；背斜東翼巖層傾向75°~95°，傾角由近軸部20°迅速變?yōu)?0°～80°，傾角變化不連續(xù)且規(guī)律性差。初步確定粘土巖出露位置為斷層破碎帶，粘土巖可能是長(zhǎng)興組下伏龍?zhí)督M地層。

隧道軸線以北700m左右，背斜軸部附近地層出露正常，為飛仙關(guān)二段-飛仙關(guān)一段-飛仙關(guān)二段。但軸部東側(cè)飛仙關(guān)一段巖層產(chǎn)狀紊亂，巖層傾向90°、30°、10°不等，傾角10°、60°、90°不等，而且飛仙關(guān)二段地面出露厚度由西側(cè)310～350m變?yōu)?0～80m，而區(qū)域地質(zhì)資料記錄該地層真厚度為210～242m。飛仙關(guān)二段地層厚度異?？赡芤驍鄬右穑孛鎺r層產(chǎn)狀紊亂處，可能是斷層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起。

2.1.2 背斜東翼斷層

該斷層位于背斜脊?fàn)钌綎|側(cè)槽谷中，隧道軸線南北1.0km范圍內(nèi)地面建筑密集，人類工程活動(dòng)頻繁，地質(zhì)調(diào)繪條件極差。隧道軸線以南500m左右路塹邊坡中發(fā)現(xiàn)巖體擠壓揉皺現(xiàn)象十分明顯，巖體破碎、扭曲，傾角變化大。受風(fēng)化影響后，部分巖塊土化、泥化嚴(yán)重，形成凌亂的軟巖夾層。（圖2）

2.1.3 地面測(cè)繪成果

勘察現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隧道進(jìn)出洞口兩側(cè)500m、軸線兩側(cè)1.2km范圍進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，綜合分析整理后形成工程地質(zhì)平面圖（圖3）。

圖3 新中梁山隧道工程地質(zhì)平面圖

2.2 地面物探揭示的斷層構(gòu)造痕跡

表1 鉆孔揭露地層情況統(tǒng)計(jì)表

為了對(duì)地面測(cè)繪成果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)查明隧址區(qū)巖溶及地下水發(fā)育情況，沿左線隧道軸部布置了一條天然音頻大地電磁法（AMT法）物探測(cè)線。將AMT法物探電阻率斷面圖、電學(xué)地質(zhì)斷面圖對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)地面物探，ZK3+900-ZK4+640段電阻率整體以中低阻為主，中部鑲嵌高阻。ZK4+260-ZK4+500段表現(xiàn)為高阻，ZK4+180附近有明顯向西傾斜、傾角約60°低阻帶存在，可能為斷層破碎帶所致。ZK4+570附近存在一封閉低阻范圍，正位于隧道洞身之上，可能為巖體局部積水所致。

ZK5+300附近有一向東傾斜低阻帶存在，可能存在斷層，斷面向東傾斜。受斷層破碎帶影響，深部有一向西傾斜低阻帶存在，可能為巖體破碎帶積水引起，隧道洞身附近巖體極為破碎或者含水性極強(qiáng)。

2.3 地質(zhì)鉆探揭示的斷層構(gòu)造痕跡

為了驗(yàn)證地面測(cè)繪和物探成果，同時(shí)查明斷層破碎帶厚度，圍巖完整性和含水情況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了3個(gè)勘察鉆孔。鉆孔揭示地層及斷層構(gòu)造痕跡如下。

圖4 左線電阻率斷面圖

2.3.1 背斜核部斷層

在背斜軸部以西110m以及軸部偏東20m處各實(shí)施一個(gè)鉆孔，鉆孔編號(hào)分別為YSK4和ZSK4。鉆孔揭露地層情況統(tǒng)計(jì)如表1。

根據(jù)鉆探巖心分析：鉆孔YSK4長(zhǎng)興組灰?guī)r中出現(xiàn)龍?zhí)督M頁(yè)巖，地層明顯不正常。龍?zhí)督M頁(yè)巖部分巖心黏土化嚴(yán)重，并有方解石團(tuán)塊充填；燧石灰?guī)r局部夾有角礫巖薄層，而且裂隙發(fā)育，裂面光滑，有明顯的擦痕。經(jīng)分析，在孔深180.5m、197.6m應(yīng)為次級(jí)斷層。

鉆孔ZSK4長(zhǎng)興組地層出現(xiàn)在飛仙關(guān)一段地層中，地層明顯不正常。飛仙關(guān)一段灰?guī)r夾大量方解石脈，而且層面傾角變化大，飛仙關(guān)一段內(nèi)以及與長(zhǎng)興組地層接觸處有斷層角礫巖巖形成。經(jīng)綜合分析，該鉆孔在100.0~101.5m、111.1~118.5m、194.4~201.0m以及285.3~289.0m為次級(jí)小斷層。鉆孔YSK4、YSK4斷層附近巖芯照片如圖5~6所示。

