某復(fù)雜地質(zhì)條件特長隧道勘察技術(shù)及主要工程地質(zhì)問題

孫旭東 李振團(tuán)

摘要：擬建某高速公路特長隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要采用地質(zhì)調(diào)繪、機(jī)械鉆探、大地電磁法、取樣試驗(yàn)等綜合勘察手段基本查明了隧道地質(zhì)條件，判別隧道主要存在的工程地質(zhì)問題為巖溶（隧道突泥、涌水）、煤層與瓦斯、斷層破碎帶、邊仰坡防護(hù)等，提出了對應(yīng)的施工建議以減少重大變更設(shè)計(jì)及安全風(fēng)險(xiǎn)，對類似隧道的勘察設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：公路特長隧道;地質(zhì)條件復(fù)雜;勘察技術(shù);隧道工程地質(zhì)問題

中圖分類號：U452文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0146-03

1引言

擬建隧道為高速公路隧道，隧道左幅長4090m，右幅長4055m。最大埋深508m。該隧區(qū)地處云貴高原烏蒙山脈北段，黔西高原與黔中山原的過渡帶，地貌類型屬溶蝕-侵蝕型低中山地貌，地表受溶蝕、侵蝕作用強(qiáng)烈，地勢起伏較大。構(gòu)造部位屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱之畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)，從構(gòu)造行跡的規(guī)模和空間展布情況看，主要為北東向構(gòu)造和東西向構(gòu)造，還有零星的東西向構(gòu)造、弧形構(gòu)造。構(gòu)造樣式以寬緩背斜與緊閉向斜組合構(gòu)成的隔槽式褶皺為主，間有一些穹窿及構(gòu)造盆地，變形強(qiáng)烈，線性構(gòu)造形跡優(yōu)選方向主要北東向。項(xiàng)目區(qū)主要構(gòu)造有龍場向斜、維新背斜、臺沙壩斷層、古都寨斷層、昆寨斷層等，隧道為北北西走向，與構(gòu)造形跡走向近60～80。斜交，受此影響，隧道地層巖性展現(xiàn)出地層巖性重復(fù)出現(xiàn)、巖層產(chǎn)狀傾角較陡，地表巖溶發(fā)育等特征。本隧道的地質(zhì)研究擬采用如下技術(shù)路線。

2工程地質(zhì)問題初判

根據(jù)前期研究資料及地表調(diào)繪，判別隧道可能存在的主要工程地質(zhì)問題為以下5類。

2.1巖溶

隧道存在三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（Tlyn）、下統(tǒng)棲霞組（Plq）、茅口組（Pim）灰?guī)r，石炭系中上統(tǒng)馬平群、黃龍群（C2-3mp-hn）灰?guī)r，下統(tǒng)擺佐組（Clb）白云巖，奧陶系下統(tǒng)桐梓、紅花園組（Olt+h）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2～3ls）白云巖，巖溶現(xiàn)象主要為巖溶洼地、落水洞、溶洞、溶隙及暗河管道，受巖性和構(gòu)造限制，多呈帶狀和塊狀出現(xiàn)。地表調(diào)繪發(fā)現(xiàn)發(fā)育一暗河管道橫穿線位，為附近坡體地表水經(jīng)匯流進(jìn)人洼地下滲后形成巖溶管道，沿線有多個(gè)洼地、落水洞與管道相連，地表水匯集深入洼地、落水洞補(bǔ)充管道水，在隧道左側(cè)11 Km處凹豬河處（1544m）排泄，出口流量約500L/s。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及物探結(jié)果，該巖溶管道位于隧道上方115 ～135m，巖溶管道與隧道存在水力聯(lián)系，隧道開挖極易造成管道水下滲，造成突水、突泥現(xiàn)象。初步判斷場地屬于巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)域，對隧道的影響大。

2.2瓦斯及采空區(qū)

隧道主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P21），另洞身段多處穿越二疊系下統(tǒng)梁山組、石炭系大唐組等含煤地層，根據(jù)地質(zhì)調(diào)訪，場區(qū)采空區(qū)主要位于龍?zhí)督M（P21）內(nèi)，大型煤礦（狗場煤礦）開采距離隧道較遠(yuǎn)，隧道區(qū)域內(nèi)存在數(shù)十個(gè)當(dāng)?shù)卮迕袼讲尚纬傻牟煽彰憾?，其洞口直徑一般?～2m，采深20～50m，以巷道式開采為主，回采率低，一般10%～30%，該段隧道埋深大（埋深316m），采空區(qū)位于隧道上方260m以上，對隧道建設(shè)影響小。

