斷裂構造對公路隧道方案比選的影響分析

摘 要：文章講述了“遵循地質選線理念”在公路隧道通過斷裂構造帶的實際應用。擬建公路隧道通過或位于多條區域斷裂帶附近，斷裂構造對巖體的工程性質起著重要的作用，并對隧址區水文地質條件及洞室圍巖穩定性起著控制性作用。通過詳盡的地質調繪，并結合音頻大地電磁法（AMT）和鉆探，對“東西走向”和“南北走向”兩種隧道方案進行了初步圍巖級別劃分和施工風險評估，并對可能出現的主要工程地質問題進行了預測，為隧道選線提供了地質依據。隧道方案應盡量避開斷裂帶，盡可能垂直穿越，避免平行通過。

關鍵詞：地質選線；隧道；斷裂；圍巖分級

引言

巖體通常被層理、節理、斷裂等結構面切割成大小不等、形狀各異的塊體，使巖體成為一種多裂隙的不連續介質。巖體的工程性質首先取決于這些結構面的性質，通常用完整性系數衡量，其次才是組成巖體的巖石性質，一般用單軸飽和抗壓強度衡量。巖體的變形、破壞與穩定性主要取決于巖體內各種結構面的性質及其對巖體的切割程度。因此，對結構面的成因、特征、影響進行分析研究，在工程中具有重要意義。

擬建公路隧道地處區域斷裂帶，為全線控制性工程，文章結合該隧道選線，探討了斷裂構造對山區公路隧道的影響，從而為隧道選線及施工方案優化提供參考。

1 工程概況

擬建公路隧道初擬兩種方案，東西向隧道方案由長嶺坡隧道組成，隧道總長約4212m，最大埋深約280m，地處區域斷裂帶上盤，路線距破碎帶最遠約500m，路線走向與斷層走向近平行；南北向隧道方案由馬場隧道和三岔隧道兩個隧道組成，隧道總長約4365m，最大埋深約340m，路線近垂直穿越兩條區域斷層。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

擬建隧道位于中高山區，總體呈東西向延伸山脈。隧址區地形地貌受東西向斷裂構造控制，地形破碎，形成眾多山間溝谷，溝谷一般呈南北向分布在隧道通過山體南北坡，切割深度大，邊坡陡峻，地形起伏變化大，山體風化剝蝕嚴重，基巖裸露少，山麓、谷地被殘坡積、坡積、洪積角礫碎石覆蓋，植被覆蓋較好。隧址區地面高程2940m～3330m，相對高差約390m。

2.2 地層巖性

長嶺坡隧道：洞身圍巖巖性主要為二疊系（P1）炭質頁巖、頁巖及斷層糜棱巖、壓碎巖等。炭質頁巖、頁巖為隧道洞身主要巖性，青灰-灰黑-黑色，泥質（隱晶質）結構，頁理構造，頁狀和薄片狀層理極為發育，層厚一般在0.5-2cm，層理分明，易剝離成片狀，頁理面光滑，結合差，硬物擊打易裂成碎片，巖體抗風化能力差，長時間裸露極易碎裂呈片狀，部分裸露巖體風化浸水后污手，巖性軟弱，為軟巖-極軟巖，該段圍巖約2.82km，占隧道總長約67%；斷層糜棱巖、壓碎巖：分布在斷層破碎帶內，母巖成分為頁巖、炭質頁巖，大部分原巖結構已破壞變質，形成云母、方解石及粘土等次生礦物，殘留部分母巖碎塊，呈灰黑-黑色，夾方解石團塊，呈碎裂狀，擠壓緊密，水穩性很差，遇水后極易軟化成泥狀，自穩能力很差，特別是遇水后抗剪強度急劇下降，易發生大變形及大范圍坍塌破壞，該段圍巖約1.39km，占隧道總長約33%。（如圖1、圖2）

馬場隧道、三岔隧道：洞身圍巖巖性主要為（γ）花崗巖；二疊系（P1）頁巖、板巖夾灰巖和灰巖；古近系（E）礫巖；三疊系（T）板巖；斷層糜棱巖、壓碎巖等?；◢弾r為較硬巖，較完整，圍巖長約280m，占隧道總長約7%；頁巖巖性同長嶺坡隧道方案，圍巖長約480m，占隧道總長約11%；礫巖為較硬巖，厚層塊狀，較完整，圍巖長約320m，占隧道總長約7%；板巖夾灰巖為較硬巖，巖體較破碎，圍巖長約1400m，占隧道總長約32%；灰巖為較硬質巖，巖體較完整-較破碎，圍巖長約500m，占隧道總長約11%；板巖為較硬巖，巖體較破碎-較完整，圍巖長約980m，占隧道總長約22%；斷層破碎帶長約300m，占隧道總長約7%。

2.3 地質構造

隧址區位于臨潭-宕昌斷裂帶西段，該斷裂為一條規模較大的晚更新世-全新世活動斷裂帶，由多條平行的次級斷裂組成，斷裂帶水平滑動速率為2-2.5mm/a，垂直滑動速率為0.18mm/a，路線通過次級斷裂F26和F23，見圖3。

松柏梁斷層F26：屬逆沖左旋斷層，產狀NW275°NE∠40-60°，呈舒緩波狀近東西向展布，破碎帶寬300-400m，破碎帶物質組成為壓碎巖、糜棱巖、斷層泥及炭質頁巖風化物，遇水極易軟化成泥狀，地調及鉆探揭示，斷裂構造影響范圍大，二疊系地層巖體破碎，產狀多變，褶皺及次級斷裂發育，受斷裂構造阻水影響，沿斷裂帶上盤有眾多泉水出露，溝谷內均有常年流水。大地電磁（AMT）物探揭示，F26斷層上盤呈羽狀分布多條次級斷裂，破碎帶寬100-250m。長嶺坡隧道自F26斷層上盤通過，洞身距斷層最遠約500m，且穿越該斷裂多條次級斷裂，隧道全線受到斷裂構造影響很大，隧道圍巖很差；馬場隧道近垂直穿越F26斷層，斷層對圍巖影響段落相對較短。

