大坪山隧道工程地質、工程設計及施工措施分析*

徐迪明，傅鶴林，王 鋒，李一萍，李映群

（1.中鐵五局集團第一工程處有限公司，湖南 長沙 410031；2.中南大學，湖南 長沙 410075）

大坪山隧道屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，大渡河、牛日河深切，到處是懸崖峭壁，地面高程為710～1500m，自然坡度為5～35°不等，局部較陡，地表植被不發(fā)育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。隧道地質情況復雜，山體坡度陡，巖層陡傾，進口段為低瓦斯隧道工區(qū)，隧道洞身局部段落巖溶發(fā)育、節(jié)理裂隙發(fā)育，施工過程中易發(fā)生涌水、突泥、坍塌掉塊現(xiàn)象。該隧道發(fā)育紅花溪向斜及5條斷裂構造，地質縱斷面如圖1所示。文章在分析大坪山隧道工程地質的基礎上，對工程設計及施工措施進行了分析，力求為安全施工提供技術支持。

圖1 大坪山隧道縱斷面圖

1 工程概況

1.1 工程簡述

大坪山隧道地處峨邊縣毛坪鎮(zhèn)范店子—甘洛區(qū)間，隧道進口里程為DK217+560，出口里程為DK228+904，全長11344m，最大埋深約760m，單洞雙線。隧道進口緊接白沙河大橋，出口緊接新林官料河大橋，線路縱坡為12‰、6.4‰、-3‰的人字坡，洞身主要通過頁巖夾砂巖（煤）、玄武巖、泥巖夾灰?guī)r、白云巖、變質砂巖、千枚巖、板巖等10套地層、5條斷層、1處向斜等構造。

隧道地表多處分布居民村莊，植被不發(fā)育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚，進出口有公路、碎石路相通，交通條件較好。隧道出口段318m為防災救援官料河救援站范圍（料河救援站總長868m）內(nèi)。

全隧共設1座平導及2座橫洞，全長依次為5345.404m、930m、510m，除平導PDK217+750～PDK222+950（5200m）段采用單車道無軌運輸以外，其余輔助坑道均采用雙車道無軌運輸方式。

1.2 地質、地貌及水文特征

（1）紅花溪向斜。該向斜寬緩，是儲水構造，核部地層產(chǎn)狀平緩，巖性主要為砂巖，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，利于儲水。施工時，可能遇到線狀或股狀裂隙水。

（2）趙家坪斷層。該斷層為一走向逆斷層，與線路相交于DK217+815處，斷層破碎主要是由玄武巖組成的斷層角礫巖，寬15～30m。

（3）余家山斷層。該斷層為一北東傾斜走向逆斷層，與線路相交于DK222+750處，主要是由灰?guī)r及玄武巖組成的斷層角礫巖，斷距不詳，破碎帶寬15～30m。

（4）柴背子斷層。該斷層為一北西傾斜走向逆斷層，與線路相交于DK223+000處，主要是由灰?guī)r及粉砂巖組成的斷層角礫巖，寬20～40m，巖體完整性較差。

（5）楊村斷層及其支斷裂。該斷層為一北西傾斜走向斷層，與線路相交于DK223+800及DK225+100處，位于板巖、硅質板巖地層中，斷層破碎帶主要是由板巖組成的斷層角礫巖，寬20～50m，巖體完整性較差。

（6）地層巖性。測區(qū)地表上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4）粉質黏土，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)跨洪洞組及中統(tǒng)雷口坡組（T3K+T21）泥巖夾灰?guī)r、白云巖，三疊系下統(tǒng)嘉陵江（T1j）灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)仙關銅街子組（T1f+t）砂巖、泥巖，二疊系上統(tǒng)樂平組（P11）頁巖夾煤，二疊系上統(tǒng)（P2B）峨眉山玄武巖，二疊系下統(tǒng)（P1q+m）灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)紅石崖（Q1h）砂巖夾頁巖、泥巖、泥巖夾灰?guī)r，寒武系中上統(tǒng)二道水組（E2-3e）白云質灰?guī)r，震旦系上統(tǒng)列古六組（Zb1）泥巖夾砂巖，前震旦系峨眉邊三群（Pteb3）變質砂巖、板巖、千枚巖。地層巖性分述如下：

<8-1>粉質黏土（Q4dl+el）：灰色、褐黃色，硬塑，質不純，含5%～15%砂、頁巖質碎石及角礫，Φ5～50mm，分布于斜坡表層，厚0～4m。屬Ⅱ級普通土，D組填料。

