華南某山區(qū)鐵路隧道工程地質(zhì)條件淺析

武　君

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

1　概述

該隧道位于廣東省西部山區(qū)，隧道總長5.4 km，為深埋隧道，最大埋深465 m。

該隧道位于中低山區(qū)，溝谷發(fā)育，地形起伏大，植被茂密，山坡自然坡度20°～50°，坡面多種植杉樹及桉樹，進出口部分地段已開墾為果園，最大相對高差502 m。

本區(qū)屬亞熱帶半濕潤氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，陽光充足，雨量充沛，4～9月降水集中。據(jù)云浮市氣象資料：年平均氣溫21.5 ℃，極端最高氣溫39.1 ℃，極端最低氣溫-1.3 ℃，年平均降水量1 598 mm，年最大降水量2 138.8 mm，年最小降水量881 mm，年平均蒸發(fā)量1 442.4 mm，年最大蒸發(fā)量1 685.8 mm。年平均風(fēng)速1.2 m/s(主導(dǎo)風(fēng)向NE10°)，最大定時風(fēng)速17.3 m/s，最大瞬時風(fēng)速23.3 m/s；本區(qū)無霜凍期。

隧址區(qū)地震動峰值加速度采用0.05 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度。地震動反應(yīng)譜特征周期采用0.35 s。

2　工程地質(zhì)特征

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合鉆探揭示的巖性判斷，該隧道穿過的地層主要有第四系殘坡積層、石炭系下統(tǒng)頁巖，奧陶系中下統(tǒng)千枚巖、石英砂巖、頁巖和砂巖及燕山期花崗斑巖。

綜合物探解析，區(qū)域地質(zhì)資料，調(diào)繪資料及鉆探、試驗資料分析，本隧道穿過9條斷層，均為北東向。其中：F1為清水塘斷層、逆斷層，F(xiàn)2為佛子前斷層，F(xiàn)4為悅城斷層、正斷層，F(xiàn)9為都騎斷層、正斷層，F(xiàn)3、F5、F6、F7、F8為次生斷裂。該隧道總體構(gòu)造形跡以斷層為主，褶皺次之，如圖1所示。

圖1　隧道工程地質(zhì)示意

3　水文地質(zhì)特征

該地區(qū)雨量充沛，隧道洞身地表發(fā)育深切溝谷，多常年流水，并形成各種小瀑布，流量較大，雨季水量增加。據(jù)調(diào)查，洞身附近的溝谷出露泉水。

本隧道地下水主要接受大氣降水入滲補給、地表溝水入滲補給和基巖裂隙水側(cè)向補給，地下水的補給來源充足。隧道出口端分布多條北東向的斷層破碎帶及其影響帶、多條花崗斑巖侵入接觸帶，巖層較為破碎，裂隙發(fā)育，為地下水的富集及徑流提供了較好的空間和通道。斷層對地下水的賦存及徑流有明顯的控制作用；花崗斑巖侵入體具有一定的阻水作用，使地下水排泄不暢，水壓上升。從勘探資料分析，鉆孔內(nèi)地下水多具有承壓性。隧道洞身地段的地下水主要為基巖裂隙水，出口端多具承壓性。根據(jù)本區(qū)地下水質(zhì)分析，本隧道出口段內(nèi)的基巖裂隙水具H1級硫酸鹽侵蝕，其余地段地下水對混凝土無侵蝕性。

4　工程地質(zhì)條件分析

4.1　隧道進出口工程地質(zhì)條件分析

隧道進口巖性主要為粉質(zhì)黏土、全—強風(fēng)化頁巖，隧道出口巖性為硬塑狀粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化花崗斑巖；土層及全風(fēng)化層結(jié)構(gòu)松散，邊坡穩(wěn)定性差，在地表水作用下，邊坡易產(chǎn)生崩塌，施工過程中建議加強防排水及支護措施。

4.2　地應(yīng)力分析

通過位于隧道DK339+896左8 m、孔深423.20 m的深孔SSZ-8內(nèi)采用水壓致裂法進行的地應(yīng)力測試得出：①最大水平主應(yīng)力值為10.23～21.36 MPa，洞身附近的最大水平主應(yīng)力約為21 MPa；最小水平主應(yīng)力值為6.65～13.78 MPa，洞身附近的最小水平主應(yīng)力約為14 MPa；用上覆巖層容重(約為2.65 g/cm3)估算的垂直主應(yīng)力約為11 MPa。②洞身附近三向主應(yīng)力值的關(guān)系為SH>Sh>Sv，地應(yīng)力特征以構(gòu)造應(yīng)力作用為主，三向主應(yīng)力具有隨深度增加而增大的趨勢，這一結(jié)果反映的是鉆孔周邊的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)。③洞身附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為北西西向(N61°～72°W)，與隧洞軸線走向夾角較小，有利洞室圍巖的穩(wěn)定。

依據(jù)文獻[1]的判定標(biāo)準(zhǔn)，鉆孔處隧道洞身附近具有高—極高地應(yīng)力，隧道埋深大于350 m的地段DK339+220～DK340+440長1 200 m，亦存在高—極高地應(yīng)力的問題。但實測最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線方向夾角較小，最大水平主應(yīng)力對隧道的穩(wěn)定性影響較小，加之該隧道地下水較為發(fā)育，硬質(zhì)巖只存在發(fā)生輕微巖爆的可能，軟質(zhì)巖存在隧道斷面收斂變形嚴重及片幫的可能性。

