十堰至天水高速公路磨河村隧道工程地質條件分析

王濤，張海林

(山東省地礦工程勘察院，山東濟南 250014)

高速公路十堰至天水聯絡線陜西境鄂陜界至安康第K92+580～K126+621.908段主要位于安康市旬陽縣段河鎮至安康市漢賓區建民鎮，對促進和加強陜西南部地區交通聯系和經濟發展具有重要意義(圖1)。磨河村隧道主要位于安康市漢濱區張灘鎮關家鄉，該隧道略呈弧型展布，隧道分左、右線設計，隧道軸線走向約73°，左線隧道長3 909 m，最大埋深約484 m。右線隧道長3 978 m，最大埋深約453 m。隧道勘察過程中，綜合采用了工程地質調查與測繪、工程地質鉆探、工程物探、室內巖土試驗、水文地質調查等勘察手段和方法，查明了隧址區的地層巖性和地質構造特征，隧道進出洞口段坡體穩定性、隧道圍巖的工程地質特征及水文地質特征、斷層、巖溶等異常帶并確定其發育位置、規模等，提出了隧道圍巖的物理力學指標，對隧址區的工程地質問題進行全面評價，在此基礎上提出了隧道設計和施工中應注意的巖土工程問題及處理措施建議①山東省地礦工程勘察院，國家高速公路十堰至天水聯絡線陜西境鄂陜界至安康第EA-02合同段K1線磨河村隧道工程地質勘察說明書，2008年。［1］。

1 隧址區工程地質條件

1.1 地形地貌

圖1 十堰至天水高速公路聯絡線陜西境鄂陜界至安康第K92+580～K126+621.908段位置圖

隧址區屬中低山地貌，地形起伏較大。隧道范圍內中線高程482～996 m，最大高差約514 m。山體自然坡度30°～40°，植被較發育。進、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于穩定狀態。

1.2 水文地質條件

擬建隧道走廊內沖溝較多，進出口溝谷發育，雨季溝內地表水較發育，可形成短時較大洪流。隧址區地下水主要存在第四系松散層孔隙潛水和碎屑巖孔隙裂隙水2種類型，其中以孔隙裂隙水為主。

根據隧道鉆孔中所取水樣水質分析，隧址區地下水 pH 值為8.0，Cl-含量為 5.9 mg/L，SO含量為72.84 mg/L，HCO含量 261.37 mg/L，Mg2+含量24.45 mg/L，總礦化度 446.26 mg/L，水化學類型為HCO3·SO4-Ca，對混凝土無腐蝕性，對鋼筋具弱腐蝕性。

1.3 地層巖性

根據工程物探、鉆探和地質測繪，隧址區第四系厚度較薄，分布范圍較小，以粉質粘土混碎石為主。隧址區大面積裸漏基巖，巖性主要為志留紀斑鳩關組片巖、寒武-奧陶紀碳硅質板巖、片巖、千枚巖等，以軟巖和較軟巖為主。

1.4 地質構造與地震

根據調繪和區域資料，結合工程物探，隧址區內未見大的斷裂，存在一些小的破碎帶，對隧道圍巖分級、支護與襯砌方式、隧道涌水量等均有一定的影響。隧道進口附近存在破碎帶，裂隙較發育，巖體破碎，出露的巖層產狀為15°∠62°，主要發育有2組節理:125°∠48°，273°∠73°;隧道出口出露的巖層產狀為21°∠40°，主要發育有 3 組節理:133°∠38°，225°∠34°，290°∠83°。節理局部貫通性較好，裂隙為石英脈、泥質等充填。

根據 1∶400萬《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)和《國家高速公路十堰至天水聯絡線陜西境鄂陜界至安康公路工程場地地震安全性評價工作報告》，勘探區地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應譜特征周期為0.25 s，對應的地震基本烈度為7度。

2 隧址區工程地質特征

2.1 土體工程地質特征

根據調繪，隧址區零星分布第四系，厚度小。結構較松散，強度較低，抗沖刷能力較弱，作為隧道洞口仰坡土體，易產生沖刷變形破壞。在雨水浸潤、沖刷作用下、開挖受到擾動后易失穩，承載力基本容許值一般小于150 kPa。

2.2 巖體工程地質特征

2.2.1 志留紀斑鳩關組

強風化千枚巖:黃灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖石多呈碎塊狀混粘土狀，易碎，裂隙發育。承載力基本容許值400～450 kPa，摩阻力標準值100～140 kPa。

