宜萬鐵路堡鎮(zhèn)地區(qū)工程地質(zhì)勘察

曾強(qiáng)運(yùn)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 地質(zhì)背景

堡鎮(zhèn)地區(qū)處于構(gòu)造剝蝕、侵蝕中山區(qū)，山高坡陡、溝谷縱橫、植被發(fā)育、灌木雜草叢生，山嶺和溝谷呈NWW向延展，榔坪河南岸為溶蝕山谷組成的巖溶地貌，北岸為碎屑巖組成的尖棱狀山脊。區(qū)內(nèi)海拔高度800～1 646m，相對(duì)高差300～800m。

測(cè)區(qū)位于東西向長陽背斜北翼，以榔坪河為界，北岸出露志留系碎屑巖，南岸為寒武、奧陶系碳酸鹽巖，山系、斜坡走向以及線路走向皆與構(gòu)造線方向一致。臺(tái)原區(qū)為東西向?qū)捑徟_(tái)地，并構(gòu)成了巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)，斜坡地帶為巖溶地下水徑流區(qū)，榔坪河為巖溶水的排泄區(qū)。水動(dòng)力模式為:面狀補(bǔ)給→橫向徑流→縱向受阻匯聚→管道流順巖層走向運(yùn)移。奧陶系中上統(tǒng)的泥質(zhì)灰?guī)r和志留系碎屑巖為阻水層，一方面阻止了巖溶地下水向北的運(yùn)移，同時(shí)又將南部巖溶臺(tái)原的地下水在該阻水層的南側(cè)富集，順巖層走向巖溶和巖溶管道發(fā)育。圖1為堡鎮(zhèn)地區(qū)區(qū)域地質(zhì)略圖。

圖1 堡鎮(zhèn)地區(qū)區(qū)域地質(zhì)略圖

2 綜合地質(zhì)勘察方法

針對(duì)堡鎮(zhèn)地區(qū)的工程地質(zhì)勘察，集成了工程地質(zhì)遙感、大面積工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查、帶狀地質(zhì)調(diào)繪、深(淺)孔鉆探及綜合測(cè)試試驗(yàn)、施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、地應(yīng)力原位測(cè)試試驗(yàn)、地層圍巖變形監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)等多種勘察方法，并采用常規(guī)勘察階段與加深地質(zhì)、施工地質(zhì)勘察階段相結(jié)合的多階段綜合地質(zhì)勘察，基本查明了堡鎮(zhèn)地區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

在勘察期間，對(duì)堡鎮(zhèn)地區(qū)進(jìn)行了踏勘、加深地質(zhì)、初測(cè)、定測(cè)、補(bǔ)充定測(cè)等多個(gè)階段的綜合地質(zhì)勘察。在充分搜集、分析研究既有資料的基礎(chǔ)上，以遙感判譯先行，以大面積工程地質(zhì)測(cè)繪和大面積水文地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，以淺孔、深孔鉆探為勘探手段，并進(jìn)行了針對(duì)性的孔內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)(地應(yīng)力測(cè)試、地溫測(cè)試、水文試驗(yàn)、綜合測(cè)井等)以及大量的土、石水樣測(cè)試試驗(yàn)工作。

在施工地質(zhì)期間，對(duì)堡鎮(zhèn)隧道進(jìn)行了工作面地質(zhì)素描、煤系地層瓦斯監(jiān)測(cè)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，特別是針對(duì)“高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形”技術(shù)難題進(jìn)行了專題攻關(guān)研究，進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試試驗(yàn)、地應(yīng)力原位測(cè)試試驗(yàn)、地層圍巖變形監(jiān)控量測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)以及地質(zhì)綜合分析等一系列施工地質(zhì)工作。

3 工程地質(zhì)選線

測(cè)區(qū)在構(gòu)造上隸屬于長陽背斜北翼，其東部發(fā)育有仙女山區(qū)域性大斷裂，構(gòu)造極其復(fù)雜。測(cè)區(qū)處于寒武、奧陶系灰?guī)r和志留系碎屑巖相結(jié)合部位。榔坪河南岸灰?guī)r區(qū)位于巖溶地下水排泄區(qū)，巖溶發(fā)育，巖溶地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育有多條暗河系統(tǒng)和巖溶大泉，顯示“背斜匯水分散排泄型”巖溶水系統(tǒng)特征，巖溶水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，隧道在此范圍內(nèi)通過時(shí)與主要富水帶、暗河、縱向巖溶管道系統(tǒng)平行，極易遭遇大型巖溶涌水、突泥災(zāi)害，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)極高。北岸為碎屑巖區(qū)，地形條件陡峻，順層滑坡群發(fā)育。

