温州雁荡山地区铁路隧道施工地质问题探讨

聂信辉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引 言

浙江温州乐清市雁荡山地区铁路客运专线和货运专线两个项目分布有雁荡山隧道等总长约为28 km的十一座双线客专隧道，以及乌石岭隧道等总长约为6.4 km的八座单线货运隧道。隧道群分布于雁荡山核心景区（世界地质公园）至中雁荡山风景区东侧边缘的低山丘陵火山岩山体中，南北分布范围约60 km。

客专隧道和货运隧道均历时约三年完成施工，各隧道施工总体保持了平稳安全的状态。各隧道在穿越山体地形、岩石地层等存在一定差异，围岩稳定、施工工况表现出较为丰富的多样性。本文对本地区岩层成因、岩体结构、围岩形态进行阐述，结合隧道施工中出现的典型的围岩稳定工况分析，提出优化隧道设计、施工和管理的建议。

2 区域地质特性

2.1 地质构造

雁荡山破火山是中国燕山地质运动中岩浆大爆发的一个典型代表。在中生代时期，太平洋板块向亚洲大陆板块低角度斜向俯冲，地处中国东南沿海的雁荡山白垩纪破火山，即在这一具有全球意义的构造背景下形成。该岩带以酸性岩浆的爆发占主导地位，大面积的火山碎屑流堆积，包括未熔结、熔结凝灰岩，其岩浆爆发的体积约48万km3。三期破火山活动，造就了雁荡山享誉中外的奇秀名山。从工程地质来说，地质公园内岩体抬升、剥蚀、切割，导致火山根部天然裸露成多方位立体断面模型，其产物涵盖了不同岩相的岩石，包括地面涌流堆积、火山碎屑流堆积、空落堆积、基底涌流堆积和流纹质熔岩等，岩石地层单元、岩相剖面、岩石结构均十分典型。工程区先后经历了四期喷发，自下而上形成四个岩石地层单元。最后一期火山喷发后又有岩浆侵入，构成一个侵入单元［1－4］。

距今三千多万年前至二千多万年前，雁荡山沉没在海中，岩体受到海水的侵蚀。以后又遭到多次海水进退侵蚀作用，岩体又进一步剥蚀风化。层层叠置的巨型流纹岩经过一亿多年的地质作用，形成了锐峰叠嶂穹岩巨谷的地质奇观。从工程地质来看，区域岩层呈现强度高、整体性较好的总体特性，以及局部存在岩体破碎、堆积层厚薄不一、侵蚀风化严重的地质现象。

2.2 地层岩性

（1）凝灰岩，是火山碎屑岩的细分，其组成的火山碎屑物质有50%以上的颗粒直径小于2 mm，成分主要为火山灰，在火山喷发中凝（熔）结而成。依碎屑物粒径大小可进一步划分为粗火山灰、细火山灰和火山尘三种。在酸性岩浆喷发时，主要成分一般是玻屑和火山灰，岩屑和晶屑居次要地位；在中基性岩浆喷发中，岩屑和晶屑数量相对增加。凝灰岩有些由成分单一的火山灰厚积而成，有些系酸性岩涌流成因，称为流纹质凝灰岩。

（2）熔结凝灰岩，是雁荡山地区广泛分布的主要地层岩体，其在第一、第三、第四岩石地层单元中普遍发育，也是隧道工程穿越的主要岩层。其成因是火山作用时，刚性和塑性物质构成的炽热火山碎屑流，在重力流动和负荷压力的共同作用下，在沿地表流动（或地下涌流）、堆积过程中，使得火山碎屑物质彼此熔结成岩。其碎屑物质包括火山作用中熔岩被粉碎而形成的炽热的熔浆碎屑和玻屑、火山尘、熔浆晶屑，以及灼热的刚性岩屑。形成的结构构造为熔结凝灰结构、熔结角砾结构和假流纹构造。熔结凝灰岩因熔结凝灰结构，岩石命名为“熔结凝灰岩”。由于成因差异，熔结凝灰岩通常细分为流纹质熔结凝灰岩、流纹质玻屑熔结凝灰岩等。