中風化千枚巖:黃灰—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖心多呈碎塊狀，柱狀，裂隙發育，易碎。承載力基本容許值800 kPa，摩阻力標準值190 kPa。

微風化千枚巖:黃灰—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖心多呈碎塊狀，柱狀，裂隙發育。承載力基本容許值1 000～1 200 kPa，摩阻力標準值220 kPa。

全風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖體多呈碎片狀混粘土狀，易碎，局部含石英巖脈，呈散體狀。承載力基本容許值260 kPa，摩阻力標準值70 kPa。

強風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖體多呈碎塊狀混粘土狀，易碎，裂隙發育。承載力基本容許值400～450 kPa，摩阻力標準值100 ～140 kPa。

中風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖心多呈碎塊狀，中長柱狀，裂隙發育，易碎，局部含石英巖脈。承載力基本容許值800 kPa，摩阻力標準值190～200 kPa。

微風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖心多呈碎塊狀，長柱狀，裂隙發育。承載力基本容許值1 000～1 200 kPa，摩阻力標準值200～220 kPa。

2.2.2 寒武-奧陶系

全風化片巖:褐灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖體多呈碎片狀混粘土狀，易碎，局部含石英巖脈，呈散體狀。承載力基本容許值260 kPa，摩阻力標準值60 kPa。

強風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖體多呈碎塊狀混粘土狀，易碎，局部含石英巖脈，裂隙發育。承載力基本容許值400～450 kPa，摩阻力標準值100～140 kPa。

中風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖心多呈碎塊狀、中長柱狀，裂隙發育，易碎，局部含石英巖脈。承載力基本容許值800 kPa，摩阻力標準值190 kPa。

微風化片巖:淺—深灰色，鱗片變晶結構，片狀構造，巖心多呈碎塊狀、長柱狀，裂隙發育，局部含石英巖脈。承載力基本容許值1 000～1 200 kPa，摩阻力標準值200～220 kPa。

2.3 隧道圍巖物理力學指標

根據隧道圍巖結構特征，隧道各級圍巖物理力學指標見表 1［2］。

表1 磨河村隧道主要設計參數建議值

3 隧道穩定性評價

隧址區巖性以千枚巖和片巖為主，屬軟巖和較軟巖，在地質測繪基礎上根據赤平極射投影圖對其穩定性進行分析評價［2］。

3.1 隧道進口穩定性評價

擬建磨河村隧道進口段左線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約 35°，坡向約 90°，隧道左線軸線與地形等高線小角度斜交，巖層產狀15°∠62°;右線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約40°，坡向約90°，隧道右線軸線與地形等高線小角度斜交，巖層產狀 15°∠62°。發育兩組裂隙，273°∠73°，125°∠48°，洞口主要地層主要為全—微風化片巖，發育破碎帶，巖體松散破碎，風化強烈。

隧道左線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向基本呈垂直相交，巖層傾角大于坡角，邊坡較穩定，與兩組結構面傾向相反，結構面形成的楔形體傾角大于45°，屬于較穩定結構邊坡。總體上隧道左線邊坡屬于較穩定邊坡。

隧道右線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向基本呈垂直相交，巖層傾角大于坡角，邊坡較穩定，與2組結構面傾向相反，結構面形成的楔形體傾角大于45°，屬于較穩定結構邊坡?？傮w上隧道右線邊坡屬于較穩定邊坡。

仰坡及兩側邊坡坡體全、強風化巖厚度較大，多呈散體結構或較破碎，自穩能力差;邊坡及仰坡開挖時，在無坡面防護或無超前支護措施、不恰當的爆破施工、坡比較陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產生大面積坍塌、碎落。

隧道進口端洞口邊坡坡面與結構面組合關系分析見圖2、圖3。

圖2 進口左線洞口坡面與結構面關系赤平投影圖

圖3 進口右線洞口坡面與結構面關系赤平投影圖

3.2 隧道出口穩定性評價

擬建隧道出口端洞口段左線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約30°，坡向約 210°，隧道軸線與地形等高線近小角度斜交，巖層產狀21°∠40°;右線隧道軸線方向約73°，洞口自然坡度約30°，坡向約220°，隧道軸線與地形等高線小角度斜交，巖層產狀21°∠40°。上部地層主要為全—中風化片巖，多呈散體狀，受斷裂帶影響，節理裂隙發育，巖體極破碎，主要發育有 3 組節理:133°∠38°，225°∠34°，290°∠83°。

