某不整合接觸帶地質特征及隧道工程實例分析

麥 騏，閆常赫，白雪飛

(1.鄭州中興工程監理有限公司海南分公司，?？?570125;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

不整合接觸是地殼淺層一種常見的地質現象，其形成通常是區域性地殼運動、海(或湖)平面升降或局部構造的結果，在地殼發育史、地殼變形機制研究中有著重要的意義。目前主要是在探礦、油氣田勘探領域研究較深入。在工程地質領域尚未引起人們的重視，近年來隨著交通、水力等公共設施建設的發展，不少工程穿越地殼不整合接觸地帶，隨著工程施工中一些地質事故的出現，工程地質勘察人員逐漸意識到不整合接觸帶的存在及其重要性，并開始重視對不整合接觸帶的研究和勘探。

地殼不整合接觸帶的研究有重要的意義，受不整合接觸面控制的礦種主要為金礦和鈾礦，其次是銅、鉛、鋁等。在沉積盆地中，不整合面可作為重要的成礦通道，目前世界上很多含油氣盆地中發現一系列與不整合面相關的油氣田。在工程地質領域，由于不整合接觸帶受時間變量、空間變量和幾何變量控制，多存在古風化層、古土壤以及變質巖產物，在后期沉積壓實過程中其工程地質性質有所改善變化，但多數情況下其物理力學性質較差，引起工程地質條件惡化，對各種工程施工帶來不利影響，重視并加強對不整合接觸帶的研究和勘探顯得十分迫切。

1 不整合接觸帶地質特征

1.1 不整合接觸帶基本特征

不整合接觸是巖層接觸關系的一類，主要由于地殼運動，往往使沉積中斷，形成時代不相連續的巖層，這種巖層接觸關系稱為不整合接觸。不整合接觸“面”由上、下巖層及其間的接觸界面構成，該上、下巖層的接觸界面就是一般意義的“不整合面”。不整合“面”在空間上具有3層結構，即不整合面之上的巖石、不整合面之下的風化黏土層以及風化黏土層之下的半風化巖層。不整合面上下兩套地層的巖性和巖相差異截然，兩者之間往往有一個較平整或起伏不平的古侵蝕面，這個面上可能保存著古風化殼、古土壤層或鋁土礦等。不整合接觸具有以下共同特點。

(1)有明顯的侵蝕面存在。侵蝕面上往往有底礫巖、古風化殼等。

(2)有明顯的巖層缺失現象，代表長期間斷。

(3)不整合面上下的巖性、古生物等有顯著的差異。

由于不整合接觸帶地質成因的特殊性、復雜性，不整合接觸帶往往存在古土壤、古風化層、古巖溶或是變質產物，局部還存有軟土，工程地質條件較差。但是由于地表覆蓋有厚沉積物，故侵蝕面分布規律難以探明，給工程勘察設計施工帶來了系列問題。

1.2 不整合接觸類型

根據文獻［1］的觀點，將不整合面劃分為非整合、不整合、假整合和準整合。文獻［6］從層序地層學的觀點，根據反射終止與不整合面的關系將不整合劃分為侵蝕型和沉積型兩類。楊勇等［7］根據構造和沉積的雙重控制原則將不整合進一步細化分為削截不整合、褶曲不整合、底辟不整合、震積不整合、古巖溶不整合、超覆不整合、假整合等7種類型。筆者根據成因及巖性特征，以及對工程建設的影響將不整合分為侵入型和沉積型，如圖1所示。

由于不整合接觸受侵入、沉積、構造多方面控制，各類型不整合接觸關系具有共生性，各類沉積型不整合接觸關系沒有明顯的界限。

1.3 長治地區石炭系底部不整合接觸結構

圖1 不整合基礎類型劃分

長治地區位于山西省東南部，為太行山、太岳山環繞，通稱“沁潞高原”，又稱“上黨盆地”。境內山地、丘陵、盆地縱橫交錯。其中壺關一帶位于太行山構造帶的邊緣，南為壺關構造盆地，北側為晉獲斷褶皺帶，緊鄰長治大斷裂，褶皺多現，構造跡象復雜。區域地層巖性主要為第四系(Q)黃土、石炭系上統太原組(C3t)砂巖夾頁巖，石炭系中統本溪組(C2b)鋁土質泥巖，奧陶系峰峰組(O2f)灰巖。其中石炭系中統本溪組(C2b)鋁土質泥巖直接覆蓋在奧陶系峰峰組(O2f)灰巖剝蝕面上，其間缺失了奧陶系馬家溝組之上及志留系、泥盆系和下石炭統的一系列地層，為一典型的不整合接觸帶。其中石炭系中統本溪組地層產狀與奧陶系峰峰組一致，反應了該位置的沉積經歷了下降、沉積-上升、沉積間斷、遭受剝蝕-下降、再沉積的過程，因此判斷該位置為一平行不整合接觸。

