复杂地质条件对隧道路线比选的影响分析

祝塘 李剑 李文军

摘要 贵州属于中国西南部高原山区典型地貌，山区因地形起伏大，公路的建设须穿越长大山脉，出现了大量的长大深埋隧道，特别是在复杂的地质条件下，隧道对高速公路路线方案有时起决定性作用，直接影响工程投资。基于国家高速公路—成都至遵义（贵州境）—仁怀至遵义段石笋沟特长隧道线位选择实例，报告了石笋沟特长隧道区域的地层岩性、地质构造、不良地质及水文地质，提出复杂地质对隧道的影响，分析了隧道的线路比选，为类似工程提供借鉴。

关键词 隧道;地质构造;不良地质;水文地质;线路比选

中图分类号 U212.23 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0053-03

0 引言

贵州山区地形起伏大，高速公路因线位方案的选择，不同线位须穿越高山峡谷，以大跨径桥梁和深埋长大隧道的形式通过，对控制性工程应做多种线位方案对比，充分考虑线位的地形、地质及水文条件，尽量绕避大型不良地质体区域。同时充分考虑环境保护的影响，尽量避免大面积开挖和回填，降低边坡高度，力争把对自然环境的破坏降至最小。因此，高速公路在复杂的地质条件下进行比选具有重要的意義。

1 项目概况

项目起点位于仁怀苍龙—赵家湾，终点位于忠庄—桃溪，与现有的兰海高速T形交叉。石笋沟特长隧道位于仁怀市东北部约10 km，隧道区域沿盘山乡村通道下穿铺设，交通条件较好。隧道区进出口地质条件较好，但隧道顶部发育有多处大型岩溶洼地，地质条件较差，因此，拟定了两条线为K线、A3线在隧道洞身段进行比较。

K线和A3线隧道：均为分幅式隧道，全长5 330～5 349 m，最大埋深521 m。

2 场区工程地质条件

2.1 地形地貌

项目区地处云贵高原东北部，位于遵义市北西面，受溶蚀～剥蚀影响，属中等切割的侵蚀～溶蚀中山地貌和溶蚀槽谷及溶蚀峰丛相间地貌[1]。场区地面标高介于1 004.1～1 632.8 m，相对高差约628.7 m。

隧道穿越仁怀市奶子山，山体总体走向为南北向，进口位于陡坡上，植被发育，主要为林地。出口位于陡坡上，植被不发育，主要为灌木丛、农用耕地及稻田，轴线地表高程在1 078.0～1 624.0 m之间，相对高差546.0 m。

2.2 地层岩性

隧址区出露的地层自上而下分布为：

2.2.1 第四系（Q）

（1）坡洪积层（Q4pl+dl）：厚度0～3 m。为卵石土、圆砾等。零星分布于河谷、沟谷及谷地底部。

（2）残坡积层（Q4el+dl）：厚度0～5 m。为含中密细角砾的红黏土，局部偶夹碎石，零星分布于隧道区域地势低洼地带。在溶沟、溶槽、洼地区域内集中分布，厚度相对较大。

2.2.2 奥陶系（O）

（1）十字铺组、宝塔组（O2s+b）：厚度30～63 m。以深灰色、灰白色薄至中厚层状灰岩和白云岩为主，局部偶夹薄层状泥质粉砂岩。位于线路左侧，隧道未穿越该地层。

（2）湄潭组（O1m）：厚度50～360 m。薄至中厚层状黄绿色页岩为主，中部夹灰岩，上部夹粉砂岩。呈带状分布在隧址区出口段。

（3）桐梓组、红花园组（O1t+h）：厚度162～493 m。以深灰色薄至中厚层状白云岩质灰岩为主，中部夹泥质，顶部为灰岩。呈带状分布至隧址区洞身段。

2.2.3 寒武系（∈）

娄山关群（∈2-3ls）：厚度639～1 060 m。为灰白色和浅灰色刀砍状的薄至厚层状白云岩。该地层占整个隧道区域地层的65%，分布在进口至洞身段。

2.3 地质构造

隧址区属扬子准台地—黔北台隆—遵义断拱—毕节北东向构造变形区[1]。地质构造分布有褶皱和断裂，有一条褶皱背斜和三条压扭性断裂通过。褶皱因断裂构造的影响，其展布方向和断裂构造方向基本一致。

2.3.1 褶皱—中枢背斜

位于隧道进口前约1 km，背斜轴部沿北东32°方向延展，受鲁班断层的影响，向斜两冀不对称，北西冀陡斜，南东冀缓斜，背斜核部地层为（∈2-3ls）白云岩，两翼由O1、O2-3、灰岩、白云质灰岩、页岩、泥岩。

2.3.2 断裂

（1）鲁班断层。为压扭性断裂，位于茅台向斜以东，线位通过区为南北走向，长度大于40 km，倾角在60～78°，断层两盘地层为（∈2-3ls）白云岩及O1、O2-3灰岩、白云质灰岩、页岩、泥岩。距隧道进口约799 m。

