南-大-梁（川渝界）高速公路华蓥山隧道地质环境条件及煤系特征研究

陈东

（四川煤田地质一三七总公司，四川 达州 635000）

南充-大竹-梁平高速公路位于四川盆地中、东部，是我省向东（重庆）方向增加出川的重要通道，路线起于南充市，向东途经四川省的蓬安、营山、渠县、大竹等地直至重庆的梁平，线路全长约142.7km。拟建线路将以特长隧道方式穿越华蓥山背斜，该背斜两翼地层中三叠系上统须家河组（T3xj）和二叠系上统的龙潭组（P2l）为含煤系地层。在须家河组（T3xj）中有大量的煤矿采空区分布，对线路的影响极大，为控制路线走向的主要不良地质。区内村镇及厂矿多沿背斜两侧山脚一带集中分布，该带人口密度相对较大，山丘及河谷斜坡多被垦植为农田旱地。

1 地质环境条件

勘查区位于四川盆地东部边缘川东褶皱带的岭谷地貌区，拟建隧道横穿区内的华蓥山背斜，该背斜山脊延展方向总体呈北东-南西向，区内高点位于隧道中部，标高约1104m，低点位于进口外的渠江和出口外的东柳河，标高约240～300m，高差约800余米。隧道顶部多为灰岩溶蚀后形成的溶丘、溶槽地貌，两侧的砂岩形成挺拔的山脊，常组合形成“一山两岭”或“一山三岭”的特殊地貌形态，两翼坡体横向溪沟较发育。隧道所穿越的该段山体地形坡度一般10～35°，局部为陡崖，山脊植被覆盖较好，基岩出露较好。

1.1 地层

据区域地质、地调及钻探揭露，勘查区主要出露地层为新生界第四系全新统坡残积层（Q4dl+el） 、崩坡积层（Q4c+dl）及侏罗系中-下统自流井组（J1-2z）、下统珍珠冲组（J1zh）和三叠系上统须家河组（T3xj）、中统雷口坡组（T2l）、下统嘉陵江组（T1j），其下还隐伏有三叠系下统飞仙关组（T1f）、二叠上统长兴组（P2c）、龙潭组（P2l）等地层。

1.2 地质构造及地震

1.2.1 区域地质构造

根据《中华人民共和国区域地质调查报告》（1：20万达县幅），勘查区位于新华夏系四川沉降带的川东褶皱带，区内构造特征主要由一组北东-南西走向的线形褶皱组成，具有狭窄紧密的背斜与开阔宽缓的向斜相间排列的隔挡式构造特点[1]。褶曲在平面上的展布多呈微向北西突出的弧形，背斜形态常呈不对称的梳状褶曲，一般是北西翼陡，南东翼缓。此外，沿背斜轴部偶伴有稀疏的走向压扭性断裂，主要构造面（背斜轴面、断裂面）多呈南东向倾斜。勘查区位于川东褶皱带之华蓥山背斜中部。

1.2.2 褶皱

华莹山背斜：为隧址区一级主体控制性构造，背斜轴向N10～25°E，轴部平缓，两翼不对称。北西翼陡，倾角约30°～80°，南东翼缓30°～40°，背斜轴部倾向南东，为狭长半箱状斜歪背斜。轴部出露最老地层为三叠系下统嘉陵江组地层。本隧址区未发现次级褶皱。

1.2.3 断裂

区内断裂性质表现为压性构造形迹，按其展布和组合关系，与背斜、褶皱同属北北东-北东向构造形迹。本次勘查在隧址区未发现较大断层，仅在 G线方案隧道出口附近发育一条小断层，交于线路里程GK114+230m。该断层位于华蓥山背斜南东翼山麓-丘陵过渡部位，为一走向逆断层，破碎带宽约 20m，断层产状111°∠71°，两盘岩性均为侏罗系下统珍珠冲组岩层，断层从与G线隧道交点向北延伸约600m，向南约800m消失。该断层规模小，对隧道影响不大。

区内出露岩性众多，节理裂隙发育，经统计分析，本区主要发育节理3组，现分述如下：

J1组：产状292°∠47°～52°，发育间距0.1～0.2m不等，可见延伸长度8～10m；张开，局部见泥质充填，面较粗糙，为隧址区内的主控节理。

J2组：产状196°～212°∠54～61°，发育间距0.2～0.3m不等，可见延伸长度3～5m；张开～微张，局部见泥质充填，面较粗糙。

J3组：产状329°∠64°，发育间距0.50～0.70m不等，闭合～微张，面较平直，无充填。

1.2.4 地震

据GB 18306-2001《中国地震动参数区划图》国家标准及第1号修改单，本区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，对应的地震基本烈度为Ⅵ度。