據(jù)收集項(xiàng)目沿線該地層煤礦開采期間測得瓦斯資料及隧道瓦斯測試資料顯示，二疊系中統(tǒng)龍?zhí)督M（P21）煤系地層煤層瓦斯相對涌出量為在34.2～35m3/t之間、絕對涌出量在3.81～6.63m/min之間，根據(jù)《煤礦瓦斯等級鑒定暫行辦法》第九條相關(guān)規(guī)定，場區(qū)為高瓦斯工區(qū)。

2.3斷層破碎帶

隧道分別穿越臺沙壩斷層（與隧道斜交）、古都寨斷層（與隧道斜交），該兩斷層分別為南東-北西、北東-南西走向，與隧道均斜交，斷層破碎帶寬1～20m，斷層破碎帶往往形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致巖石松弛、巖石強(qiáng)度下降，巖體的完整性及均一性極差，隧道圍巖穩(wěn)定性變差（圍巖級別為V級），且斷層破碎帶巖質(zhì)軟硬不均，易破碎，強(qiáng)度低，手錘敲擊易碎，類似中密碎石土或膠結(jié)一般的角礫土，遇水后物理力學(xué)性質(zhì)差。其中臺沙壩斷層為正斷層，其具備導(dǎo)水特征，地下水易富集于斷層帶及其附近巖體內(nèi)，隧道開挖揭露時(shí)極易產(chǎn)生大規(guī)模突水、突泥現(xiàn)象;古都寨斷層為逆斷層，大部分段落呈壓性為主，局部具有張性特征，該斷層總體具有阻水特征，地下水流動經(jīng)過斷層時(shí)受斷層阻隔易匯集于斷層附近，對附近巖體進(jìn)行溶蝕，故斷層附近一般巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，隧道開挖揭露斷層時(shí)極易對其附近匯水進(jìn)行集中排泄而造成瞬時(shí)突水、突泥現(xiàn)象。

2.4巖性組合復(fù)雜帶來的隧道圍巖問題

隧道洞身穿過地層主要為T1yn、P2l、P2B、P1q、P1m、P1l、C3mp、C2hn、C1b、C1d、O1m、O1t+h、∈2～3ls，其碳酸鹽巖地層T1yn、P1q、P1m、C3mp、C2hn、C1b、C1d、O1t+h、∈2～3ls 巖性為灰色、灰白色灰?guī)r、白云巖，碎屑巖地層P2l、P2B、P1l、C1d、O1m巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、煤層、玄武巖等，空間分布上為軟質(zhì)巖與硬質(zhì)巖相間互層結(jié)構(gòu)，在碳酸鹽巖與碎屑巖接觸面上，往往巖溶發(fā)育比較強(qiáng)烈，可能存在較大巖溶裂隙、溶洞及豐富的地下水，隧道穿越時(shí)易造成突水、突泥，其洞身段圍巖整體穩(wěn)定性較低。

左幅ZK7+525～ZK7+980、ZK8+430～ZK8+950（右幅YK7+500～YK7+960、YK8+428～YK8+940）兩段位于維新背斜核部兩翼，巖性為二疊系下統(tǒng)棲霞、茅口組（P1q+m）灰?guī)r，受臺沙壩斷層、古都寨斷層的影響，巖溶發(fā)育，地下水易富集，地表洼地、落水洞極發(fā)育，存在暗河管道，物探揭示巖溶管道埋深210m，與隧道相距220m，在構(gòu)造裂隙和深部巖溶作用下，隧道開挖可能會貫通、襲奪地下河，產(chǎn)生大量涌水，因此隧道開挖應(yīng)采取特殊施工工藝。另外，其余的灰?guī)r段落可能存在局部巖溶發(fā)育現(xiàn)象，也可能產(chǎn)生突泥、涌水現(xiàn)象，設(shè)計(jì)施工也應(yīng)引起重視。