嚴家寺-格力那斷層F23：屬逆沖斷層，產狀NW290°NE∠50-60°，呈舒緩波狀近東西向展布，延伸長度約75km，破碎帶寬100-200m，破碎帶物質組成為構造泥及角礫巖，斷裂將二疊系（P1）地層推覆在三疊系（T）及古近系（E）地層之上，局部地層發生倒轉，其上盤地層巖性多變。三岔隧道近垂直穿越F23斷層，斷層對圍巖影響段落相對較短。

2.4 水文地質條件

地表水：隧址區地表水豐富，在隧道進出口溝谷及洞頂地表沖溝內均有地表水分布，為常流水，水質清澈，流量為5-10L/s，與地下水特別是出露泉水水力聯系密切，枯水季節主要由地下水補給，亦受大氣降水影響。

地下水：隧道區山體巖層歷經多次構造運動，褶皺、斷裂、節理裂隙發育，其不同的巖性接觸帶、斷裂帶、向斜、巖層的片理、層理以及巖體的節理裂隙等為地下水儲存、運移提供了空間和通道，進而也決定了地下水以基巖裂隙水為主，接受大氣降水補給，在隧址區多以泉的形式排泄于溝谷及地勢較低的第四系堆積物中。隧道開挖后在頁巖段落以淋雨狀及線狀流水為主，其中賦存于斷層破碎帶及褶皺核部的地下水儲存豐富，水量大，洞室開挖后會出現股狀流水及突涌水、涌泥現象。

構造斷層帶富水性評價：斷裂破碎帶主要由斷層壓碎巖、壓碎巖、糜棱巖及斷層泥組成，呈散體碎裂結構，為地下水儲存提供了空間，加之斷層影響帶巖體受構造影響，巖體破碎，為地下水富集運移提供了天然通道，受斷裂帶阻水影響，在斷層上盤及斷裂帶以泉水形式排泄至溝谷。根據地調資料，沿斷裂帶上盤出露眾多泉水，根據泉水分布特征，判定斷層破碎帶及斷層上盤巖體中均儲存有地下水，地下水豐富，具承壓性。

根據長嶺坡隧道鉆孔提水試驗，隧址區地下水埋深淺，一般在17-21m，地下水豐富，水位恢復速度快。地下水對炭質頁巖頁理面和破碎帶物質軟化作用明顯，頁巖遇水后極易沿頁理面開裂，破碎帶遇水后易軟化成散體狀或泥狀。隧道在斷層破碎帶中開挖易發生突涌水、突泥、大變形、冒頂等地質災害，對隧道施工危害嚴重。

3 長嶺坡隧道施工中存在的主要地質問題

隧道位于斷裂構造帶，圍巖總體很差，地下水豐富，洞身巖性為軟巖-極軟巖，洞身多次穿越斷裂破碎帶，破碎帶、影響帶范圍大，施工難度大、風險高，成洞條件很差，存在很大安全隱患，主要有以下工程地質問題：

（1）隧道位于區域斷裂（F26）上盤，其上盤發育多條羽狀次級斷裂通過洞身，破碎帶寬100-250m，隧道通過斷裂帶總長約1.39km，占隧道總長約33%。破碎帶物質組成為壓碎巖、糜棱巖、斷層泥及炭質頁巖風化物，遇水極易軟化成泥狀，遇水后圍巖無自穩能力，隧道開挖易發生突涌水、突泥、大變形、冒頂等，圍巖收斂變形很大。

（2）隧道洞身通過巖性主要為頁巖、炭質頁巖夾砂巖，頁狀和薄片狀層理極為發育，層厚一般在0.5-2cm，頁理面光滑，結合差，易剝離成片狀，長時間裸露極易碎裂呈片狀，巖性軟弱，為軟巖-極軟巖，遇水極易沿頁理面開裂坍塌，鉆孔揭示巖體中存在次級斷裂帶，分布不規則。該類圍巖總長約2.82km，占隧道總長約67%。，隧道開挖易發生掉塊及塌方，洞室有較大收斂變形，以淋雨狀及線狀出水為主，圍巖自穩性差，局部有突涌水及突泥現象。

（3）隧址區地下水豐富，地下水對炭質頁巖頁理面和破碎帶物質軟化作用明顯，頁巖遇水后極易沿頁理面開裂，破碎帶遇水后易軟化成散體狀或泥狀。隧道在斷層破碎帶中開挖易發生突涌水、突泥、大變形、冒頂等地質災害，對隧道施工危害嚴重。

4 方案比選

通過對隧址區地形地貌、地層巖性、地質構造及水文地質條件綜合分析評價，結合施工中可能出現的工程地質問題，就地質條件而言，對比選的兩個方案進行以下比較。（如表1）

5 結束語

（1）隧道走向與斷裂構造線平行且臨近通過時，隧道全線均受斷裂構造影響，巖體破碎，地下水豐富，圍巖自穩能力差，施工難度大、風險高，因此隧道方案選擇時應盡量避開斷裂帶，無法避開時盡可能垂直穿越，避免平行通過。

（2）隧道通過斷層破碎帶時，開挖易發生突涌水、突泥、大變形、冒頂等，圍巖收斂變形很大，無自穩能力，應加強超前預報及超前支護措施，施工中應采取降低水位及排水措施，并做好對突發事件的應急預案。

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