（2）三羊坪断层。为压扭性断裂，南北走向，长度约8 km，倾向北西，倾角70°，两侧主要为寒武系、奥陶系地层，与其相平行的有洞门断裂。位于隧道洞身段，穿越A3线隧道，未到K线隧道。

（3）洞门断层。为压扭性断裂，南北走向，长度约17 km，倾向北西，倾角75°～83°，两侧主要为寒武系、奥陶系地层。断层两侧地表岩溶较发育，穿越A3线及K线隧道。

2.4 不良地质

经综合勘察，场区不良地质为岩溶，隧址区岩溶较发育，主要表现为地表岩溶及隐伏溶洞[2]。

2.4.1 地表调查结果显示

隧址区岩溶较发育，岩溶发育规律为至南向北发育，岩溶洼地、落水洞集中在A3线走廊带及其附近，对A3线隧道影响较大。地表岩溶对A3线隧道有影响的为Y2、Y3、Y4、Y8、Y9、Y11、Y12、Y13，对K线隧道有影响的为Y7、Y8。

2.4.2 物探测试成果显示

（1）高密度电法测试：位于隧道进出口，测试成果，仅局部有低阻异常，为岩体节理裂隙发育，岩体破碎，位于隧道洞顶上方约30～45 m处，对隧道无影响，（2）大地电磁EH4：共布置3条测线，其中一条为沿隧道轴线贯通的DC1测线，另外两条均为A3线与K线之间Y8岩溶洼地的洞身段横测线。

①贯通隧道DC1测线：测试成果，有3处低阻异常，分别位于隧道洞身段ZK12+549～ZK12+871（YK12+564～

YK12+871）、ZK13+051～ZK13+305（YK13+028～YK13+280）段为岩体节理裂隙发育，岩溶发育破碎带，YK13+355附近为断层，均对隧道影响较小。

②洞身段横测线DC2、DC3：测试成果，低阻异常带均在A3线隧道顶部，为岩体裂隙发育，岩溶发育破碎带，而K线隧道岩体连续完整。

3 场区水文地质特征

3.1 地下水类型

隧道区内岩性分布主要为碳酸盐岩可溶岩，次为碎屑岩，根据隧道区域的地层岩性、岩体层位的组合特征、地下水赋存条件和埋藏深度、地下水水理性质和水力特征，将区内地下水的类型划分为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水，场区以碳酸盐岩岩溶水为主[1]。

3.2 含水岩组富水特征

3.2.1 碳酸盐岩岩溶水

碳酸盐岩岩溶水依据含水介质的组合、地下水的水动力特征，将碳酸盐岩岩溶水细分为碳酸鹽岩溶隙水和溶洞水两个亚类。

（1）碳酸盐岩裂隙—溶隙水。该岩溶水亚类在场区主要赋存于白云岩∈2-3ls中，岩溶发育程度为强发育，岩体节理裂隙发育，纵横交织，呈网状，岩体较破碎。含水介质以网状交织溶蚀裂隙为主，出露的泉水流量一般2.2～3.3 l/s，最大达10.4 l/s，可富水性极强，出露的泉点的如S10（8.7～9.5 l/s）、S6（3～5 l/s）、S7（2～3 l/s）、S5（1～2 l/s）。钻孔揭露的地下水稳定水位埋藏较深，地下水水力坡度较大。

（2）碳酸盐岩溶洞—溶洞水。该岩溶水亚类在场区主要赋存于P1m、S1l+s、O1t+h、O1m、和O2+3白云质灰岩及灰岩地层中，灰岩层控性好，但夹泥岩。含水层富水性不均匀，含水介质以小溶洞为主，水量较为丰富，富水性强，常见的如S11（2～3 l/s）、S12（5～8 l/s）。地下水以带状和条状分布，多在隧道出口段的酸草河一带出露，钻孔揭露的地下水稳定水位埋藏较深，地下水水力坡度较大。

3.2.2 基岩裂隙水

该含水岩组赋存于砂岩和泥岩中，该地层局部偶夹灰岩，但灰岩夹层较薄，泉水分布少，且流量小，一般0.3～0.5 l/s，可富水性弱～中等。地下水运移延展较差，多呈近源分散排泄。

3.2.3 第四系松散层孔隙水

第四系松散层孔隙水主要赋存于覆盖层内，集中在山间洼地和宽缓斜坡下部的沟谷边缘地带，富水性差，受降雨影响较大，水量贫乏，对隧道影响较小。

3.3 地下水的补给、径流、排泄特征

3.3.1 地下水补给

（1）地下水补给源。隧道区内地形起伏大，周边河流均位于隧道设计标高之下，因此，大气降水为场区地下水的主要补给源，且隧道区域内岩性以白云岩和白云质灰岩为主，均为可溶岩，地表发育的溶蚀洼地、落水洞较多，岩溶发育程度为较发育，透水性极高，为大气降水垂向补给创造了有利的条件。

（2）补给形式。就该区而言，因场地为可溶岩区域，且地表岩溶较为发育，大气降水渗入含水层的通道，根据岩溶的发育程度，可将场区划分为裂隙系统和落水洞系统两类，其补给方式，对应为分散和集中补给[3]。

