雅鲁藏布江盆因拉隧道主要工程地质问题

2014-12-31王喜华赵志明尹建勋

四川地质学报 2014年3期

王喜华，赵志明，尹建勋，黄秦

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031；

3.中铁二十一局集团公司，兰州 730000）

雅鲁藏布江峡谷段某铁路是国家 “十一五”规划和《中长期铁路网规划》的重要项目之一。线路东起青藏铁路终点拉萨站，出站后向南沿拉萨河而下，经堆龙德庆县、曲水县后，折向西溯雅鲁藏布江而上，穿越长度近90km的雅鲁藏布江峡谷区，经尼木、仁布县后抵达藏西南重镇日喀则。铁路全长253km，投资108亿元，设拉萨南、曲水、尼木、吉琼、日喀则等13个站，设计标准等级为国家I级铁路，工期4年，全线为单线，预留电气化条件，列车运行时速不低于120km，年货运量可达830万吨以上。

盆因拉隧道为该铁路的关键性控制工程之一（图1）。隧道穿越雅鲁藏布江左侧中高山，全长10 410m，洞身山体高程范围为3 750～4 990m，最大埋深1 080m。除进口段104.38m位于R-5 000m曲线上之外，其余段落均位于直线上。洞内坡度依次为5‰、9‰、7‰、-3‰。全隧道共设一个斜井，三个横洞。

图1 铁路走向图及盆因拉深埋隧道位置示意图

图2 盆因拉隧道所经F4-4和F4-5断层示意图

1 隧址区地质环境

1.1 地形地貌

隧道进口位于泽朗曲右岸冲洪积台地，地形陡峻，基岩裸露，有危岩落石分布，进口端沟谷为一泥石流沟。洞身通过雅鲁藏布江北岸中高山区，地形起伏极大，地势极为陡峻，整体上西高东低，山体周边冲沟发育，V型冲沟较多，沟两侧坡面较陡，沟内小型泥石流发育。出口位于雅鲁藏布江左岸至宗嘎村后的山坡处，地形相对较缓，为第四系松散堆积层所覆盖。

1.2 地层岩性

隧道通过区主要出露的地层为燕山期闪长岩，局部地表覆盖第四系全新统0～3m的粗、细角砾土，山体坡脚地表多为坡积碎石土和粗、细角砾土，出口段分布有第四系全新统坡积粗角砾土。另外，构造岩主要分布在洞段 F4-4断层和F4-5断层的破碎带和影响带中，主要由碎裂岩、断层角砾组成，局部夹少量断层泥砾，扁平状、次棱角状-次圆状碎块，且从断裂带中心向两侧随距离的增大，形成碎粉结构-碎裂结构-原岩的递变现象。

1.3 地质构造

线路走行于冈底斯-念青唐古拉板块（南缘）、喜马拉雅板块（北缘）和两者之间的雅鲁藏布江缝合带，呈近东西向展布。这些构造单元直接控制着本区沉积建造、火山建造、岩浆活动、变质作用及褶皱和断裂构造活动。所在地区新构造运动较活跃。印度板块在新生代早期（渐新世-中新世）完成了雅鲁藏布江缝合带的拼合后，仍在向北运动，使得该区仍存在整体抬升、掀斜和差异性的上升运动。隧道经过较大的断裂构造为F4-4断层和F4-5断层（图2）。

1.3.1 断层

F4-4断层为正断层，断层走向呈近南北向，倾向东，倾角约 75°～85°，断层破碎带宽约 90m；F4-5断层为逆断层，断层走向呈近南北向，倾向东，倾角约60°～70°，断层破碎带宽约160m。两条断层破碎带均主要由碎裂岩、断层角砾组成，局部夹少量断层泥砾，扁平状、次棱角状－次圆状碎块，且从断裂带中心向两侧随距离的增大，形成碎粉结构-碎裂结构-原岩的递变现象。断层上下盘均为燕山期闪长岩。

1.3.2 节理

测区内岩体受构造影响较严重，岩体节理裂隙较发育，野外地质调查中，沿雅鲁藏布江边对整个隧道洞身进行了调查，共计做了23个观测点，并对该隧道的节理裂隙情况进行了统计，主要为NE、NW向及近SN、EW向节理，多为共轭节理。

1.4 地震动参数

根据国家质量技术监督局颁布的《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）的划分，结合2008年5.12地震后《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）国家标准第1号修改单（自2008年6月11日起执行），考虑《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）及《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）的有关规定，结合工点区的工程地质与水文地质条件，地震动峰值加速度为0.20g，相当于基本烈度八度，地震动反应谱特征周期0.45s。