2 煤系地层概况

2.1 含煤地层

本区主要的含煤地层为三叠系上统须家河组（T3xj）和二叠系上统龙潭组（P2l）。珍珠冲组（J1zh）地层含薄煤层或煤线，煤层稳定性极差，无矿井开采，在此不加叙述。

2.1.1 三叠系上统须家河组（T3xj）

该组地层总厚一般约 520～780m，其中，第一、三、五、七段为含煤段，累计厚约 215～325m，占全组总厚的约40%；第二、四、六段为砂岩段累计约占全组总厚的约60%。

本区须家河组（T3xj）所含煤层较多，但达可采或局部可采者共4～8层，分属于须一段(T3xj1)1层，须三段（T3xj3）1～2层，须五段（T3xj5）4层，须七段（T3xj7）1层。其中须一段和须七段煤层数量少，结构变化大，分布不稳定，区内仅有红光井田的茶盘岩煤矿在开采须一段的外正连（正连）煤层；须三段和须五段共计含可采煤层5～6层，为区内主要含煤段，其中须五段又可分为上、中、下三个亚段，上（T3xj5-3）、下（T3xj5-1）亚段含煤，中（T3xj5-2）亚段为砂岩。

2.1.2 二叠系上统龙潭组（P2l）

该含煤地层俗称龙潭煤系，该地层位于背斜核部，地表未出露，埋深大，位于拟建隧道路基面以下，拟建隧道揭露不到该组煤系地层，区内也无矿井开采记录。根据在相邻的龙门峡北井田对其进行的勘查，该地层含煤1～3层，其中可采煤层1层。

2.2 煤层构造特征

区内各煤层的构造形态与区内主体地质构造一致，煤层多为倾斜-急倾斜煤层。其中，背斜西翼龙峡子-大峡口普查区内煤层走向约N26°E，倾向西，倾角约68°；背斜东翼红光、光明井田内煤层走向约N21°E，倾向东，倾角约25°～36°，煤层构造复杂程度中等。

3 采空区现状及岩体稳定性分析

区内煤窑开采强度大、时间长，浅部煤炭多被解放前老窑开采，本次对区内仍在生产的煤矿的回采面、岩煤巷和人能探测的部分采空区现状进行了井下观测。

3.1 采空区现状

根据勘查，区内含煤岩组多为泥岩、砂质泥岩，一般岩层厚(顶、底板)1～5m，少数7～20m，老顶、底多为厚层状长石石英砂岩，煤层开采净宽一般0.50～2.00m，顶、底板走向较为平直，西翼煤层倾角一般63°～68°，东翼煤层倾角一般25°～37°。在有坑木或局部充填物支撑的情况下，顶板悬空，出现较大面积的空腔，空腔长宽一般20～50m，少数达100多米，空腔内一般潮湿-干燥。

区内采空区局部地段顶、底板泥岩厚度较大，岩体裂隙发育，采掘破坏较严重，岩体多生产剪切滑移和脱层冒落现象。顶板垮塌之后，松散岩块将空腔逐渐填满，此变形情况为区内采空变形的主要现象；另一种情况为顶底板较完整的软质岩，层理发育，煤层采空后，顶板在自重压力之下向采空底板缓慢变形，逐渐挤压闭合。

3.2 采空区岩体稳定性分析

采空区岩体稳定性取决于岩性、构造、采空及充填情况等多种因素：①区内须家河组地层岩性以第二、四、六段厚层硬质细-中粒砂岩为主，第一、三、五、七段软质岩组中仍夹含有较多硬质砂岩，硬质岩占总厚度的60%以上，而软质泥岩仅占约40%，煤层的老顶、老底均为厚层状长石石英砂岩为主；②区内岩层走向稳定，未发现影响煤系地层的大断裂、褶皱等，煤层倾角在25～68°之间，采空区顶板见有产生剪切滑移和脱层冒落现象和破坏现象，顶板垮塌之后，松散岩块将坠入空腔内；③由于区内煤层薄，开采空间小，充填弃渣和少量垮落岩块起着支撑作用，且因三叠系煤层稳定性较差，厚度变化大，不可采段(点)较多，小煤窑采矿技术落后，采富弃贫现象普遍。因此，未采出段对采空区顶板起着一定支撑作用。