1）分散补给。由各地质历史时期不同序次构造运动所形成的裂隙，通过后期地下水的溶蚀、侵蚀而在岩体内形成的网状裂隙系统及溶孔等，是大气降水渗入含水层的主要通道，由于其具有平面分布广、分散的特点，大气降水补给时，含水层是以分散渗入的形式对地下水进行补给。

2）集中补给。分布在场区岩溶发育程度极发育的区域及地质构造发育的区域，特别在两条断层之间，是由地表岩溶洼地及落水洞组合形成的导水系统通道，直接灌入地下补给地下水，其特点是集中和迅速，且流量大。

3.3.2 地下水径流及排泄特征

大气降水为场区地下水的主要补给源，补给形式为通过地表形成的岩溶洼地、落水洞下渗注入，由于场区地层产状较缓，地下水补给路径较长，因此，山体周围泉点全年径流，仅枯水期流量有所减小。地下水接受补给后，少量产生上层滞水，大部份以潜水形式赋存于碳酸盐岩、碎屑岩地层中。

场地地下水因受到溶蚀及构造影响，大气降水经地表渗入基岩裂隙及岩溶裂隙后，由高向低径流，在隧道进出口及隧道右侧山体低洼处的溪沟或沟谷部位排泄。

3.4 地下水动态和埋藏深度

地下水动态变化较多样，与地下水类型和赋存状态有关。受降雨补给影响，区内基岩裂隙水多呈突变交接，分布范围和集水有限，地下水变化具季节性，水流量变

幅大，枯季水量明显变小。碳酸盐岩岩溶水一般具统一流场，补给途径较长，储存条件较好，岩溶泉充水较均匀，变幅相对较小。

根据施工钻孔实测的稳定水位显示，隧道进口段CK1、CK2地下水稳定水位为1 111.6～1 116.3 m，洞身段CK4地下水稳定水位为1 294.1 m，洞身段CK5及出口段CK6、CK7、CK8均未见水位。隧道设计标高在1 078～1 118 m，隧道基本位于地下水位以下。

4 线路方案比选建议

4.1 线路方案比选原则

隧址选线就是从充分利用自然环境条件，规避建设风险和减轻地质灾害方面，选取一条技术方案上可行，经济上合理，同时又能符合使用要求的隧道位置及线路，使建设工程发挥最佳整体效应。

为此，该次工作的选线原则确定为：

（1）场区大部为可溶岩，在岩溶发育区，尽量选择岩溶发育比较微弱的地段。

（2）尽可能避让地质构造薄弱带。

（3）尽可能避开水文地质条件复杂区域[4]。

4.2 线路方案比选

拟建隧道共布置2条线位走廊带，主要比选位于隧道洞身段岩溶发育区（三羊坪断层～洞门断层之间），A3线位于K线左侧（如图1）。

4.2.1 岩溶发育区

经综合勘察：隧址区岩溶发育规律整体为至南向北发育，岩溶洼地、落水洞集中在A3线走廊带及其附近，对A3线隧道影响较大。地表岩溶对A3线隧道有影响的为Y2、Y3、Y4、Y8、Y9、Y11、Y12、Y13，对K线隧道有影响的为Y7、Y8;经综合对比，K线优越A3线，建议推荐K线。

4.2.2 断层构造带

A3线穿越三羊坪断层F1及洞门断层F2，K线仅穿越洞门断层F2，两条断层均为压裂性断层，断层影响破碎带宽度约10～20 m，受地质构造的影响，断层影响带区域岩体破碎，隧道施工中，易產生因地质构造影响的施工风险，如坍塌和突泥突水等的危害。经综合对比，K线优越A3线，建议推荐K线。

4.2.3 水文地质复杂区域

大气降水为场区地下水的主要补给源，A3线及K线均位于场区地下水径流区，但A3线地表岩溶洼地、落水洞较K线发育，隧道施工中发生涌水、突泥甚至冒顶等危害的风险性比K线高，经综合对比，K线优越A3线，建议推荐K线。

通过对隧道的工程地质分析和评价，经综合对比，K线优越A3线，建议推荐K线。

5 结语

随着高速公路建设质量的不断提高，交通行业得到迅速发展。但山区公路的地形与地质条件日益复杂，各种高速公路控制性的构建筑物，特别是大跨径桥梁和长大深埋隧道，在线位选择中，应从工程规模、工程地质条件、水文地质条件、环境影响、安全隐患、工程造价、施工工期、施工工艺等多方面综合考虑。

参考文献

[1]化建新， 郑建国， 张继文， 等. 工程地质手册（第五版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2018.

[2]公路工程地质勘察规范： JTG C20—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[3]杨秀芬. 岩溶水文地质及对工程的影响[J]. 科技传播， 2013（16）： 122-123.

[4]毕焕军. 黔张常铁路岩溶区水文地质选线研究[J]. 铁道工程学报， 2018（2）： 11-13+28.