弄內(nèi)隧道主要工程地質(zhì)問題分析

魏見海，龐貽鴻，秦秋文

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著廣西公路建設(shè)不斷發(fā)展，公路隧道的建設(shè)水平得到了極大的提高，特別是隨著高速公路路網(wǎng)規(guī)劃的不斷實(shí)施，諸多復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道正在修建或即將修建?？紤]工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的復(fù)雜性及不可預(yù)測性，開展復(fù)雜巖溶隧道建設(shè)，提高隧道工程質(zhì)量，確保其長期運(yùn)營安全的研究意義重大。

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路弄內(nèi)隧道左線起迄里程ZK72+040～ZK73+660，隧道長度1 620 m；右線起迄里程YK72+060～YK73+660，隧道長度1 600 m，均為長隧道。隧址區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，主要表現(xiàn)為溶洞、地表巖溶洼地、地下河等，地下水水量豐富，建設(shè)難度大。該隧道工程地質(zhì)平面圖及縱斷面圖見圖1。

圖1 弄內(nèi)隧道工程地質(zhì)平面圖及縱斷面圖

1 隧道工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)為巖溶峰叢洼地地貌，地形起伏較大，巖溶洼地較發(fā)育，地面高程為281.5～474.8 m，相對(duì)高差約193 m；擬建隧道由北至南先后穿越溝谷及山峰，吾排屯位于隧道右側(cè)，距隧道洞身最近平距約250 m。

根據(jù)工程地質(zhì)測繪、物探及鉆探揭露隧址區(qū)出露地層主要為第四系殘坡積層(Qel+dl)稍密狀角礫、硬塑狀粉質(zhì)黏土、硬塑狀含碎石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口階(P1m)含燧石灰?guī)r；隧址區(qū)位于廣西“山字型”構(gòu)造馬蹄形盾地西北部，主要區(qū)域構(gòu)造形跡為古萬斷層(F4)、斷層(F3)、加陸向斜(G1)及額山背斜(G2)，見圖2；地下水主要為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，水量豐富。

圖2 弄內(nèi)隧道地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2 主要工程地質(zhì)問題

該隧道穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜，主要表現(xiàn)為斷層破碎帶、巖溶、不穩(wěn)定堆積體，這些不良地質(zhì)對(duì)隧道圍巖分級(jí)、設(shè)計(jì)及施工有較大影響。

2.1 斷層

隧址區(qū)位于廣西山字型構(gòu)造前弧東翼內(nèi)側(cè)，區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列各種不同時(shí)期、不同類型、不同性質(zhì)的構(gòu)造形跡，這些構(gòu)造相互干擾疊加，反映多構(gòu)造體系和不同構(gòu)造型式的復(fù)合作用，隧址區(qū)主要斷層構(gòu)造形跡為古萬斷層F4、斷層F1、F2、F3。

(1)古萬斷層F4：發(fā)育于隧址區(qū)東南側(cè)1.0 km處，呈南西-北東向，長約9.8 km，為正斷層，斷層傾向北西，傾角不詳，該斷層對(duì)能容地下河的形成及展布影響較大。

(2)斷層F1：正斷層，南北走向，沿南北向的溝谷發(fā)育。該斷層切向北西，傾向約276°，傾角約55°，切割二疊系下統(tǒng)含燧石灰?guī)r層，根據(jù)物探解譯成果該斷層里程ZK72+150處小角度通過。

(3)斷層F2：逆斷層，東西走向，沿東西向的溝谷發(fā)育，傾向南，傾角約80°。該斷層錯(cuò)斷二疊系下統(tǒng)地層，下盤(北側(cè))巖層產(chǎn)狀125°～170°∠28°～30°，上盤(南側(cè))巖層產(chǎn)狀143°～175°∠19°～22°。根據(jù)物探解譯成果該斷層在里程ZK73+110/YK73+050處大角度通過。