4.3　隧道圍巖分析

根據(jù)隧道通過圍巖的埋深、巖性及其風(fēng)化程度、巖體完整程度、節(jié)理裂隙、構(gòu)造、地下水以及地應(yīng)力等情況，采用文獻[2]、[3]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將本隧道圍巖劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，如圖2所示。

圖2　隧道圍巖分級示意

根據(jù)隧道圍巖分級情況可知，本隧道以Ⅲ級圍巖為主，Ⅳ、Ⅴ級圍巖次之，各級圍巖所占比例如圖3所示。

圖3　隧道各級圍巖占比

4.4　隧道涌水量預(yù)測

根據(jù)隧道的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)情況，利用鉆孔水文實驗數(shù)據(jù)，分段對隧道進行涌水量計算，計算方法采用大氣降水入滲法和地下水動力學(xué)法[4]、[5]，計算得隧道涌水量分布情況(如圖4所示)。

圖4　隧道涌水量分布示意

采用大氣降水入滲法計算得隧道正常涌水量為5 238 m3/d、最大涌水量為10 476 m3/d；采用地下水動力學(xué)法計算得隧道正常涌水量為10 023 m3/d、最大涌水量為14 282 m3/d。綜合以上兩種計算方法，預(yù)測本隧道正常涌水量為10 023 m3/d，最大涌水量為14 282 m3/d。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、鉆探資料及區(qū)域資料綜合分析可知，隧道進口地段涌水量較小，地下水不發(fā)育；隧道出口地段，特別是溝谷淺埋地段，巖體破碎，受構(gòu)造影響，隧道開挖時突水可能性大。

4.5　隧道超前地質(zhì)預(yù)報的重點地段及內(nèi)容

本隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)文獻[6]進行超前地質(zhì)預(yù)報，采用方法為TSP、地質(zhì)素描、紅外探測、超前地質(zhì)鉆探等。本文根據(jù)隧道實際情況，劃分出以下5個超前地質(zhì)預(yù)報的重點段落：①DK338+120～DK338+250段穿過溝心下方部位，地下水發(fā)育，避免突水現(xiàn)象發(fā)生；②DK339+906～DK340+011段穿過斷層破碎帶及其影響帶，避免坍塌及突水；③DK340+011～DK340+111段穿過向斜核部，巖層平緩、節(jié)理發(fā)育，為儲水構(gòu)造，避免坍塌及突水現(xiàn)象發(fā)生；④DK340+341～DK340+446段穿過斷層破碎帶及其影響帶，圍巖較破碎，地下水發(fā)育，避免坍塌及突水現(xiàn)象發(fā)生；⑤DK340+700～DK342+787段穿過斷層破碎帶及其影響帶，侵入巖接觸帶、物探異常帶、富水段、淺埋及地表溝心段，圍巖破碎，地下水發(fā)育，避免坍塌及突水現(xiàn)象發(fā)生。其中斷層破碎帶、侵入巖接觸帶、DK340+940～DK341+200強富水段、DK342+140～DK342+400強富水段、DK342+600～DK342+720強富水段必須采用超前地質(zhì)鉆探預(yù)報，避免突水現(xiàn)象的發(fā)生。

5　結(jié)論

(1)隧道穿越的地層比較復(fù)雜：穿過沉積及變質(zhì)作用的砂巖、千枚巖，侵入活動形成的花崗斑巖。

(2)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，穿越北東向展布的斷層束，共穿過約9條斷層帶、4條侵入巖接觸帶，巖層受構(gòu)造影響強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，部分地段圍巖穩(wěn)定性差。

(3)地下水豐富，斷層破碎帶及侵入巖接觸帶裂隙的連通性較好，是地下水儲藏的空間及徑流的通道，特別是隧道出口段，鉆孔揭示有承壓水，水量較大，隧道施工中可能發(fā)生突水。

(4)隧道埋深大于350 m的地段長約1 200 m，存在高—極高地應(yīng)力問題，但隧道走向與最大水平主應(yīng)力方向近于平行，相當(dāng)程度地化解了地應(yīng)力對隧道的不利影響。

(5)設(shè)計及施工過程中應(yīng)重視隧道進出口的排水、支護等問題。

(6)本隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越多條斷層破碎帶、

侵入巖接觸帶、物探異常帶、淺埋溝谷段、富水帶等，巖體破碎，地下水豐富，設(shè)計及施工過程中必須重視超前地質(zhì)預(yù)報工作。

(7)本隧道地下水豐富，部分地段圍巖破碎，建議采取堵排結(jié)合的方案處理地下水，破碎地層中較大的地下水建議注漿固結(jié)封堵，完整地層中少量的水可排出隧道。

(8)施工時應(yīng)做好DK339+220～DK340+440段的地應(yīng)力監(jiān)測工作。

[1]中華人民共和國水利部.GB50218—94工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，1995

[2]鐵道第一勘察設(shè)計院.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[3]鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[4]鐵道第一勘察設(shè)計院.TB10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2004

[5]鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[6]中國中鐵隧道集團有限公司.鐵建設(shè)[2008]105號鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南[S].北京：中國鐵道出版社，2008