2.5進(jìn)出口邊仰坡

隧道進(jìn)口邊、仰坡：隧道洞門邊、仰坡由強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖組成，強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

左、右側(cè)邊坡均為切向坡，洞口位置橫坡平緩，邊坡穩(wěn)定性好，開挖臨空后邊坡巖體強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)易產(chǎn)生楔形坍塌、掉塊、碎落現(xiàn)象。洞口縱坡較陡，仰坡為順向坡，且層間存在軟弱夾層，現(xiàn)狀穩(wěn)定，仰坡開挖后易誘發(fā)順層滑移，須對仰坡進(jìn)行加固防護(hù);

隧道出口邊、仰坡：洞門邊、仰坡由強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r組成，強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

左、右側(cè)邊坡均為切向坡，洞口位置橫坡平緩，邊坡穩(wěn)定性好，開挖臨空后邊坡覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)易產(chǎn)生楔形坍塌、掉塊、碎落，甚至圓弧滑動。洞口縱坡較陡，為順向坡，強(qiáng)風(fēng)化層巖體破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，現(xiàn)狀穩(wěn)定，仰坡開挖易產(chǎn)生楔形坍塌，甚至順層滑動，須對仰坡進(jìn)行加固防護(hù);

3勘察技術(shù)手段

根據(jù)以上工程地質(zhì)問題，針對性的采用了加深地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、大地電磁法、聲波測井、瓦斯測試、取樣試驗(yàn)等綜合勘察手段。

（1）加深地質(zhì)調(diào)繪：對比橋梁及路基工程，對隧道而言，充分的地表調(diào)繪以及地質(zhì)分析更加重要，如對隧道圍巖結(jié)構(gòu)面的深入統(tǒng)計(jì)分析，對巖溶問題而言，地表出露的巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下暗河的分布密度、發(fā)育規(guī)模、高程等可以有效的指示地下巖溶發(fā)育情況，斷層破碎帶的發(fā)育產(chǎn)狀、寬度、組成物質(zhì)對通過隧道段圍巖設(shè)計(jì)可以提供重要證據(jù)。

（2）物探：對于特長隧道，貫通性的物探工作已經(jīng)不可缺少，特別是大地電磁法對于埋深較大的復(fù)雜隧道，已可以有效的判別重點(diǎn)部位，在物探工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆探可以有助于擺脫勘探工作的盲目性。

（3）鉆孔及孔內(nèi)工作：①聲波測井。對鉆孔進(jìn)行波速測試，計(jì)算巖體的完整性系數(shù)，根據(jù)完整性系數(shù)的大小劃分巖體的完整程度，并根據(jù)完整性系數(shù)與巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)確定巖體的基本質(zhì)量級別。本次分別對不同巖性的四個(gè)鉆孔進(jìn)行了聲波測試及巖樣試驗(yàn)。最后計(jì)算巖體的完整性系數(shù)，根據(jù)完整性系數(shù)的大小劃分巖體的完整程度;②瓦斯測試。專業(yè)的孔內(nèi)瓦斯測試可以獲取詳細(xì)的瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層爆炸、煤自燃傾向性、含煤的放散初速度、等溫吸附系數(shù)、堅(jiān)固性系數(shù)、真密度、視密度、水份、灰份和揮發(fā)份等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析綜合判斷該煤層發(fā)生瓦斯突出安全事故的風(fēng)險(xiǎn)性較低。提出了隧道相應(yīng)的高、低瓦斯工區(qū)段落。

4主要工程地質(zhì)的規(guī)模、影響及處治建議

本隧道圍巖地層巖性組合復(fù)雜，主要工程地質(zhì)問題為巖溶、瓦斯、斷層破碎帶。

4.1巖溶

隧道穿過碳酸鹽巖段巖溶發(fā)育強(qiáng)發(fā)育，存在豎向溶洞等形式的隱伏巖溶風(fēng)險(xiǎn)極高，尤其在碳酸鹽巖段、碳酸鹽巖與碎屑巖接觸部位、斷層破碎帶兩側(cè)巖體，可能存在較大的溶洞、巖溶裂隙以及豐富的地下水。施工中揭露隱伏巖溶（溶洞、巖溶裂隙、落水洞、巖溶漏斗、巖溶管道等）的可能性極大，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，開挖揭露溶洞易產(chǎn)生涌水、涌砂、突泥和冒頂?shù)任：ΑＪ┕ぶ袆?wù)必高度重視，充分準(zhǔn)備、精心施組、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道底板巖溶探測、超前鉆孔等工作，建立完善的可能遇見各種地質(zhì)病害（如揭露溶洞、巖溶裂隙、落水洞、巖溶漏斗、巖溶管道、斷層破碎帶等出現(xiàn)的突泥、涌水、涌砂以及突發(fā)性隧道大面積涌水等）的應(yīng)急處治工程預(yù)案，確保隧道施工及運(yùn)營安全。