(4)斷層F3：逆斷層，近東西走向，傾向南東，傾角約50°～60°。該斷層錯(cuò)斷二疊系下統(tǒng)地層，下盤(北側(cè))巖層產(chǎn)狀350°∠18°～30°，上盤(南側(cè))巖層產(chǎn)狀170°∠30°。根據(jù)物探解譯成果該斷層在里程ZK72+305/YK72+100處大角度通過。

從隧道工程地質(zhì)平面圖及縱斷面上看，斷層F1與隧道小角度相交，斷層F2、F3與隧道大角度相交，斷層破碎帶直接影響隧道巖體強(qiáng)度，對(duì)巖體的完整性產(chǎn)生較大的影響。此外，斷層破碎帶還存在較明顯的泥化及涌水特征，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)體系的有效性產(chǎn)生直接的影響，在施工過程中，可能出現(xiàn)塌方、涌水、突泥等不良地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，加強(qiáng)支護(hù)。

2.2 巖溶

隧址區(qū)所穿地層巖性為二疊系下統(tǒng)茅口階(P1m)含燧石灰?guī)r，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，該區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，巖溶發(fā)育程度形態(tài)類型，無論水平或垂直方向上因受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及地下水的諸多條件及因素的控制和影響而不甚均一。在隧道斷面及相應(yīng)埋深高程范圍內(nèi)，主要是受隧道相應(yīng)高程和侵蝕基面控制，地下水循環(huán)交替作用及其對(duì)可溶巖的溶蝕作用由強(qiáng)至弱，致使碳酸鹽巖的巖溶發(fā)育程度由高至低，巖溶個(gè)體由多至少、由大至小。據(jù)野外調(diào)查測繪及鉆探資料，隧址區(qū)巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為溶洞、地表巖溶洼地、地下河等。

(1)溶洞

溶洞發(fā)育特征主要以地下淺埋型為主，如SK2、SK3號(hào)鉆孔揭露的串珠狀溶洞，全充填或半充填可-軟塑黏土及少量原巖風(fēng)化碎塊，在局部地段由于巖溶(溶洞)發(fā)育，利于地下水的集中徑流，串聯(lián)而形成地下河巖溶管道，并向地表延伸而形成天窗。溶洞發(fā)育的方向性極強(qiáng)，其發(fā)育與地貌位置有關(guān)。在斜坡地帶、谷地兩側(cè)，溶洞數(shù)量相對(duì)較少，規(guī)模也較小；峰叢洼地中，溶洞分布相對(duì)集中，且規(guī)模較大。據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，結(jié)合工程物探及地面調(diào)查，巖溶主要集中發(fā)育于280～330 m、220～250 m以及200 m以下三個(gè)標(biāo)高段，局部地段巖溶強(qiáng)發(fā)育帶可至標(biāo)高約100 m，并形成地下巖溶通道。隧道穿越充填型溶洞等富水巖溶地段時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)涌水、突泥等不良地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)采取注漿預(yù)加固、堵水等措施，以有效地改善隧道周邊既有巖體的物理力學(xué)指標(biāo)、降低地下水的滲透系數(shù)，確保隧道施工的安全。

(2)巖溶洼地

巖溶洼地主要分布于隧道區(qū)YK72+700-YK73+200段，隧址區(qū)最低埡口(標(biāo)高390 m)，洼地深度一般在40～50 m，圓形及橢圓形的洼地一般呈倒錐型(漏斗形)，直徑通常為50～200 m，底部一般均堆積5～20 m厚度不等的第四系殘坡積層。洼地底部常是消水洞發(fā)育處，是洼地地表水轉(zhuǎn)入地下的通道。故大部分地表水及雨水將沿著巖溶洼地向隧址內(nèi)部滲流。根據(jù)含水巖組的劃分，結(jié)合地形、地貌等地質(zhì)特征，采用大氣降水入滲法、地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行綜合計(jì)算，隧道枯季正常涌水量為935 m3/d，雨季正常涌水量為7 463 m3/d，水量豐富。針對(duì)地下水發(fā)育的巖溶隧道，當(dāng)采取“以排為主、排堵結(jié)合”的原則可能造成地下水大量流失、環(huán)境遭到破壞時(shí)，應(yīng)采取“以堵為主、限量排放”的設(shè)計(jì)原則。

