杜家山特长隧道工程地质条件分析与评价

2014-07-25廖俊

铁道勘察 2014年6期

关键词：千枚岩杜家节理

廖俊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

杜家山特长隧道工程地质条件分析与评价

廖俊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

通过对杜家山特长隧道隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造、岩土体工程地质特征等进行调查，利用物探、钻探，水文地质试验和岩体物理力学试验等勘察成果，分析评价隧道的地质复杂程度及工程地质条件，指出隧道施工过程中可能会遇到的工程地质问题以及相关施工措施和建议。

特长隧道；工程地质条件；复杂程度；综合勘察；措施建议

1 工程概况

杜家山特长隧道位于改建铁路阳平关至安康线增建二线扩能改造安康枢纽配套工程的南秦岭越岭段，隧道呈NE-SW向穿越南秦岭低中山区，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层岩性多变，工程难度大。隧道全长10 582 m，为全线控制性工程，地质资料的准确性直接影响工程的进展。

勘察过程中充分利用综合勘探的各种手段[9]，根据地质调查、物探、钻探相互验证，并对调查结果进行修正。利用钻探查明浅埋段及部分深埋段覆盖层及风化层厚度、洞身岩性、岩石完整程度、富水程度、断层走向等；在隧道通过范围内对每套地层的各种岩性采样、定名及岩石物理力学指标进行试验；布置物探工作，对洞身通过的沟谷地段及孔内进行放射性测试，对断层沟谷区进行氡气含量测试，以查明断层地表边界；进行深孔内原地应力测试、地温测量、波速测试、水文测试等。通过上述工作，查明了隧址区的工程地质条件，对隧址区的工程地质问题进行全面评价。在此基础上，提出隧道设计和施工中应注意的岩土工程问题及处理措施建议。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

杜家山隧道进口位于旬河支流麻坪河河谷区，出口位于汉江支流丁家河河谷区，洞身穿越南秦岭低中山区。隧址区主峰界岭高程1 150 m，麻坪河河床高程303 m，丁家河床高程314 m，沟谷发育，多呈垂直山脊树枝状分布的“V”形谷，岭北主要分布有麻坪河、向家沟、康家沟等，岭南主要分布有纸房沟、二郎沟、油房沟、丁家河等，山体相对高差500～800 m，属中-深切割山区，以浅变质石质山地为主，山坡植被茂密，树木较多。

2.2 气象特征

本区属北亚热带秦巴湿润山地气候，气候温和，雨量充沛，隧道穿越旬阳县和安康两市县区，主要气温参数如下(2000～2009年)：

年平均气温16.0～16.7 ℃；最冷月平均气温2.0～2.4 ℃，最热月(七月)平均29.4～29.8 ℃，极端最低气温-6.3 ℃，极端最高气温40.9～43.1 ℃，年平均降水量772.5～872.4 mm，年最大降水量1 216.8～1 392.1 mm，年最小降水量519.8～637.5 mm，年平均蒸发量874.4～1 435.7 mm，年最大积雪厚度4～6 cm，土壤最大冻结深度30 cm。

2.3 地层岩性及物性参数

隧道工程涉及地层主要有第四系全新统坡残积粉质黏土，冲、洪积细圆砾土，卵石土；泥盆系中统大枫沟组及公馆组灰岩、千枚岩、千枚岩夹灰岩、灰岩夹千枚岩；志留系下统梅子垭组千枚岩，含泥炭质片岩夹云母片岩、片岩。此外，局部有长英质岩脉及岩株侵入。本区经历了多次构造变动，岩层不同程度发生变质。地层接触关系如图1所示，各地层物性及力学参数见表1和表2。

图1 杜家山特长隧道地层

表1 杜家山特长隧道各类岩组的物性参数统计

表2 隧道各岩性物理力学指标统计

2.4 地质构造

受本区构造影响，隧道区褶皱构造和断裂构造相对发育，隧道洞身穿越4个褶皱构造，其中两个向斜构造、两个背斜构造。

杜家山隧道穿越断裂总共10条(854 m)，占隧道群全长的8.07%，其中洞身穿越主要断裂7条(累计长度834 m)，洞身穿越3条一般断层(累计长度20 m)，对隧道有较大影响。

隧址区地表基岩露头节理较发育-发育，全隧道岩体受2～3组节理切割、控制，其中正洞洞身发育两组近似平行洞轴节理，为不良节理，影响范围2 892 m/2段，占隧道全长的27.33%。麻坪河横洞发育一组近似平行洞轴节理，为不良节理，贯穿整个横洞，对隧道围岩影响较大，岩体完整性较差。