（3）流纹岩，喷溢相火山岩是形成雁荡山景区观赏岩体的主体。火山作用时，岩浆从火山通道中比较平静溢流和侵出，使岩体具有显著的流纹构造而命名。喷溢的流纹岩，由于内部流动和冷却条件的差异，其上部、中部和下部岩石的结构和岩石类型有明显的区别。岩流单元的上部，流纹构造比较发育；球泡流纹岩一般发育在流动单元中上部或中下部，含角砾流纹岩（流纹不规则）一般发育在岩流单元的下部。

（4）花岗斑岩，在雁荡山附近山体，侵入岩大多以岩株、岩脉形式出现，岩基地表裸露情况较少。岩性以酸性、中性为主，正、斜长石矿物成分含量高，属浅层岩，岩石命名为花岗斑岩，地勘报告命名为二长花岗斑岩。隧道穿越山体，经常会遇到岩浆侵入岩的情况。

3 场区隧道围岩特征

3.1 岩体结构面及其影响

对于围岩强度较高的隧道，通常情况下围岩稳定可以认为主要受到结构面、风化程度和相对开挖断面空间位置影响［5－7］。雁荡山地区的火山岩岩体整体性较好，岩体强度较高。表1以熔结凝灰岩为例，说明围岩结构面的主要形态及其影响。

表1 熔结凝灰岩结构面及其影响

3.2 隧道穿越场区地层形态及围岩稳定

工程区总体属低山丘陵地区，最高山峰约700 m，滨海平原地面标高约5.0 m，隧道线路高程一般为25 m左右。因此，隧道以穿越500 m以下的低山为主，少部分穿越500～700 m的中低山。按隧道埋置深度和穿越地层分类，围岩拱部自稳状况见表2。

表2 隧道穿越地层围岩自稳状况

3.3 隧道围岩等级分布统计

按隧道设计规范对隧道进行围岩分级［8－10］。隧道Ⅴ级围岩主要位于进出口浅埋段、冲沟浅埋段、断裂破碎带；Ⅳ级围岩主要位于Ⅴ级围岩的过渡段和浅埋段；Ⅱ、Ⅲ级围岩位于正常深埋的山体岩层中。Ⅱ、Ⅲ级围岩占总长的52.5%。由于货运隧道以中短隧道为主，进出口浅埋段相应围岩级别较低，所占比例偏高。以其中三条中长隧道的围岩长度分布进行统计，Ⅱ、Ⅲ级围岩占总长的70.0%，与客运隧道的围岩级别分布基本相同。地质勘探资料和现场掘进情况显示，场区围岩状况总体较好。场区中长隧道的构造带总长度约占总长的2.0%。

4 影响场区围岩稳定的重点因素

（1）场区浅层土

雁荡山地区山体石峰耸立、植被茂盛，山体表层土总体不发育，局部受地质作用影响，存在一定厚度的堆积层。根据地质纵断面和现场施工情况，山体表层土大多小于2 m，对隧道进出洞影响不大。但是，在大型山坳冲沟处、山体崩塌发育的坡脚区，局部地层的堆积土厚达十余米。因堆积土地层往往地下水也发育，围岩地层的稳定性很差，隧道施工须引起特别重视。

（2）地下水作用

场区属亚热带季风气候区，雨水充沛。地下水受地形及雨水补给影响较大，通常发育于冲沟汇水区、地质构造岩石破碎带区域。地质勘察报告和隧道掘进显示，中等富水区出现情况不多，地下水水压不高，最大涌水量小于200 m3/d。浅埋隧道围岩稳定受地下水影响较大，对深埋隧道影响不大。

（3）风化和海水侵蚀作用

在通常情况下，岩体受风化侵蚀作用有限，弱风化层基岩埋深较浅。但是，在货运铁路五重山隧道穿越丘陵山包时，深埋29 m围岩出现全风化的情况；客专雪岭隧道和附近的货运隧道，均出现隧底以下10余米处出现全风化土层的情况。这种超深、超强风化土对围岩稳定影响很大。出现这种情况的原因可以理解为两处地层系崩石堆积所致。因堆积地层结构松散，其分布深度又处于海蚀和风化交替作用的不利位置，受风化和海水侵蚀作用比较强烈，导致岩块完全侵蚀软化。