隧道左線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向相向，呈小角度相交，仰坡屬于較穩定結構邊坡;與3組節理結構面同向，結構面形成的楔形體傾角小于45°，屬于較不穩定結構邊坡。總體上隧道左線邊坡屬于較不穩定邊坡。

隧道右線:洞口仰坡坡面傾向與巖層傾向相向，呈小角度相交，仰坡屬于較穩定結構邊坡;與3組節理結構面同向，結構面形成的楔形體傾角小于45°，屬于較不穩定結構邊坡?？傮w上隧道右線邊坡屬于較不穩定邊坡。

仰坡及兩側邊坡坡體全—強風化巖，多呈散體結構或較破碎，自穩能力較差;下部地層中風化片巖，受斷裂帶影響，節理裂隙發育，巖體較破碎，自穩能力差;邊坡及仰坡開挖時，在無坡面防護或無超前支護措施、不恰當的爆破施工、坡比較陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產生坍塌、碎落。

隧道洞口仰坡、邊坡坡面與結構面組合關系分析見圖4、圖5。

圖4 出口左線坡面與結構面關系赤平投影圖

3.3 隧道洞身穩定性評價

3.3.1 隧道左線洞身

ZK95+412～ZK96+700，ZK98+540～ZK98+780和ZK98+980～ZK99+321段為Ⅴ級圍巖，隧道埋深約0～373 m，該段為Ⅴ級圍巖，巖性主要為全—微風化片巖、千枚巖為主，發育斷裂破碎帶，風化強烈，巖體極易破碎，隧道開挖后圍巖自穩能力較差，頂部無支護時易產生大面積坍塌，側壁易失穩。集中降水狀態下洞室呈點滴狀出水。

ZK96+700～ZK96+980，ZK98+470～ZK98+540和ZK98+780～ZK98+980段為Ⅳ級圍巖，隧道埋深87～202 m，巖性主要為微風化片巖，局部微風化千枚巖，節理裂隙發育，臨近破碎帶，巖體較破碎。隧道開挖后頂部及側壁圍巖自穩能力較差，無支護時局部可能產生較大面積坍塌，側壁易產生掉塊或失穩現象。洞室呈潮濕或點滴狀出水。

ZK96+980～ZK98+470段為Ⅲ級圍巖，隧道埋深150～484 m，巖性主要為微—未風化片巖，節理裂隙稍發育，巖體稍破碎。隧道開挖后頂部及側壁圍巖自穩能力較差，無支護時局部可能產生較小面積坍塌，側壁易產生掉塊現象。洞室呈潮濕或點滴狀出水。

3.3.2 隧道右線洞身

K95+382～K96+800，K98+530～K98+790和ZK98+980～ZK99+360段為Ⅴ級圍巖，隧道埋深0～370 m，巖性主要為全—微風化片巖、千枚巖為主，發育斷裂破碎帶，風化強烈，巖體極破碎，隧道開挖后圍巖自穩能力較差，頂部無支護時易產生大面積坍塌，側壁易失穩。集中降水狀態下洞室呈點滴狀出水。

K96+800～K96+920，K98+460～K98+530和K98+790～K98+980段為Ⅳ級圍巖，隧道埋深73～182 m，巖性主要為微風化片巖，局部微風化千枚巖，節理裂隙發育，臨近破碎帶，巖體較破碎。隧道開挖后頂部及側壁圍巖自穩能力較差，無支護時局部可能產生較大面積坍塌，側壁易產生掉塊或失穩現象。洞室呈潮濕或點滴狀出水。

K96+920～K98+460段為Ⅲ級圍巖，隧道埋深102～453 m，巖性主要為微—未風化片巖，節理裂隙稍發育，巖體稍破碎。隧道開挖后頂部及側壁圍巖自穩能力較差，無支護時局部可能產生較小面積坍塌，側壁易產生掉塊現象。洞室呈潮濕或點滴狀出水。

4 隧道涌水量預測

隧址區位于陜西安康境內，年降水量較大，該隧道屬長隧道，匯水面積大，基巖裂隙較發育，隧道涌水量預測準確與否對隧道的施工和安全運行都非常重要。根據《鐵路工程水文地質勘察規程》(TB10049-2004)對隧址區的正常涌水量和最大涌水量進行了估算［3］。