<15-1>泥巖夾灰?guī)r、白云巖（T3K+T2l）：跨洪洞組巖性主為深灰、灰黑色泥巖夾泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r。含豐富的海相珊瑚類及菊石化石。雷口坡組巖性主為灰、黃灰色薄—中厚層狀白云巖、泥質白云巖，夾灰?guī)r，偶夾石膏層，底部為雜色泥頁巖、泥質白云巖，灰?guī)r富集于中部，含海相雙殼類及菊石等化石。弱風化帶（W2）屬Ⅳ級軟石，因為可能含有石膏，不適合做填料，為E組填料。

<15-2>灰?guī)r、白云巖互層（T1j）：巖性主為灰色中—厚層狀灰?guī)r、白云質灰?guī)r，夾微晶白云巖及鹽溶角礫巖，含海相雙殼類、有孔蟲化石，頭足類少見?；?guī)r的弱風化帶（W2）屬Ⅴ級次堅石，A組填料；白云質灰?guī)r及白云巖弱風化帶為B組填料；鹽溶角礫巖不適合做填料，為E組填料。

<15-3>砂巖、泥巖（T1f+t）：泥巖為紫紅色、暗紫紅色，中厚層狀—厚層狀，砂巖為紫紅色、黃灰色，粉細粒，泥質膠結為主，部分為鈣質膠結，中厚層狀為主。強風化（W3）厚2～8m，屬Ⅳ級軟石，C組填料；弱風化層（W2）屬Ⅳ級軟石，B組填料。

<16-2>泥、頁巖夾砂巖、煤（P2l）：泥、頁巖為紫紅色、灰色，泥質結構，泥質膠結，巖質較軟，裂隙較發(fā)育，局部夾煤線。強風化帶（W3）厚3～5m，屬Ⅳ級軟石，C組填料；弱風化帶（W2）屬Ⅳ級軟石，C組填料。

<16-3>玄武巖（P2β）：灰、綠等色致密、斑狀、杏仁狀鈣堿性玄武巖。弱風化帶（W2）屬Ⅴ級次堅石，A組填料。

<16-4>灰?guī)r（P1q+m）：中厚層狀純灰?guī)r。上部含燧石，中下部變?yōu)榘自茙r，底部為砂質頁巖及鐵礦層。弱風化帶（W2）屬Ⅴ級次堅石，A組填料。

<19-5>砂巖夾頁巖、泥巖及泥質灰?guī)r（O1h）：灰白色、灰黃色，泥質結構，中厚層狀構造，巖質較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育。弱風化的砂巖、泥質灰?guī)r（W2）屬Ⅳ級軟石，B組填料；弱風化頁巖、泥巖屬Ⅳ級軟石，C組填料。

<20-3>白云質灰?guī)r（∈2-3e）：白色、灰白色，中厚層至塊狀，夾少量石英砂巖、泥質巖及灰?guī)r，含少量腕足類、牙形石等化石。巖質堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育一般。弱風化帶（W2）屬Ⅴ級次堅石，B組填料。

<21-3>泥巖夾砂巖（Zbl）：紫紅色，灰色，泥質結構，泥質膠結，巖質較軟，弱風化帶（W2）屬Ⅳ級軟石，C組填料。

<24-1>變質砂巖、千枚巖、板巖（Pteb3）：變質砂巖為灰黃色、深灰色，中至厚層狀，砂質結構，鈣質膠結。千枚巖、板巖為深灰色—灰黑色，夾片巖。強風化帶（W3）厚2～8m，屬Ⅳ級軟石，C組填料；變質砂巖弱風化帶（W2）屬Ⅳ級軟石，B組填料。

1.3 地震動參數(shù)

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001）及四川賽思科技有限責任公司《改建鐵路成昆線峨眉至米易段擴能工程區(qū)域性地震區(qū)劃報告》（許可證號中震安證甲字第024號），測區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s。

1.4 水文特征

（1）地表水。測區(qū)內(nèi)地表水主要為地表溝水、水塘水及少量水田水，水量隨季節(jié)性變化較大，溝水旱季流量較小，雨季流量較大，受大氣降水補結，以蒸發(fā)及地下徑流等形式排泄。

（2）地下水。地下水主要為基巖裂隙水及巖溶水，基巖裂隙水主要賦存于泥巖夾砂巖及玄武巖的裂隙中，水量較小，埋深較大。

1.5 不良地質及特殊巖土

不良地質為巖溶、煤層瓦斯及危巖落石，無特殊巖土。

（1）巖溶。DK223+000～DK223+300及DK223+300～DK223+900段洞身穿越二疊系下統(tǒng)棲霞-茅口組（P1q+m）灰?guī)r，寒武系中上統(tǒng)二道水組（∈2-3e）白云質灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，應進行超前地質預報，預防突水突泥等地質災害的發(fā)生。

