西南山區(qū)某鐵路專用線隧道工程地質(zhì)條件分析

李昕哲

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

1 工程概況

該隧道位于云南省東部山區(qū)，全長1493.87 m。隧道最大埋深約115 m。隧道穿行于構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)及構(gòu)造溶蝕峰叢谷地區(qū)，地形起伏較大，地面高1298 m ～1423 m，自然坡度20°～60°，山體一般為薄層第四系土層覆蓋，植被茂盛。該文主要就該隧道工程進行工程地質(zhì)條件進行分析。

2 工程地質(zhì)條件分析方法

根據(jù)工程地質(zhì)條件分析技術(shù)要求及目的，為查明隧址區(qū)工程地質(zhì)條件與工程問題，為設(shè)計提供可靠的地質(zhì)依據(jù)與參數(shù)，該文在充分研究區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對工程場地進行了1∶2000的工程地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)調(diào)查，采用鉆探、物探和原位測試等工程地質(zhì)分析手段，對隧道工程地質(zhì)條件進行分析，如下所述。

2.1 地質(zhì)調(diào)繪

充分應(yīng)用區(qū)域地質(zhì)資料、初測資料和既有線隧道地質(zhì)資料，進一步查明隧道通過地段的地形、地貌、地層、巖性、結(jié)構(gòu)面特征和地質(zhì)構(gòu)造。本次主要對以下4方面進行調(diào)查：1）查明不良地質(zhì)、特殊巖土對隧道的影響。2）對傍山隧道及順層隧道預(yù)測地形、順層偏壓危害。3）調(diào)查隧道范圍水文地質(zhì)條件，結(jié)合孔內(nèi)試驗結(jié)果預(yù)測洞身最大及正常分段涌水量。4）調(diào)查隧道范圍巖性分界面、斷裂破碎帶及節(jié)理面，預(yù)測評估可能發(fā)生的圍巖失穩(wěn)特征和段落。

2.2 勘探點布置

根據(jù)場地工程環(huán)境條件、擬建工程特點及規(guī)范要求，隧道按不同地貌單元及地層巖性布置勘探孔以查明地質(zhì)條件。在隧道進口處覆蓋層較厚區(qū)域布置橫斷面勘探點。在主要的地質(zhì)界線、重要的不良地質(zhì)、特殊巖土地段以及可能產(chǎn)生突泥、突水危害地段等處布置鉆孔控制。洞身地段的鉆孔位置一般布置在中線左側(cè)8 m～10 m或右側(cè)13 m～15 m，勘探點間距一般不大于500 m。斷層和物探異常點布置勘探點進行控制。鉆孔深度一般至路肩以下3 m～5 m。巖溶地區(qū)勘探深度至路肩以下10 m～15 m，遇溶洞及暗河等情況，適當(dāng)加深至溶洞及暗河底以下5 m。本次共布置鉆孔9個。

2.3 物探

該工程采用電法、電磁法等綜合物探手段，查明地層、構(gòu)造和巖性分界面。對出現(xiàn)異常的段落采用其他物探方法驗證異常位置以及鉆孔位置。

2.4 測井與試驗

該工程根據(jù)地下水埋深和性質(zhì)選擇做提水、抽水、注水或壓水試驗以及彈性波速測試。

3 工程地質(zhì)條件分析

3.1 地層巖性及構(gòu)造分析

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)鉆探，并結(jié)合室內(nèi)試驗，隧址區(qū)巖性主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土（Qel+dl4），下伏三疊系中統(tǒng)法郎組砂巖（TSs2f）、頁巖（TSh2f）和灰?guī)r（TLs2f）。

隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要發(fā)育多組節(jié)理。隧道進口巖層產(chǎn)狀為34°∠21°，節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育2組節(jié)理，即節(jié)理1：195°∠64°，節(jié)理2：202°∠90°，多為密閉節(jié)理，少量微張節(jié)理，泥質(zhì)充填。隧道出口巖層產(chǎn)狀52°∠34°，節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育3組節(jié)理，即節(jié)理1：264°∠74°，節(jié)理2：195°∠70°，節(jié)理3：296°∠66°，多為密閉節(jié)理，少量微張節(jié)理，方解石充填。

3.2 水文地質(zhì)條件分析

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及地表調(diào)查，隧址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。