經(jīng)綜合比選后，采用了繞避碳酸鹽巖的北岸碎屑巖隧道方案，避開了南岸巖溶、巖溶水發(fā)育區(qū)，從源頭上規(guī)避了可能發(fā)生的大規(guī)模突水、突泥等重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，使隧道的地質(zhì)條件得到了明顯改善;并采用長隧道方案，成功規(guī)避了順層滑坡群。

堡鎮(zhèn)隧道置于碎屑巖地段后，部分地段富集裂隙水，主要存在高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形地質(zhì)問題。相對(duì)于巖溶巖溶水的不確定性、突發(fā)性及災(zāi)害性而言，軟弱圍巖大變形問題施工中可控，降低了施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。圖2為堡鎮(zhèn)隧道區(qū)域巖溶水文地質(zhì)剖面示意。

圖2 堡鎮(zhèn)隧道區(qū)域巖溶水文地質(zhì)剖面示意

4 軟弱圍巖高地應(yīng)力大變形勘察

4.1 圍巖物理特征勘察

通過帶狀地質(zhì)調(diào)查、淺孔及深孔勘探、水石土樣試驗(yàn)，包括巖樣磨片、抗壓、軟化等綜合地質(zhì)勘察測(cè)試試驗(yàn)，確定堡鎮(zhèn)隧道圍巖的物理特征。

(1)圍巖軟弱、破碎

洞身主要位于志留系下統(tǒng)的粉砂質(zhì)、砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)頁巖地層，僅局部位于奧陶系泥灰?guī)r夾頁巖地層，層間多夾有軟弱泥質(zhì)夾層，巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般為6.5～13.1 MPa，軟化系數(shù)為0.31～0.42。部分富水炭質(zhì)頁巖地段巖芯呈破碎，遇水呈泥狀，取樣困難，所取得的最低抗壓強(qiáng)度為1.04 MPa;富水砂質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度一般為3.9～9.1 MPa。

發(fā)育有多組節(jié)理，一般地段發(fā)育2～3組，局部地段發(fā)育4～5組，節(jié)理密集，圍巖破碎，多呈角礫碎塊狀。

(2)圍巖順層偏壓

堡鎮(zhèn)隧道屬典型的順層偏壓隧道。隧道處于長陽背斜構(gòu)造的北翼，地層走向 NWW，傾向 NW350°～NE25°，傾角一般為35°～55°，隧道軸線基本平行于巖層走向，隧道洞身左側(cè)邊墻巖體順層，洞壁易產(chǎn)生順層滑動(dòng)位移變形。

(3)裂隙水發(fā)育

隧道進(jìn)、出口及局部淺埋段地表發(fā)育多條沖溝，由于巖體破碎，使得隧道局部部位裂隙水較發(fā)育，受裂隙水的影響，洞身圍巖的穩(wěn)定性大大降低。根據(jù)降雨入滲法，預(yù)測(cè)隧道正常涌水量為4 634m3/d，最大涌水量為20 422m3/d。

4.2 高地應(yīng)力勘察

通過深孔地應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)及地應(yīng)力原位測(cè)試試驗(yàn)、圍巖變形監(jiān)控量測(cè)資料反演分析等，確定隧道區(qū)高地應(yīng)力的特點(diǎn)。

隧道實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力約為16 MPa，隧道橫斷面內(nèi)的最大初始應(yīng)力約為14.75 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹57°W －N67°W 之間，與隧道軸線夾角30°～40°，圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比為0.07～0.6，屬極高應(yīng)力區(qū)。

地應(yīng)力狀況受巖體結(jié)構(gòu)完整程度影響顯著，隧道區(qū)地應(yīng)力無論是量值還是方向變化幅度都比較大，地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，具有明顯的不均勻性。

5 結(jié)束語

工程地質(zhì)選線是規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)的源頭，對(duì)復(fù)雜山區(qū)線路方案的選擇需在多階段、多方法綜合地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程地質(zhì)選線，經(jīng)綜合分析比選后，選擇施工風(fēng)險(xiǎn)最小的線位方案通過，最大程度地規(guī)避施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

軟弱圍巖高地應(yīng)力大變形隧道除常規(guī)勘察階段外，還需加強(qiáng)施工地質(zhì)勘察工作，如圍巖物性特征、高地應(yīng)力特點(diǎn)及變形特征等的相關(guān)勘察及分析工作。

［1］何華武，曾強(qiáng)運(yùn)．復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)地質(zhì)勘察及選線技術(shù)［J］．中國工程科學(xué)，2009(12)

［2］顧湘生，曹柏樹，等．堡鎮(zhèn)隧道地質(zhì)勘察報(bào)告［R］．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院，2004

［3］曹柏樹，劉坡拉，等．堡鎮(zhèn)隧道匯報(bào)材料［Z］．恩施:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院，2007

［4］顧湘生，劉坡拉，等．宜萬鐵路深埋巖溶隧道地質(zhì)勘察綜合技術(shù)［Z］．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院，2011