2.5 不良地质

(1)岩溶

隧道灰岩区属弱岩溶化岩层，溶洞密度小、个体小，隧道区岩溶的发育多与构造破碎带关系密切。岩溶裂隙水主要接受大气降水和地表水补给，富水性好，断层及构造发育区岩溶突水的可能性很大。

(2)高地应力条件下硬质岩岩爆和软质岩变形

最大水平主应力值为10.31～27.33 MPa，最小水平主应力值为8.31～16.83 MPa，隧道最大埋深约773 m，隧道通过硬质岩长度约2 936 m，占隧道总长的27.74%，隧道通过软质岩长度约6 756 m，占隧道总长的63.84%，在高地应力条件下易发生硬质岩的岩爆和软质岩的大变形问题。

(3)边坡稳定性

工点区域麻坪河、二郎沟内第四系覆盖层较厚，分布有较多滑坡、错落，多为堆积层滑坡、错落，不良地质体物质主要为碎石土及粉质黏土，规模较大。隧道进口及出口岩体节理、裂隙较发育，岩体较破碎，风化层厚约10 m，边坡稳定性差。丁家河横洞进口为云母片岩和炭质片岩，岩体节理、裂隙发育，岩体完整性、层间结合差，风化层厚，边坡稳定性差。麻坪河横洞及丁家河斜井进口岩体节理、裂隙较发育，岩体较破碎，风化层厚约16 m，边坡稳定性差。目前对隧道洞身无影响，但施工不当会对洞口和施工便道造成一定影响。

(4)偏帮及掉块

全隧道岩体受2～3组节理切割、控制，其中正洞洞身发育两组近似平行洞轴节理，为不良节理，影响范围2 892 m/2段，占隧道全长的27.33%。麻坪河横洞发育一组近似平行洞轴节理，为不良节理，贯穿整个横洞，对隧道围岩影响较大，岩体完整性较差，易偏帮、掉块。

(5)有害气体

隧道洞身在穿越志留系下统含泥炭质片岩夹云母片岩，襄渝二线财神庙隧道通过同组地层时，有低浓度H2S、瓦斯等有毒有害气体逸出。施工中应提前按规定采取合理的安全措施，加强有毒有害气体监测，消除可能出现的安全风险。

3 水文地质条件

根据隧道通过区的地层岩性、地质构造特征，并结合含水岩组的不同，地下水分为第四系孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水三大类。基岩裂隙水又可细分为六个含水岩组，而发育于岩溶中的岩溶水，水量不稳定，随季节变化大，对施工影响大。

根据水文地质调查、地表泉水流量大小、岩性和构造及水文地质计算，将隧道部位地下富水性分为强富水、中等富水、弱富水三个区(其中中等富水分为2个亚区)。

隧道通过强富水区3 000 m/2段，占总隧道总长的28.35%；通过中等富水区5 169 m/3段，占总隧道的48.84%；通过弱富水区2 413 m/2段，占总隧道的22.8%。

采用降水入渗法计算和地下水动力学法计算隧道涌水量预测结果：正常涌水量为40 487 m3/d，最大涌水量为120 096 m3/d。麻坪河横洞涌水量预测结果：正常涌水量为11 829 m3/d，最大涌水量为35 487 m3/d。丁家河横洞涌水量预测结果：正常涌水量为4 772 m3/d，最大涌水量为14 316 m3/d。丁家河斜井涌水量预测结果：正常涌水量为636 m3/d，最大涌水量为1 907 m3/d。

4 工程地质条件复杂程度分级及评价

4.1 隧道地质复杂程度分级

根据对隧道工程地质、水文地质条件的综合分析[10]，预测隧道施工中可能会出现岩爆、大变形、突涌水(泥)、围岩失稳、放射性异常、有害气体及不良节理等地质灾害：洞身穿越断层破碎带10条及影响带(进出断层20个部位)，高-极高地应力段1段，褶曲带4段，岩溶发育段、泥炭质片岩夹云母片岩带1段，物探异常带10段，可溶岩与非可溶岩接触带、隧道进出口和洞身河沟浅埋段3处及不良节理影响带3段等高风险部位，地质复杂等级见表3。

表3 杜家山特长隧道地质复杂程度分级

4.2 隧道工程地质条件评价

杜家山特长隧道全长10 582 m，穿越秦岭南麓低中山区，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层岩性软硬不均，地下水丰富，隧道埋深大，施工中可能存在突然涌水(泥)、坍塌、冒顶、高地应力条件下的岩爆及软岩变形、岩溶及有害气体逸出等地质问题，隧道不确定因素多，工程难度大。