第四系孔隙潛水主要賦存于第四系殘坡積粉質(zhì)黏土中，呈條帶狀分布于溝谷底部，由于隧道區(qū)第四系覆蓋層相對較薄，因此水量不豐富。非可溶巖山區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，在構(gòu)造破碎帶，地下水易沿通道移動、匯集，以泉等形式排泄。山區(qū)地下水位埋深變化大，水位季節(jié)變動大。地下水主要接受大氣降水補給。巖溶水主要賦存于灰?guī)r地層的溶隙、溶孔、溶溝及溶洞中，隧道區(qū)灰?guī)r以巖溶弱發(fā)育為主，局部中等發(fā)育，地下水分布不均。

根據(jù)隧址區(qū)地下水水質(zhì)分析報告，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋不具侵蝕性。

3.3 隧道進出口工程地質(zhì)條件分析

隧道進口圍巖地層巖性為三疊系中統(tǒng)法郎組頁巖，全～弱風(fēng)化。進口放大縱斷面示意圖如圖1所示。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)鉆探，隧道進口主要存在以下工程問題：1）洞口開挖產(chǎn)生臨空面易造成基巖風(fēng)化層垮塌。2）進口仰坡開挖時會形成順層不穩(wěn)定斜坡，施工開挖或震動易引發(fā)順層滑坡?？傮w來說，隧道進口工程地質(zhì)條件較差。針對上述問題，提出以下2條建議：1）隧道開挖時，應(yīng)加強超前支護，襯砌緊跟，做好洞口上方截排水措施，防止地表水下滲。2）邊、仰坡開挖坡率為全風(fēng)化頁巖1∶1.25～1∶1.5，強風(fēng)化頁巖、弱風(fēng)化頁巖1∶1～1∶1.25。施工時加強支護，放緩邊坡，保證仰坡、塹坡的穩(wěn)定性。

圖1 隧道進口放大縱斷面圖

隧道出口圍巖地層巖性為三疊系中統(tǒng)法郎組灰?guī)r，弱風(fēng)化。出口放大縱斷面示意圖如圖2所示。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)鉆探，隧道出口主要存在以下工程問題：1）隧道出口覆蓋層較薄，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶弱～中等發(fā)育。2）出口位于陡坡，上方發(fā)育危巖、落石，直徑一般為0.1 m～1.5 m?？傮w來說，隧道出口工程地質(zhì)條件一般。針對上述問題，建議：1）隧道開挖時應(yīng)加強超前支護，襯砌緊跟，做好洞口上方截排水措施，防止地表水下滲。邊、仰坡開挖坡率為弱風(fēng)化灰?guī)r1∶0.75～1∶1.25。施工時加強支護，放緩邊坡，保證仰坡、塹坡的穩(wěn)定性。2）采取清除、支擋或接長明洞等措施。

圖2 隧道出口放大縱斷面圖

3.4 隧道圍巖穩(wěn)定分析

3.4.1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)物探測試成果并結(jié)合室內(nèi)試驗，該文給出了隧道地層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，見表1。

表1 隧道地層物理力學(xué)匯總

3.4.2 圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)鉆探，隧道圍巖主要為三疊系中統(tǒng)法郎組（T2f）砂巖、頁巖和石灰?guī)r，巖體多呈薄～ 中厚層狀結(jié)構(gòu)?；?guī)r段落巖溶主要為弱發(fā)育，地表形態(tài)有溶溝、溶槽和石芽等，地下形態(tài)有溶孔、溶隙、溶洞以及巖溶管道等。弱風(fēng)化砂巖、頁巖和灰?guī)r巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，巖體較破碎～破碎，多呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)、碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好。圍巖巖體特征與波速測試計算結(jié)果基本吻合。

3.4.3 隧道圍巖分級

隧道圍巖分級由巖石堅硬程度和巖體完整程度2個影響因素確定，這2個因素應(yīng)采用定性和定量2種方法綜合確定[1]。

3.4.3.1 定性劃分

定性劃分包括①巖石堅硬程度的劃分。根據(jù)本次室內(nèi)巖石力學(xué)試驗成果，根據(jù)文獻[1]，灰?guī)r、砂巖為硬巖，頁巖為軟巖。②隧道圍巖巖體完整性系數(shù)Kv的確定。本次勘察主要利用定測勘探、測試成果，并結(jié)合地面調(diào)查情況確定巖體的完整性系數(shù)。