圖5 ZSK3鉆孔揭露斷層情況

圖6 YSK4鉆孔揭露斷層情況

2.3.2 背斜東翼F4斷層

在斷層上盤實(shí)施了一個(gè)勘察鉆孔。根據(jù)鉆孔資料，孔深41~109m巖體十分破碎，巖層傾角紊亂，擠壓揉皺現(xiàn)象十分明顯，部分巖體泥化嚴(yán)重，且有斷層角礫及方解石脈等形成。ZSK7鉆孔巖芯照片如圖7所示。

3 斷層構(gòu)造對(duì)隧道施工影響及防治對(duì)策

根據(jù)地面調(diào)查、物探及鉆探資料，結(jié)合設(shè)計(jì)方案，新建隧道左線ZK3+980-ZK4+200段、右線YK3+940-YK4+160段位于背斜核部斷層影響范圍內(nèi)。該段圍巖破碎，自問能力擦差，拱頂易發(fā)生坍塌。地下水含量含量豐富，易發(fā)生突水事故。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及斷層影響，龍?zhí)督M煤系地層中的瓦斯氣體可能沿裂隙、溶隙等涌出。施工應(yīng)采取有效的預(yù)防措施，實(shí)施超前地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)鉆探，加強(qiáng)地下水和瓦斯監(jiān)測(cè)，采取超前預(yù)注漿堵水和有效的通風(fēng)、降塵措施，避免隧道突水和塵爆、瓦斯等災(zāi)害發(fā)生。

圖7 ZSK7鉆孔揭露斷層情況

F4斷層位于背斜東翼巖溶槽谷中，斷層破碎帶分布于隧道左線ZK5+220-ZK5+300段、右線YK5+180-YK5+270段，斷層破碎帶影響寬度約80m。該段圍巖強(qiáng)度低、完整性差，拱頂易坍塌。地下水含量豐富，易發(fā)生突水事故。應(yīng)采取超前支護(hù)措施，并加強(qiáng)地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆探，避免冒頂或突水事故發(fā)生。

4 結(jié)論

通過地面測(cè)繪與地面物探相結(jié)合的方法基本確定了隧址區(qū)斷層的平面位置，通過鉆孔取芯查明了斷層的分布深度和圍巖的完整情況。再利用鉆孔綜合測(cè)井、瓦斯測(cè)試，進(jìn)一步查明巖體的完整性系數(shù)、地下水位、井溫、放射性以及瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)。通過分析和工程類比，基本查明了斷層的影響情況，為施工圖設(shè)計(jì)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。經(jīng)分析整理后，背斜軸部及兩側(cè)地質(zhì)縱斷面如圖8所示。

圖8 新中梁山隧道背斜軸部地質(zhì)縱斷面圖

目前，該隧道已經(jīng)全線貫通。施工揭露的地質(zhì)情況與勘察成果高度吻合，施工過程中未發(fā)生坍塌冒頂、突水突泥、瓦斯涌出等安全事故；除局部初支加強(qiáng)外，隧道圍巖變更比例低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

[1] 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局．中華人民共和國(guó)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R]．沙坪壩幅、白市驛幅、重慶市幅，比例尺1∶50000，1990．

[2] 葉興軍，等．成渝高速中梁山隧道擴(kuò)容改造工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告[R]，2014．

[3] 張卓元，王世天，等．工程地質(zhì)分析原理[M]．地質(zhì)出版社，2016．

[4] 四川省地質(zhì)局南江水文地質(zhì)大隊(duì)．中華人民共和國(guó)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告[R]，重慶幅，比例尺1∶200000,1977.

[5] 1∶50000區(qū)域水文地質(zhì)工程環(huán)境地質(zhì)地質(zhì)綜合勘察規(guī)范（GB/T14158—93）[S]．

[6]馬曉輝．隧道斷層地面地質(zhì)調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用[Z]，1009-4539（2010）09-0026-05．

Faulted Structure along the New Zhongliangshan Tunnel

YE Xing-jun CHEN Zhi-ping

(Chongqing Municipal Design Institute, Chongqing 400030)

This study finds out distribution of faults, and depth and thickness of fractured zones as well as wallrock integrity along the New Zhongliangshan Tunnel by the use of geological surveying and mapping, geophysical and drilling methods, providing scientific basis for tunnel construction.

tunnel; fault; Zhongliangshan; investigation

[P642.3]

A

1006-0995（2017）03-0459-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.024

2017-01-04

葉興軍（1978-），男，陜西山陽(yáng)縣人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)