5 隧道施工围岩不稳定工况及分析

（1）全风化围岩拱顶塌方

围岩拱顶塌方是隧道施工非常严重的工程事故，可能造成重大的损失［11－12］。场区隧道施工极少发生塌方情况，仅在五重山隧道进口段发生一次塌方。隧道塌方处埋深29 m，位于丘陵山包顶部小平台处，土体湿润，塌方处围岩呈全风化“土夹石”状态。塌方发生在掘进掌子面处。掘进爆破约5 h后，从边墙开始出现小掉快，进而变形发展；约10 h后出现拱部塌方，形成宽约4.5 m、长约3.5 m、高约5 m的塌腔，塌方体积约50多立方。塌方系围岩土体塑性变形、剪切破坏。

塌方的基本原因是围岩松散、自稳性差，初支不及时。但是，在围岩和施工工况相近的情况下，为何塌方在此循环发生，而不是在之前的开挖循环中发生？分析认为，塌方循环位于山顶平台处，地层自重压力最大，边墙风化土在应力水平较高的地层压力作用下塑性变形发展，导致拱部土体失稳，形成拱部塌方。

（2）拱部掉块

根据不完整统计，发生掉块情况约为20余次，掉块发生概率约为0.2%，属于小概率事件。拱部掉块体积均小于10 m3，通常与爆破同时发生。除浅埋因素，发生围岩掉块与围岩软硬、结构面发育程度、埋深、开挖断面尺寸等因素关系不大。换言之，发生掉块与围岩结构面不利组合有关，是不利结构面组合的概率结果。

图1为货运铁路某隧道拱部掉块发生现场。掉块发生在Ⅴ级强风化凝灰岩围岩中，拱顶埋深约14 m，掉块体系岩层顶板位于拱顶中央，可以明显看出不利的结构面组合关系。

（3）围岩整体失稳

围岩整体失稳导致隧道不能正常掘进，对隧道施工会造成极大的危害，这种情况在场区隧道施工中很少见。2005年，在客运专线雪岭隧道进洞掘进时，因拱部初支下沉量过大（约20 cm），导致进洞受阻，采用地基加固等措施后，才艰难掘进进洞。

分析原因，除了洞身围岩坡积土不稳定，偏压地层使支护结构受力状态差，主要原因是隧底软化。除了如前所述的落石遭海水侵蚀风化成黏土，地基承载力较低，还因地下水发育，加之施工扰动，导致隧底地基承载力进一步降低，致使发生围岩整体失稳。另外，拱架支护刚度不足，施工进洞方案考虑欠周全，以及处置措施等也存在一定问题。

6 结论与建议

（1）雁荡山地区隧道围岩岩石坚硬，岩体多成块状结构，工程地质条件较好，隧道施工病害较小，施工中发生的问题主要以拱顶掉块为主。但在隧道进出口、浅埋地段，特别是风化层深厚地段，隧道施工易发生拱顶塌方冒顶；加之围岩压力过大，隧底软化，地基承载力不足，易导致围岩整体变形下沉。设计及施工中应采取针对性的预防措施。

（2）根据区域围岩掉块通常由不利结构组合下发生的特点，隧道系统锚杆打设应根据施工揭示的地质情况，尤其是结构面特征进行动态优化。在Ⅱ、Ⅲ级围岩地层，当施工揭示无不利结构面或组合时，系统锚杆可以优化；在围岩不利结构面比较确定情况下，应针对性地打设锚杆，以稳固岩体。对于Ⅳ、Ⅴ级围岩来说，开挖后有暂时稳定性，在拱架跟进支护的条件下，设计采用的系统锚杆也可以进行优化。对于浅埋的土石堆积Ⅴ级围岩地层来说，通常在超前支护和开挖后拱架支护下施工，拱架的锁脚锚杆必要时应予加强。

（3）《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）对隧道围岩判别提出了定量指标，在围岩基本分级的基础上提出了围岩的亚分级。其中Ⅴ级围岩设Ⅴa、Ⅴb、Ⅴc三个亚级，Ⅳ级围岩设Ⅳa、Ⅳb二个亚级。从现场实施情况看，设置围岩亚级，使现场根据围岩及稳定情况更有针对性地选择支护措施。对于设计来说，在施工图设计文件中，系统全面地阐述场区的地质历史、岩层成因、岩体结构、地层命名，细化明确围岩分级标准，对工程技术人员加深围岩性质的理解及指导施工十分必要。