工程地質類比法在川藏鐵路隧道圍巖分級上的應用

馮 濤, 蔣良文, 王存德, 王 棟, 張廣澤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

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工程地質類比法在川藏鐵路隧道圍巖分級上的應用

馮 濤, 蔣良文, 王存德, 王 棟, 張廣澤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

川藏鐵路雅康段沿線隧道工程多處于高海拔、高陡斜坡及雪線以上的無人山區，地形險峻，起伏極大，高海拔無人區交通條件差、水源匱乏，常規勘察手段實施困難甚至無法開展，在勘察設計尤其是可研階段，有必要采用工程地質類比法應用于隧道圍巖分級，進一步提高勘察精度。研究表明近場相似工程地質類比和遠場相同巖性工程地質類比兩種方法具有各自的適用條件，但在具體應用中應綜合應用分析；實際應用中，應盡量選取類比度高的既有隧道對擬建隧道進行工程地質類比，取得較好的類比結果。

近場相似工程地質類比； 遠場相同巖性工程地質類比； 隧道圍巖分級； 勘察精度

川藏鐵路工程地質條件極為復雜，地應力活躍，不良地質極度發育，生態環境極為脆弱[1]。其中，川藏鐵路雅安至康定段接成雅鐵路雅安站，自東向西經天全、瀘定、康定至新都橋，位于四川盆地與青藏高原間的川西高原過渡帶，主要穿過二郎山、大雪山、貢嘎山、折多山等大山，最高山峰海拔7 556 m(貢嘎山)，4 500 m雪線以上山區終年積雪不化。川藏鐵路雅康段擬建工程以隧道為主，隧道約占線路總長的70 %，工程地質勘察的主要工作就是針對隧道工程展開，特別是高中山及高山區的高海拔長大深埋隧道工點。

川藏鐵路雅康段測區受內外地質營力作用強烈，地形地貌、地質構造、地層巖性及地應力分布極為復雜，地勢自東向西急劇抬升，由海拔400 m左右的四川盆地爬升到海拔3 600～4 000 m的川西高原[2]，屬于地質條件復雜場地；沿線隧道工程多處于高海拔、高陡斜坡及雪線以上的無人山區，地形十分險峻，起伏極大，高海拔無人區交通條件差、水源匱乏，常規勘察手段實施困難甚至無法開展。因此，在勘察設計尤其是可研階段，有必要采用工程地質類比法應用于隧道圍巖級別劃分，進一步提高勘察精度。

1 鐵路隧道圍巖級別劃分現狀

鐵路隧道工程地質勘察中是根據隧道圍巖的巖土體特征、巖石的堅硬程度、巖體的完整程度、風化程度等地質條件進行圍巖基本分級，然后考慮地下水、高地應力的影響、圍巖的縱波速度、隧道的埋藏深度等因素修正后，綜合評價隧道的圍巖分級。

2 工程地質類比法實例分析

2.1 概述

許多重要巖土工程是采用工程類比法等設計成功的，從哲學角度看，類比法是從特殊過渡到特殊的思維方式[4]。類比主要分為直接類比和間接類比兩大類，直接類比主要是將條件基本相同的已建工程結構作為新建工程設計的結構，間接類比主要是參考大量的地質環境相似的已建工程的工程經驗進行歸類并提供 相應的設計參數，供新建工程設計時采用。地質勘察工作中廣泛使用工程地質類比的方法，通過總結既有工程的工程地質條件和實踐施工經驗，指導新建工程的選址、巖土體物理力學指標建議、隧道圍巖分級及施工工程地質問題預測分析。

川藏鐵路雅康段為川西高原區第一條鐵路工程，臨近線路范圍內沒有既有鐵路工程建設，無具備直接類比條件的鐵路工程，因此本文主要研究間接類比方法對工程建設的幫助。根據本線工程特點，間接類比方法主要從近場相似工程類比及遠場相同巖性工程類比這兩個方面展開研究。

2.2 近場相似工程地質類比

近場相似工程地質類比，是指處于同一區域地質環境中并且工程相距較近的相似工程之間的類比。同一區域地質環境是指地形、地質構造、地層巖性及水文等工程地質條件基本相似，地質環境對區域內相似工程的影響存在高度相似性，因此可以通過分析總結近場相似工程地質資料來指導新建工程的勘察。