4.1 正常涌水量

(1)根據降水入滲法預測隧道正常涌水量

式中:Q為隧道通過含水體地段的正常涌水量(m3/d);α為降水入滲系數，根據該區情況，取α=0.18;W為年降水量，根據勘察區情況，取1 100 mm;A為隧道通過含水體地段的集水面積(km2);L為隧道通過含水體地段的長度(km)，左線3.909，右線3.978;B為隧道涌水地段L長度內對兩側的影響寬度(km)，左線取2.7，右線取 2.7。

該隧道預測正常涌水量左線涌水量5 725.919 m3/d;右線涌水量 5 826.990 m3/d。

(2)根據裘布依理論式預測隧道正常涌水量

式中:Qs為隧道正常涌水量(m3/d);K為含水體滲透系數(m/d)，參照 K線廟溝隧道注水試驗取0.015 206m/d;H為洞底以上潛水含水體厚度(m)，左線180.0 m，右線175.0 m;h為洞內排水溝假設水深(m)，取0.3 m;Ry為隧道涌水地段的引用補給半徑(m)，左線288 m，右線280 m;L為隧道通過含水體的長度(m)，左線3 909 m，右線3 978 m;r為洞身橫斷面等價圓半徑，取5.125 m(m)。

該隧道預測正常涌水量左線Qs=6 808.341 m3/d，右線 Qs=6 739.548 m3/d。

4.2 最大涌水量

根據古德曼經驗式預測隧道最大涌水量:

式中:Q0為隧道最大涌水量(m3/d);K為含水體滲透系數(m/d)，參照 K線廟溝隧道注水試驗取0.015 206 4 m/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離(m)，左線180.0 m，右線175.0 m;d為洞身橫斷面等價圓直徑(m)，取10.25m;L為隧道通過含水體的長度(m)，左線3 909 m，右線3 978 m。該隧道預測最大涌水量左線 Q0=15 810.802 m3/d，右線 Q0=15 747.278 m3/d。

5 隧道施工對環境影響評價

該隧道施工對環境的影響主要有3個方面:洞口削坡可能對環境的破壞;隧道棄渣堆放不當可能產生人為泥石流、滑坡等災害;隧道成洞后可能導致山體地下水平衡條件破壞，影響地下水的補給、徑流和排泄。

洞口削坡對環境的影響:隧道兩端洞口山體主要為全風化、強風化片巖和千枚巖，第四系覆蓋層厚度小，巖體節理裂隙發育，破碎。根據洞口位置、削坡高度及邊坡地層巖性等判斷，洞口削坡不會導致大規模崩塌和滑坡，邊坡開挖后防護措施較容易實施，洞口削坡對周圍環境影響較小。

隧道施工棄渣堆放對環境的影響:在隧道施工開挖過程中產生的巖石和棄渣除部分可以用于本公路工程建設外，其余部分拋棄，因此棄渣對環境會造成一定的影響。另外必須注意的是隧道棄渣不能堆放在沖溝內，以免人為的造成泥石流等地質災害。

隧道成洞后造成的山體地下水平衡條件破壞對環境的影響:強風化和中風化千枚巖含裂隙水，隧道開挖后的地下水將被疏排至地表，而對山體地下水的平衡條件存在一定的影響。

6 結語

隧道位于中低山區，地形地貌較復雜，周邊未見大的的斷裂，但隧道圍巖巖性主要為片巖和千枚巖，屬軟巖和較軟巖，風化層厚度較大，遇水具弱膨脹性，裂隙和破碎帶較發育，圍巖等級主要屬Ⅲ～Ⅴ級［4］，Ⅴ級圍巖隧道長度達50%左右，建議對隧道區的Ⅴ級圍巖，采用臺階法開挖，輔以管棚超前支護或小導管超前支護，對Ⅳ和Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，新奧法施工。隧洞開挖產生的巖石和棄渣應盡量用于本公路建設，多余部分應作妥善處理，以免人為造成泥石流等不良地質災害。

考慮隧道洞身涌水量較大，建議對隧道洞身采取相應的防水及排水措施，盡量避免雨季施工，并進行超前地質預報，并設置異常情況處理預案。

［1］時彥芳.綜合物探方法在馬石店隧道勘察中的應用［J］.山東國土資源，2010，26(8):22-23.

［2］李豎煒，金麗芳，郝勇.隧道圍巖分級方法綜合應用［J］.山西建筑，2009，35(1):318-319.

［3］高俊義，劉建磊.赤平極射投影在隧道洞口邊坡穩定性分析中的應用［J］.北方交通，2008，(12):65-66.

［4］劉偉，張旭，代偉.云桂線富寧隧道水文地質條件分析及涌水量預測［J］.工程地質學報，2012，(20):330-332.