1.5 水文地质

该区属雅鲁藏布江水系，隧道区地下水类型为基岩裂隙水，基岩裂隙水主要以浅部风化裂隙网状水与深部构造裂隙脉状水的形式存在。地下水的补给主要依赖于大气降水、冰雪融水的补给，由于隧道围岩裂隙发育，有利于地下水的补给。地下水径流主要受地形条件的控制，进、出口端地下水流向冲沟，就整个隧道区而言地下水流向自北向南，其排泄形式在冲沟内多为下降泉，雅鲁藏布江河床为该区地下水排泄的基准面。

2 勘测技术与手段

针对盆因拉隧道的特点，在勘测过程中运用了国内外先进的勘探设备与技术。

2.1 隧道超前地质预报

盆因拉隧道地质条件较复杂，埋深较大且洞身穿越两条断层破碎带，施工中进行超前地质预报工作。

2.1.1 超前地质预报的主要方法

根据盆因拉隧道的工程地质和水文地质特征，并结合国内其它特长隧道超前地质预报的经验，盆因拉隧道采用以洞内地质编录为主，并与物探超前地质预报（TSP202、TSP203、地质雷达等）和超前水平钻探相结合的综合地质超前预报的方法。

对地质条件较简单的地段，以洞内地质编录为主，根据对洞内地层岩性、地质构造、岩体节理裂隙的发育情况、地下水的发育情况等，分析围岩的稳定情况，并据此预报掌子面前方围岩的工程地质条件、水文地质条件；对地质条件比较复杂的地段，如长大节理密集带、物探异常段、次级断层、富水段等，在洞内地质编录的基础上，采用物探超前地质预报方法（TSP202、TSP203、地质雷达、红外探水等），对隧道掌子面前方的地质条件进行预报；对地质条件特别复杂的地段，如区域性断层、突涌水段等，在洞内地质编录的基础上，先进行物探超前地质预报，必要时采用超前水平钻探进行超前地质预报。

2.1.2 超前地质预报的主要内容

1）地质编录。由专业地质人员对隧道及辅助坑道的工程地质、水文地质特征进行详细的地质编录，根据掌子面的地质特征（地层岩性、节理裂隙发育情况、地下水发育情况等），并结合勘察设计地质资料，对掌子面前方的地质情况进行预测，并提出工程措施意见。

2）物探超前地质预报。对地质条件复杂地段，如断层、地下水发育的突涌水段等，在地质编录的基础上，进行物探超前地质预报，一般地段以TSP202、TSP203为主；地质条件复杂地段，要采用两种以上的方法（TSP203、地质雷达等）进行预报，以便资料的对比分析，提高预报的质量和精度。

3）超前水平钻探。对规模较大的区域性断层、物探超前预报的异常段（可能的断裂带及突涌水段），在地质编录和物探超前预报的基础上，通过超前水平钻探进一步确定断层的位置、破碎带的宽度、富水情况等。

2.1.3 超前地质预报的重点及工作量

1）地质编录。对隧道及所有辅助坑道进行地质编录，总计：13 945m。

2）物探超前地质预报。隧道及各辅助坑道通过的断层、地层分界线、长大节理密集带、物探异常段、突涌水段等，进行物探超前地质预报，TSP法：88次，正线隧道：64次；辅助坑道24次；地质雷达法：21次，均为正线隧道。

3）超前水平钻探。隧道通过的主要区域性断层、突涌水段等，根据物探超前预报的结果，必要时采用超前水平钻探进行超前地质预报，超前水平钻探的位置应根据物探超前地质预报的结果并结合施工揭示的地质情况，经综合分析后确定，总计：450m。

2.2 水压致裂法地应力测试

水压致裂法地应力测试工作在盆因拉隧道地应力钻孔内进行。该测试孔布置在盆因拉隧道钻孔岩芯较完整部位处，孔内岩芯为闪长岩，全孔岩芯较完整，局部略显破碎。钻孔部位山顶的高程约 4340m，孔口高程约3790m，测孔部位埋深约550m，孔深30m。测试结果见表1所示，其中σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力，σz为测点上覆岩石的自重计算值，λ为最大水平主应力方向的侧压系数（σH/σz）。测试时的水位在孔口，孔口上覆岩体按550m计算，岩石容重取为27.0kN/m3。现场地应力测试共成功获得3个测段压裂资料和相应的围岩压裂印模资料。

根据地应力测试结果知，σH为 24.7～27.4MPa，平均为25.6MPa；σh为 14.6～15.4MPa，平均为 14.9MPa；σz平均为15.5MPa。本隧道岩石的饱和抗压强度Rc在72.4～96.8MPa之间，Rc/σmax的最小数值为2.64。应力水平属于极高应力水平，且地应力场以水平应力为主导。测试部位最大水平主应力方向为N35°E，与峡谷区地应力重分布的一般规律所得出的结论是接近的，即以北北东向的挤压为主（计算数据去除了3倍隧道直径应力释放区的数据）。