4.2瓦斯

綜合判斷該煤層發(fā)生瓦斯突出安全事故的風(fēng)險(xiǎn)性較低，但不排除有發(fā)生突出的可能。由于地質(zhì)條件變化大，經(jīng)對測試孔周邊地質(zhì)條件分析，認(rèn)為本次測試的227.80m-229.20m煤層瓦斯等數(shù)據(jù)資料僅能代表所測區(qū)域煤層向上50m范圍內(nèi)的瓦斯?fàn)顟B(tài)，因此結(jié)果對該煤層埋深以下、其它區(qū)域及個(gè)別地質(zhì)構(gòu)造帶的煤層瓦斯參數(shù)僅做為參考數(shù)據(jù)，在實(shí)際工作中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，采取合理的瓦斯區(qū)域防突安全技術(shù)措施加強(qiáng)對地質(zhì)構(gòu)造的超前探測工作，執(zhí)行先探后掘技術(shù)措施，并加強(qiáng)安全管理，確保施工安全，建議掘進(jìn)過程中必須具備探防工作，在隧道施工中必須按照相關(guān)程序進(jìn)行，防止突出事故，確保安全生產(chǎn)。必須加強(qiáng)通風(fēng)，防止瓦斯積聚，嚴(yán)禁串聯(lián)通風(fēng)、微風(fēng)、無風(fēng)作業(yè)。

4.3斷層破碎帶

隧道穿越兩條斷層，斷層破碎帶影響長度約150米。隧道經(jīng)過斷層破碎帶時(shí)，該隧道施工時(shí)可能產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題為突水、突泥、掉塊、塌方、圍巖失穩(wěn)等工程地質(zhì)問題，其中突水、突泥問題對施工安全隱患影響極大，隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及檢測工作，布置超前探孔進(jìn)行水壓卸荷工作，加強(qiáng)隧道超前支護(hù)措施，避免產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。

5探討及結(jié)論

擬建隧道穿越地層巖性較多，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，穿越了斷層破碎帶、背斜等地質(zhì)構(gòu)造。洞身段存在巖溶、瓦斯等主要不良地質(zhì)，工程地質(zhì)問題復(fù)雜，是西南地區(qū)具有代表的復(fù)雜地質(zhì)條件的特長隧道。

隧道洞身段存在不良地質(zhì)：巖溶與瓦斯。特別是可溶巖與非可溶巖接觸帶，巖溶強(qiáng)發(fā)育，存在隱伏溶洞的可能性大，工程風(fēng)險(xiǎn)高，開挖揭露溶洞極易產(chǎn)生涌水、突泥和冒頂?shù)任：?，施工中?yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)、超前鉆孔等工作指導(dǎo)施工。煤系地層瓦斯段，應(yīng)按照瓦斯隧道設(shè)計(jì)，且受構(gòu)造影響，在煤系地層相鄰段落，瓦斯有可能將間斷性穿過含煤地層。施工中應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，加強(qiáng)瓦斯等監(jiān)控量測、地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報(bào)、超前鉆孔設(shè)計(jì)等工作做好應(yīng)對瓦斯災(zāi)害的工程處治預(yù)案。

根據(jù)勘察結(jié)論中隧道圍巖地質(zhì)情況，結(jié)合圍巖不良地質(zhì)段落長度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面特征等劃分隧道圍巖級別：V級段落占隧道長度的36.7%，IV級段落占隧道長度的56.5%，III級段落占隧道長度的6.8%。計(jì)算隧道涌水量為320818m/d。為類似地質(zhì)條件的隧道的圍巖級別劃分及涌水量計(jì)算提供參考。

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