3.4.3.2 定量劃分

定量劃分包括①圍巖初步分級。據(jù)文獻[1]，巖體基本質(zhì)量指標BQ值的計算公式為：BQ=100+3Rc+250Kv。當(dāng)Rc>90Kv+30時，取Rc>90Kv+30；當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時，取Kv>0.04Rc+0.4。計算結(jié)果見表2。②圍巖修正定級。地下水影響修正系數(shù)K1根據(jù)文獻[1]說明表4.3.2-11確定，本次勘察根據(jù)地下水出水狀態(tài)和巖體基本質(zhì)量指標，綜合取值0.1～0.4。主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2根據(jù)文獻[1]說明表4.3.2-12確定，本次勘察主要根據(jù)鉆孔巖芯完整程度、彈性縱波速度測試結(jié)果，分析巖體完整程度，綜合分析取值0.2～0.4。綜合分析隧道埋深、地貌、地形、地質(zhì)和運動史根據(jù)文獻[1]說明表4.3.2-13確定，初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3取值為0。

經(jīng)過上述方法確定該隧道各段落分級情況，見表2。根據(jù)隧道圍巖分級情況可知，本隧道以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，V級圍巖次之，各級圍巖所占比例如圖3所示。

圖3 隧道各級圍巖占比

表2 隧道圍巖分級計算表

3.5 隧道涌水量預(yù)測分析

預(yù)測隧道涌水量的計算方法采用降水入滲法和地下水徑流模數(shù)法[2]。

3.5.1 降水入滲法

降水入滲法如公式（1）所示。

式中：Q為隧道通過含水體地段的正常涌水量（m3/d）；A為隧道通過含水體地段的地下集水面積（km2）；L為隧道通過含水體的長度（km）；B為隧道涌水地段長度內(nèi)對兩側(cè)的影響寬度（km）；a為降水入滲系數(shù)；W為年降水量（mm）。

計算正常涌水量時，參考沿線氣象資料，年平均降水量1303.7 mm，年最大降水量1958.5 mm。降水入滲系數(shù)a根據(jù)隧道沿線的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征，并根據(jù)文獻[2]和文獻[3]取值，按巖石完整程度分段選擇降水入滲系數(shù)值。

3.5.2 地下水徑流模數(shù)法

地下水徑流模數(shù)法如公式（2）所示。

式中：M為年平均地下水徑流模數(shù)m3/d·km2；A為隧道通過含水體地段的地下集水面積（km2）

根據(jù)地貌在衛(wèi)星平面圖圖上截取得A=1.437 km2，計算結(jié)果如公式（4）、公式（5）所示。

λ=多年最大降雨量/多年平均降雨量=1.502Qmax=1.502×566.47=850.84 m3/d。

根據(jù)計算成果，并根據(jù)測區(qū)的巖溶發(fā)育特征和水文地質(zhì)條件，建議采用大氣降水入滲法計算結(jié)果，全隧道正常涌水量Q正常=1748.85 m3/d，最大涌水量Q最大=3141.65 m3/d。隧道涌水量的計算只是針對巖層含水特征一般規(guī)律，由于巖體破碎程度不同，滲透系數(shù)亦有很大變化，局部節(jié)理密集帶巖溶發(fā)育，巖體裂隙水較發(fā)育，可能會出現(xiàn)股狀涌水現(xiàn)象，因此建議設(shè)計及施工中采取相應(yīng)預(yù)防和處理措施。

3.6 場地穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)鉆探，隧道通過區(qū)主要地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，三疊系中統(tǒng)法郎組砂巖、頁巖及灰?guī)r，工程地質(zhì)條件一般。根據(jù)文獻[4]表4.01-1、4.01-2判定，場地類別為Ⅰ類，場地土類型為巖石。隧道洞身巖層節(jié)理裂隙發(fā)育～很發(fā)育，巖體較破碎～極破碎，隧道進出口節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎。隧址區(qū)基本地震動峰值加速度值為0.05 g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s，場地穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

該隧道通過區(qū)主要地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，三疊系中統(tǒng)法郎組砂巖、頁巖及灰?guī)r，工程地質(zhì)條件一般。隧道洞身巖層節(jié)理裂隙發(fā)育～很發(fā)育，巖體較破碎～極破碎，隧道進出口節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎。

該隧道進口頁巖風(fēng)化層較厚，洞口開挖產(chǎn)生臨空面易造成滑動，施工時需要加強支護，放緩邊坡，保證仰坡、塹坡的穩(wěn)定性。隧道進口仰坡開挖時會形成順層不穩(wěn)定斜坡，施工開挖或震動易引發(fā)順層滑坡，需要放緩并加強防護措施。

該隧道所穿越山體地下水不發(fā)育，總體而言水量較小，巖溶發(fā)育段落可能存儲較豐富的地下水，隧道工程穿越時易產(chǎn)生突泥、涌水，威脅工程安全。

隧道施工至巖體破碎、巖溶發(fā)育段時，需要加強超前支護、加強防排水措施，尤其要加強超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)防突水、突泥和坍塌事故發(fā)生。