某不整合接觸位置地質平面如圖2所示，根據區域調查結果，該位置地勢較高位置出露奧陶系峰峰組灰巖，巖體較完整，地勢低洼位置表層覆蓋有黃土，下伏基巖為石炭系本溪組鋁土質頁巖、奧陶系峰峰組灰巖，石炭系與奧陶系巖層產狀一致。

圖2 某不整合接觸位置地質平面

根據隧道實際開挖揭示和推測的Ⅰ—Ⅰ'和Ⅱ—Ⅱ'的剖面如圖3所示，石炭系本溪組和奧陶系呈平行不整合接觸，不整合接觸面無明顯規律，受初始地表影響比較嚴重，根據Ⅰ—Ⅰ'剖面推測該位置在石炭系之前發育一灰巖沖溝，后地殼下降沉積石炭系鋁土質泥巖，在接觸面發育有古土壤和全～強風化灰巖，巖體破碎，多呈“土夾石”狀。

2 隧道工程地質特點

2.1 不整合接觸帶的圍巖情況

某隧道沿Ⅰ—Ⅰ'剖面走向，在經過古沖溝時隧道洞身走行于石炭系本溪組鋁土質泥巖與奧陶系灰巖的不整合接觸面。隧道實際開挖揭示，掌子面上部為石炭系本溪組鋁質泥巖、頁巖，淺灰色、黃綠色，含水率約16%，巖質較軟，手捏易碎，局部夾薄層砂巖。下部為全～強風化狀態奧陶系灰巖，風化裂隙發育，黃土充填，巖體破碎，多呈土夾石狀，根據產狀推測該風化層厚度最厚可達30 m以上。泥巖與灰巖之間夾有一層古土壤，呈褐黃色，黏土礦物為主，夾少量灰巖礫石，其間夾多條黃綠色高嶺石化條帶，含水率15% ～17%。隧道開挖后拱頂變形明顯，受復雜地質因素影響，掌子面工程地質條件差，易產生坍塌。掌子面圍巖情況如圖4所示。

圖3 地質剖面

圖4 通過不整合接觸帶隧道掌子面圍巖情況

2.2 初支方案

根據上述圍巖特征，巖體結構松散，局部易坍塌，設計采用如下初支護方案:系統錨桿長度3.5 m，間距1 m，噴射厚度23 cmC25混凝土，鋪設20 cm×20 cm鋼筋網，I20型鋼間距0.75 m。為預防坍塌，加設超前支護，4 m超前小導管，間距0.4 m。

根據圍巖特點施工采用三臺階開挖，三臺階開挖順序為上臺階→中臺階→下臺階，開挖步距為上臺階與中臺階為2～3 m，中臺階與下臺階為3～5 m。隧道開挖后及時用5 cm厚C25噴射混凝土封閉掌子面。

3 隧道變形情況

初支完成后對敏感點進行監控測量，根據測量數據，拱頂下沉量偏大。如圖5所示，拱頂總下沉量可達110 mm以上，沉降收斂趨勢明顯，在12 d之后，拱頂下沉趨于穩定。拱頂沉降變形速率隨時間變化如圖6所示，隧道拱頂初期沉降速率可達24 mm/d，之后沉降速率迅速減小，至第7天時已趨于0，第8天拱頂沉降速率突然增加，之后區域穩定。根據工序調查，第8天為中臺階開挖時間，可以推測，中下臺階開挖對拱頂下沉變形有很大的影響。

圖5 拱頂沉降變形曲線

圖6 拱頂沉降速率隨時間變化的關系

4 結語

不整合接觸帶由于形成原因受復雜的地質作用控制，接觸帶巖層軟弱、破碎，工程地質條件差，本文在文獻調查的基礎上，結合隧道實際開挖揭示的不整合接觸帶的工程地質特征和接觸面變化規律，分析了某隧道的支護變形情況。根據隧道實際開挖揭示的圍巖情況，得出當以隧道形式通過不整合接觸帶時，隧道圍巖級別需降低并加強支護，避免出現坍塌事故和圍巖大變形情況。

［1］ 陳發景，張光亞.不整合分析及其陸相盆地構造研究中的意義［J］.現代地質，2004，18(3).

［2］ 張立新.古風化殼的特征及工程實例［J］.鐵道勘察，2008(5).

［3］ 何登發.不整合面的結構與油氣聚集［J］.石油勘探與開發，2007(4).

［4］ 尹微，陳昭年，等.不整合類型及油氣地質意義［J］.新疆石油地質，2006，27(2).

［5］ 程日輝，林暢松，劉景彥.盆地研究中不整合成因分析［J］.世界地質，1998(3).

［6］ Brown L F Jr，Fisher W L.AAPG Continuing Education Course，Note Series(16):Seismic stratigraphic interpretation andpetroleum exploration［M］.Tulsa:AAPG，1979.

［7］ 楊勇，查明，洪太元，等.不整合分類研究進展與新型分類方案［J］.地層學雜志，2007(7).