（2）煤層瓦斯。DK217+535～DK217+850、DK219+100～DK219+450及DK221+300～DK221+850段洞身穿越二疊系上統(tǒng)樂平組含煤地層，施工中應加強通風、瓦斯監(jiān)測，進行超前地質預報。

（3）危巖落石。DK217+515～DK217+545段地形陡峻地帶，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖性為頁巖夾煤，對隧道進口有一定影響。

2 沿線氣象條件

根據(jù)氣象資料顯示，該地區(qū)年平均氣溫為16.7℃，極端最高氣溫為37.6℃，極端最低氣溫為-3.4℃，最大月平均氣溫為25.3℃，最小月平均氣溫為6.9℃；年平均降雨量為803.9mm，年最大降雨量為1093.3mm，月最大降雨量為408.8mm，日最大降雨量為172.2mm；年平均濕度為77.0%，年最小濕度為14.0%；年平均蒸發(fā)量為1255.1mm，年平均風速為1.6m/s，最大風速為13.3m/s。

3 隧道設計和施工措施

3.1 限界及軌道設計

該隧道設計速度為160km/h，客貨共線，雙線電力牽引，隧道建筑限界執(zhí)行《標準軌距鐵路建筑限界》（GB 146.2—83）采用“隧限-2B”。雙線隧道軌面以上凈空面積按不小于76.6m設計，曲線地段另考慮線間距加寬，并滿足相關站后設備作業(yè)及安裝要求。

3.2 洞口段設計

（1）該隧道進、出口均采用雙耳墻明洞門。該隧道進、出口地形高陡，橋隧相連，且進口端洞頂坡面危巖落石發(fā)育。設計盡量接長明洞，其中進口段明洞18m，出口段明洞10m。

（2）隧道出口基礎位于穩(wěn)定性較差的坡殘積層中，為保證結構基礎穩(wěn)定，明洞外邊墻基礎采用C25混凝土換填。

（3）出口永久仰坡面采用錨桿框架梁防護，防護范圍縱向長度為15m，橫向隧道中線左右兩側各20m；進口永久邊坡采用人字型C25混凝土截水骨架防護。

（4）進口段仰坡面存在危巖落石，為確保施工及運營安全，施工前應將坡面危巖落石清除，然后采取嵌補、支頂?shù)却胧┓雷o，并于坡面危石來源側設一道被動柔性防護網(wǎng)，防護網(wǎng)高6m，長約60m。

（5）進口鄰近白沙河雙線中橋，出口緊鄰新林官料河雙線大橋，施工干擾大，安全風險高，施工中應合理安排施工工序，并結合現(xiàn)場實際合理組織施工，確保施工安全。

（6）考慮國防設防及地震設防要求，洞門結構和洞口段襯砌予以加強，洞門端墻及進出口段襯砌均采用C35鋼筋混凝土。

3.3 洞身襯砌設計

（1）該隧道明挖段采用拱形明洞襯砌，暗挖段采用復合式襯砌。洞口、斷層帶采用抗震設防襯砌，向斜核部、可溶巖與非可溶巖接觸帶、橫洞與正洞交叉段、下錨襯砌、隔離開關襯砌、風機襯砌、救援站襯砌等地段支護及襯砌結構加強。

（2）根據(jù)接觸網(wǎng)專業(yè)要求，該隧道共設非絕緣錨段關節(jié)8處，分向關節(jié)1處，接觸網(wǎng)預留關節(jié)及錨洞類型、位置。

（3）該隧道出口DK228+586～DK228+904段318m位于官料河救援站范圍，為救援站小里程端部分。考慮救援站的防災通風及排煙，于救援站外小里程端DK228+562～DK228+586段設置風機安裝段襯砌，預留通風的土建條件。

（4）抗震設防段襯砌每30m設一道變形縫，并在抗震設防襯砌與普通襯砌分界處、明暗分界處、不同形式明洞分界處、抗震設防范圍內(nèi)不同地質條件變化處均應設置變形縫。變形縫全環(huán)通設，縫寬2cm，全隧共設變形縫39道。

3.4 支護及施工方法

（1）隧 道DK217+560～+578及DK228+894～+904段采用明挖法施工，其余地段根據(jù)新奧法原理組織施工，光面爆破，錨噴網(wǎng)初期支護。