综合上述，隧址区煤层采空区地段岩体稳定性较差。

3.3 采空区变形的理论计算

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB 12719-91）附录F，本次拟建隧道进口段煤层属急倾斜煤层，出口段煤层属缓倾斜煤层，从整体来讲，由于煤系地层含煤层数众多，采矿影响范围广，各采空区距离近，变形累积效应明显，围岩完整性破坏规模实际相对偏大。

3.4 采空区地面变形情况

根据本次勘查，在隧址区煤矿采空范围内均未发现地表塌陷、陷坑、移运盆地等变形现象[2]。主要原因有两点：一方面是因为区内浅部煤炭资源多被以前老窑采空，采空区经过多年的弯曲、下沉或塌陷，地表变形已经完成，剩余沉降量应较小，现多数煤矿为开采深部煤层，对地表影响较小；另一方面，本区地层以砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩等软质岩为主，属柔性岩石，且区内煤层均属薄煤层，采空不大，上部岩体变形高度普遍较小，难以影响到地面。

3.5 采空区积水及瓦斯聚积

本区地下水主要靠大气降水补给，矿井水来源多为上部巷道来水及基岩裂隙水。本次实测的矿井水量约75～1300m3/d不等，水量的大小与巷道的标高及采空巷道长短呈正相关，据调查，区内矿井水平巷道内均以淋雨状及滴水状出水为主，来水通过巷道自然排出地表，无大的积水现象；积水主要发生在矿井下山中。此外，由于区内岩性组合多为砂、泥岩相间分布的特点，泥岩为相对隔水层，砂岩为相对含水层，煤层采空后，上部岩层冒落破坏，常将隔水层及含水层相互连通易造成隧道涌水量增加。冒落形成的陷落带，由于岩体破碎，且连通多个含水层，其水量较丰，隧道施工到此时，可能出现涌、突水事故，须加强设计并采取施工措施加以处治[3]。

区内煤矿均属低瓦斯矿井，相应煤层属低瓦斯煤层，通过各煤矿多年的开采破坏，煤层瓦斯多已排出逸散，且因该背斜核部剥蚀严重，造成了煤系地层在两翼已成开放构造，区内煤层瓦斯的赋存条件总体较差。但因区内老窑采空巷道众多，老窑采空区多已封闭多年，在此封闭空间内，不排除有局部瓦斯集聚现象。

3.6 采空区对公路工程建设的影响

煤层开采对地层岩体的完整性和稳定性造成极大破坏，大大降低了岩体工程地质性能。对隧道建设而言，围岩类别降低，洞顶、侧壁松散岩体易冒落，坍塌或隧道洞身扭曲变形，对施工人员和机械安全构成极大危害。此外，对于隧道路基面之下为采空区的情况，由于填充不充分，以后受长期振动影响，基础将会向下沉陷、垮落，冬季废巷可能有浓密水气向隧道内冒出的现象，影响隧道正常营运，为此必须衬砌加固处理，才能满足道路建设要求。

含煤段岩性多为相对隔水层，煤层采空后，岩体遭到破坏，隔水层、含水层相互连通，造成隧道涌水量增加，局部甚至可能引起老窑突水，严重影响施工安全，故必须加强设计并采取施工措施加以处治。

4 结论

通过对该隧道工程的勘查，基本查明了该隧道的地质环境条件，并对其煤系特征作出了研究，得出主要结论如下：

1）本隧道穿越华蓥山背斜，煤层开采对地层岩体的完整性和稳定性造成极大破坏，大大降低了岩体工程地质性能。对隧道建设而言，围岩类别降低，洞顶、侧壁松散岩体易冒落，坍塌或隧道洞身扭曲变形，对施工人员和机械安全构成极大危害。

2）基本查明了勘查区内煤层分布位置、层数、瓦斯含量等指标及采空区的分布特征、空间形态、充填情况、冒落带范围等。并对路线的影响程度进行了较为合理、准确的评价。但应在施工中注意加强对采空区破碎带围岩的管理、加固措施。

[1] 徐稳超．大路梁子隧道煤系地层施工处理技术[J]．山西建筑，2007，(2)．

[2] 郭俊娥．隧道煤系地层施工技术[J]．太原城市职业技术学院学报．2011，(3)．．

[3] 丁尧．公路隧道瓦斯涌突机制与预测预警研究[D]．成都：成都理工大学，2011．