表1 水压致裂法地应力测试结果

2.3 涌水量预测

采用降水入渗法和地下径流模数法对隧道涌水量的预测，预测公式如下：

根据计算得到隧道涌水量如表2。预测结果：大气降水入渗法计算值偏小，采用地下径流模数法计算值。故该隧道的正常涌水量为10 110.9m3/d（单位正常涌水量 970.8m3/d.km），最大涌水量为30 332.7m3/d。

表2 隧道涌水量预测

3 工程地质问题评价

隧道工程影响范围内的主要不良地质有泥石流、突涌水（泥）、危岩落石、围岩失稳和高地应力。

3.1 泥石流

隧址范围内在洞身沟谷内，由于松散堆积层较厚，沟内纵坡较陡，季节性降水集中，沟谷内均不同程度存在泥石流问题，但由于隧道多为深埋，最大埋深1 080m，泥石流对隧道正线工程无影响，仅对隧道斜井、横洞的选择有一定影响，本次隧道的斜井、横洞位置均避开了泥石流。因此，泥石流对工程影响有限。

3.2 突、涌水（泥）

结合区域资料综合分析，围岩的富水程度为弱富水，但隧道洞身通过F4-4断层、F4-5断层，断带附近岩体节理、裂隙发育，基岩裂隙水、构造裂隙水较发育，主要富存于断层带、长大节理密集带及部分隧道浅埋地段中，结合以往隧道涌水经验分析，突（集中）涌水段水量约为隧道最大涌水量的70%～80%。

3.3 危岩落石和围岩失稳

由于本区地处高原，昼夜温差大，物理风化作用强烈，雅鲁藏布江峡谷区山体陡峻，多为闪长岩体，岩质性脆，受地质构造影响严重，节理裂隙发育，多处高陡临空面，局部呈现“凹”槽状凌空突出，在强烈物理风化作用下，导致表层岩体破碎，裂隙张开，边坡稳定性很差，多分布有危岩，在风化、降雨及自重应力、地震等因素的作用下，危岩与母岩分离而产生崩塌、落石，在坡脚形成岩堆。隧道进口存在危岩、落石，施工前需采取清除、主被动防护结合等综合防治措施，以保证施工、运营的安全。

隧道洞身通过F4-4断层、F4-5断层两个断层，局部受构造影响，存在长大节理密集带，岩体破碎，节理发育，局部含水，施工中可能会出现坍塌、变形等围岩失稳现象。另外，在隧道出口段由于第四系全新统坡积层较厚，且埋深浅，施工中可能会出现坍塌、冒顶、变形等围岩失稳现象。

3.4 高地应力

根据地应力实测成果分析，峡谷区最大主应力方向为N35°E，和隧道轴向近于垂直，最大水平主应力为24.7～27.4MPa，且隧道最大埋深达1080m，岩体较完整，岩质坚硬，因此，局部地段可能存在高地应力条件下的岩爆问题。

采用 Barton判据对盆因拉隧道进行岩爆预测。Barton判据为岩石的单轴抗压强度 Rc与最大地应力σH的比值，以此比值作为预测岩爆的判据，其判据式为：

预测结果见表3所示，结果表明在该隧道埋深处围岩有轻微-中等岩爆的可能性。

4 结论

表3 Barton判据（Rc /σH）岩爆预测结果

根据工程地质条件和预测得出以下结论：

1）隧道进口为泥石流沟谷，施工时应考虑适当防洪措施。隧道出口第四系覆盖层较厚，且隧道出口下方为居民区，施工中应对坡面加固后进洞以确保施工安全和行人的安全。隧道洞口施工应避开雨季，洞口排水系统应在雨季前完成。

2）隧道洞身通过F4-4和F4-5断层地段，产生突、涌水（泥）的可能性较大，施工中要加强支护，必要时进行超前预注浆加固，确保施工安全。

3）隧道进口、1号斜井、2号横洞、3号横洞洞口均存在危岩、落石，施工前需采取清除、主被动结合等综合处理措施。另外，隧道洞身主要通过燕山期闪长岩，岩体坚硬，节理较发育，局部发育节理密集带，施工中易发生掉块及坍塌，施工中加强支护，并做好防排水措施。

4）该隧道洞身段属于极高地应力区，最大水平主应力为 24.7～27.4MPa，最小水平主应力为 14.6～15.4MPa，最大水平主应力方位总体为近N35°E向。经Barton判据预测，得出该隧道具有轻微-中等岩爆的可能性，在施工中应采取积极主动的预防措施和强有力的施工支护，确保岩爆地段的施工安全，将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低。

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