(3)地下河

隧址區(qū)處于能容地下河水文地質(zhì)單元內(nèi)，該地下河展布于峰叢谷地、洼地地貌區(qū)中，沿二疊系下統(tǒng)茅口階含燧石灰?guī)r、灰?guī)r中南北向構(gòu)造裂隙發(fā)育，在溯河村能容屯附近排泄于紅水河。調(diào)查表明，地下河總體水力坡度為11‰。上游的峰叢洼地區(qū)水點(diǎn)出露稀少，僅在弄光村出露有流動(dòng)天窗，能容地下河的枯季流量為1 070 L/s，枯季徑流模數(shù)9.3 L/s.km2，區(qū)域巖溶地下水水量豐富。在隧址區(qū)地段，推測地下河管道的發(fā)育標(biāo)高在200 m左右，低于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高，但不排除隧址區(qū)有強(qiáng)溶蝕帶與該地下河有水力聯(lián)系，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，加強(qiáng)排水措施。

圖3 擬建隧道與地下水水位關(guān)系示意圖

綜上所述，隧址區(qū)巖溶強(qiáng)發(fā)育，巖溶類型復(fù)雜多樣，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定及施工影響較大，其中隧道洞身ZK72+600～ZK72+850、ZK73+230～ZK73+310，YK72+600～YK72+850、YK73+230～YK73+310段，主要表現(xiàn)為縱深溶縫及串珠狀溶洞發(fā)育，局部形成廳堂式溶洞，隧道掘進(jìn)至以上段落時(shí)易產(chǎn)生大坍塌、突泥、突水等地質(zhì)災(zāi)害。特別是在隧道洞身南段并與隧道軸線垂向發(fā)育的F2斷層帶附近，根據(jù)鉆探及物探揭露，上部斷層帶巖體破碎，下部巖溶強(qiáng)發(fā)育，以致形成與斷層走向基本一致的地下巖溶管道，且該段位于洼地內(nèi)最低洼地段，有利于大氣降水的大量匯集和垂直下滲，因此，雨季隧道內(nèi)易出現(xiàn)涌流狀出水，甚至?xí)纬赏凰?、突泥等現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，提前做好應(yīng)急預(yù)案，以防止事故的發(fā)生，確保施工安全。

2.3 潛在不穩(wěn)定堆積體

隧道出口位于傾向南的舌狀斜坡堆積體上，東西兩側(cè)沖溝于隧址區(qū)前方ZK73+800 m處交匯，堆積體巖性為殘坡積粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土組成，最大鉆探揭示厚度59 m，但仍未揭穿。根據(jù)物探解譯推斷，該堆積體厚度在30～85 m之間，且發(fā)育多條橫向土裂縫，綜合分析因地表長期雨水沖蝕，隧道所在舌狀堆積體東西兩側(cè)逐漸形成深陡沖溝并在堆積前方交匯，使堆積體四周形成臨空面，產(chǎn)生卸荷作用，而形成土裂縫。隨著時(shí)間推移，該堆積體自穩(wěn)能力降低，當(dāng)隧道施工開挖或在暴雨條件下，改變?cè)械膽?yīng)力狀態(tài)，造成邊坡失穩(wěn)而形成滑坡。施工時(shí)建議對(duì)該不穩(wěn)定堆積體先放坡卸載，對(duì)仰坡進(jìn)行注漿加固，加強(qiáng)地表坡體的排水設(shè)施。

3 結(jié)語

隧道洞身長距離穿越斷層破碎帶、巖溶強(qiáng)發(fā)育及不穩(wěn)定坡體是隧道勘察設(shè)計(jì)及施工過程中遇到的常見問題。針對(duì)上述工程地質(zhì)問題，在隧道設(shè)計(jì)及施工期間，應(yīng)充分考慮這些工程地質(zhì)問題引發(fā)的涌水、突泥等不良地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及氣象預(yù)報(bào)，提前做好應(yīng)急預(yù)案，是非常有必要的。