隧道洞身两端为志留系下统梅子垭组千枚岩、含泥炭质石英片岩、云母片岩、云母石英片岩，中部岩性为泥盆系中统公馆组和大枫沟组千枚岩、千枚岩夹灰岩、灰岩、灰岩夹千枚岩等。其中梅子垭组云母石英片岩，公馆组和大枫沟组灰岩、灰岩夹千枚岩，含钙质、石英质较多的千枚岩以及岩株、岩脉状长英岩属硬质岩，隧道通过硬质岩长度约2 936 m，约占隧道总长的27.74%；梅子垭组云母片岩、含泥炭质石英片岩、千枚岩、大枫沟组绢云母千枚岩属软质岩，隧道通过软质岩长度约6 756 m，约占隧道总长的63.84%；洞身通过10条断层，断层破碎带以断层泥砾、挤压片岩、挤压千枚岩、压碎岩等极软岩为主，长度约为890 m，占隧道总长的8.41%。

隧址区经历多期构造作用，褶皱、断裂构造极为发育，隧道穿越的重要断层有7条，一般断层有3条(累计通过断带长度为854 m)，大型褶皱4个。通过主要断裂有：F12宋家垭断层(280 m)、F13-2麻坪河断裂(24 m)、F13-4界岭村断层(100 m)、F13-12纸房沟断层(60 m)、F13杜家山断层(90 m)、F13-18丁家河断层(235 m)、F13-19东镇断层(45 m)，推测在DK222+000附近穿越界岭村斜卧背斜核部，在DK223+280附近穿越纸房沟斜卧向斜核部，在DK224+660附近穿越二郎沟斜卧背斜核部，在DK226+000附近穿越丁家河斜卧向斜核部。

隧道洞身通过两段强富水带(总长3.55 km，约占隧道总长33.54%)、2段中等富水带(总长5.319 km，约占隧道总长50.26%)、2段弱富水带(总长1.767 km，约占隧道总长16.7%)。

隧道洞身在DK227+260～DK228+150(890 m)段通过含泥炭质片岩夹云母片岩带。

隧道洞身在DK220+340～DK224+470(4 130 m)段埋深350～773 m，存在高-极高地应力。

隧道在断层破碎带、可溶岩与非可溶岩接触带、褶皱带核部、含泥炭质片岩带工程地质条件较差，容易产生突然涌水、坍塌、冒顶、变形量过大等地质问题；隧道在软质岩区及软硬岩交互段可能出现坍塌、掉块及局部段落的围岩变形量过大等地质问题；硬质岩区一般岩体较完整，但受多组节理、裂隙切割，存在掉块、高地应力下的岩爆以及强富水性问题；隧道在含泥炭质片岩可能出现低浓度H2S、瓦斯等有毒有害气体逸出；该隧道还存在岩溶等地质问题。综合评价：隧道地质条件一般，局部段落较差。

5 结束语

杜家山特长隧道地质条件复杂，为高风险隧道，施工中应加强超前地质预报工作，以地质编录为基础，TSP为先导，发现异常段落时增加地质雷达及红外探水进行确认。对岩溶发育区及确认的异常段落进行超前钻探，各种手段相互验证，进一步查清工作面前方的地质条件，分析施工中可能存在的地质问题，并提出工程措施建议，降低地质灾害发生的机率和危害程度。

对于易发生塌方和大变形等断层破碎带、褶皱核部及浅埋段等地段，应加强衬砌支护及防排水措施，减少对围岩的影响，保证围岩的稳定性。

[1] 铁建设[2008]105号铁路隧道超前地质预报技术指南[S]

[2] 铁建设[2007]200号铁路隧道风险评估与管理暂行规定[S]

[3] TB10012—2007 J124—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[4] TB10027—2012J1407—2012 铁路工程不良地质勘察规程[S]

[5] TB10049—2004J339—2004 铁路工程水文地质勘察规程[S]

[6] TB10013—2010 铁路工程物理勘探规范[S]

[7] TB10014—2012 铁路工程地质钻探规程[S]

[8] TB10038—2012J1408—2012 铁路工程特殊岩土勘察规程[S]

[9] 张雄锋.五指山隧道综合勘察手段的应用[J].铁道勘察,2013(2)

[10]钟有信，耿伟，胡斌.象山特长铁路隧道重大风险评估及控制[J].铁道勘察,2012(4)

AnalysisandevaluationofDuJiaShanTunnelEngineeringGeologicalConditions