（2）明洞段施工應避開雨季，自上而下分級開挖，隨挖隨護，嚴禁長拉槽開挖，施工期間應加強坡面穩(wěn)定性監(jiān)控量測，加強排水，確保施工安全。

（3）為保證噴射混凝土施工質量，改善作業(yè)環(huán)境，噴混凝土采用濕噴工藝。

（4）當拱墻、仰拱為素混凝土，仰拱施作時仰拱與邊墻縱向施工縫處設$16接茬鋼筋，單根長60cm，施工縫上下埋置長度各為30cm，縱向間距20cm。

（5）隧道拱墻襯砌應一次灌筑，帶仰拱襯砌應先施工仰拱。仰拱應整體灌筑，嚴禁分幅施工，且仰拱與填充須分次施作，以確保仰拱施工質量。

（6）Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段采用上臺階開挖，Ⅴ級圍巖每循環(huán)開挖支護進尺不應大于1榀鋼架間距，Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距；邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于2榀，仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，每循環(huán)開挖進尺不得大于3m。

（7）隧道開挖應按設計要求設置錨桿墊板、拱架槽鋼及鎖腳錨桿，邊墻開挖過程中拱部鋼架不得懸空，開挖后初期支護應及時施作并封閉成環(huán)，Ⅳ、Ⅴ級圍巖封閉位置距掌子面不得大于35m。拱墻二次襯砌采用一次立模灌筑，二襯距離掌子面的距離，Ⅳ級圍巖不得大于90m，Ⅴ級圍巖不得大于70m。其余要求按《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規(guī)定的通知》（鐵建設〔2010〕120號）中的相關規(guī)定辦理。

（8）該隧道DK220+900～DK221+300Ⅲ級圍巖段巖層傾角平緩，拱部易掉塊形成坍方，施工中應加強初期支護變形的監(jiān)控量測，根據(jù)實際情況，該段隧道初期支護設置拱部格柵鋼架加強支護，并及時施作二次襯砌，防止坍方發(fā)生。

（9）注漿預設計。洞身DK217+850～DK217+950段通過趙家坪斷層、DK222+950～DK223+050段通過余家山斷層、DK223+200～DK223+300段通過柴背子斷層、DK223+900～DK224+000段通過楊村斷層、DK225+200～DK225+300段通過楊村斷層支斷裂、DK219+250～DK221+870段通過紅花溪向斜、DK223+000～DK223+250段通過可溶巖灰?guī)r、DK223+440～+925段通過可溶巖白云質灰?guī)r。隧道施工可能會造成突水、突泥等施工災害或是開挖過后局部出水不止，并影響施工安全。另外，洞身地表多處分布居民村莊（如江灣、莊子坎、水井坪、白泥崗、豆架坪、大坪墩、柑子坪、楊村等），施工開挖后地下水大量流失，可能影響居民生產(chǎn)、生活用水。施工前應對地表房屋及居民生活用水進行調(diào)查，并保留影像等調(diào)查資料，根據(jù)地質資料分析洞內(nèi)出水與地表水源點之間的聯(lián)系，必要時對洞內(nèi)出水采取超前注漿或開挖后徑向注漿方式予以封堵，以減小出水量，降低對地表的影響。

（10）DK223+000～DK223+900段穿越巖溶較發(fā)育區(qū)，在施工該段二次襯砌前，應采用物探手段檢查隧道周邊環(huán)形加固區(qū)及層外圍巖情況，重點檢查拱部、側邊墻及基底下方5m范圍內(nèi)是否有隱伏溶洞、溶槽、暗河等，隧底是否密實。若發(fā)現(xiàn)異常，及時與相關單位聯(lián)系，確定處理方案后方可進行施工二次襯砌。

（11）DK217+535～DK217+800、DK219+200～DK219+650及DK221+400～DK221+880段洞身穿越二疊系上統(tǒng)梁平組含煤地層，進口工區(qū)按低瓦斯工區(qū)組織施工，應設專職瓦斯檢測員，隨時監(jiān)測隧道開挖面是否有瓦斯逸出，并實時監(jiān)測隧道開挖面和回風流中的瓦斯狀況。如果發(fā)現(xiàn)異常應及時通知參建各方，同時應加強停工后復工的相關瓦斯?jié)舛葯z測及安全評估，以策安全。施工中應加強通風和瓦斯監(jiān)測，并通過設置局部通風的方式保證瓦斯容易聚集地段（掌子面附近拱頂、襯砌模板臺車附近區(qū)域等）洞內(nèi)風速不低于1m/s。

4 結束語

（1）隧道地質情況復雜，山體坡度陡，巖層陡傾，進口段為低瓦斯隧道工區(qū)，隧道洞身局部段落巖溶發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，施工過程中易發(fā)生涌水、突泥、坍塌掉塊現(xiàn)象；且該隧道發(fā)育紅花溪向斜及5條斷裂構造，屬于一級風險隧道，應該重視設計和施工工作。

（2）在對大坪山隧道工程地質分析的基礎上，對軌枕、洞口、洞門、洞身及襯砌工程設計施工措施進行了分析，為安全施工提供了技術支持。