川藏鐵路雅康段近場區內主要有G318國道、雅康高速、雅西高速等國家干線公路及數座水電站工程，多個擬建隧道全隧或隧道局部段落可通過近場相似工程類比獲取可靠的地質資料。本文以橫穿二郎山山區的兩個隧道作為近場類比對象。擬建雅康段二郎山隧道(分析對象)與雅康高速二郎山隧道(類比對象)相距360～1 400 m(圖1)，走向一致，均穿越雅安市天全縣境內的青衣江和甘孜地區瀘定縣境內大渡河間的二郎山，兩個隧道基本上處于相同的地貌、地質構造、地層巖性及地應力場的地質環境中(圖1)，通過近場相似工程類比獲得的地質資料可供設計使用。

川藏鐵路雅康段二郎山隧道長約14.5 km，是全線重大控制性工程之一，隧址區為構造剝蝕高中山區，海拔1 300 m以上，地形切割強烈，山體渾圓，為青衣江和大渡河水系的分水嶺。隧址區位于龍門山構造帶、鮮水河構造帶和川滇構造帶組成的“Y”字形構造交匯部位的北東側，線路走向與區域斷裂構造及地層走向均為大角度相交，地質構造和地層巖性極為復雜，穿過10余條區域斷裂構造及10多個地層巖性段。本節將川藏鐵路雅康段二郎山隧道同雅康高速公路二郎山隧道進行近場相似工程類比，類比時考慮工程條件和工程地質條件兩大方面，主要類比影響因素詳見表1。

圖1 二郎山公路隧道與鐵路隧道隧區地質構造綱要示意

表1 二郎山鐵路隧道同二郎山公路隧道的主要類比影響因素

根據以上對比分析，二郎山鐵路隧道(分析對象)的洞身圍巖條件與二郎山公路隧道(類比對象)的洞身圍巖條件高度相似，通過分析總結二郎山公路隧道的圍巖分級原則，建議二郎山鐵路隧道洞身各地層巖性段的圍巖分級同二郎山公路隧道。

2.3 相同巖性的工程類比(遠場類比)

西南地區已建成或正在建設的鐵路有成昆線、南昆線、云桂線、大瑞線、拉林線及麗香線等，大多地處青藏高原的周邊地帶，幾十年的建設過程中積累了大量的勘察及施工經驗，為今后新建鐵路工程提供了寶貴的資料。

川藏鐵路雅康段的新建隧道主要位于高中山和低高山地貌區，相當長的里程段位于海拔大于2 000 m的高海拔無人區，直接獲取勘探資料較為困難，也無可供類比借鑒的近場相似工程。此種情況下收集遠場類似埋深、地質構造區及地應力環境條件下具有相同巖性的典型隧道工點進行類比，借鑒典型隧道工點的圍巖分級標準指導新建隧道的圍巖分級及工程地質問題預測分析。

川藏鐵路雅康段地層自震旦系至第三系(除寒武系)地層均有分布，同時三大巖類(沉積巖、巖漿巖、變質巖)門類齊全，巖性種類繁雜，主要出露有砂巖、泥巖及頁巖等碎屑巖；灰巖、泥質灰巖及白云巖等可溶巖；花崗巖、鉀長花崗巖、閃長巖、花崗閃長巖、流紋巖、安山巖及玄武巖等巖漿巖；大理巖、片巖、千枚巖及板巖等變質巖，其中瀘定-折多塘段約80 km隧道圍巖為花崗巖類火成巖。

花崗巖屬于深層侵入火成巖，巖質堅硬，屬于極硬巖，弱風化巖體較完整，圍巖基本分級屬Ⅱ級圍巖，具體到隧道圍巖級別劃分時，根據巖體風化程度、巖體完整性、受構造影響程度及地應力等因素進行圍巖級別修正。本線有8座長大隧道洞身圍巖主要為花崗巖，針對花崗巖類火成巖的隧道圍巖分級研究是勘察中的重點。

本節通過對遠場(西藏、四川、云南、廣西及海南等)典型花崗巖隧道的圍巖級別劃分情況進行統計分析后，類比總結出雅康段花崗巖隧道圍巖分級原則，并據此對毛家溝隧道進行圍巖級別劃分。

2.3.1 遠場花崗巖類隧道圍巖分級統計

花崗巖在我國分布范圍較廣，大部分省份均有分布，本節主要選擇西藏、四川、云南、廣西及海南等地以花崗巖質圍巖為主的隧道作為類比對象進行分析，代表性的花崗巖隧道圍巖分級情況見表2。

表2 代表性的花崗巖隧道圍巖分級情況

注：(1)隧道進出口段及洞身埋深小于50m的段落一般具備勘探條件，表中未統計；(2)不整合接觸帶及斷層破碎帶于各個隧道中分布不具規律性，影響長度不同，不具類比性，故表中未統計；(3)構造、地應力、埋深及地下水對硬質巖隧道圍巖分級影響較小，圍巖分級以Ⅱ和Ⅲ級為主。

2.3.2 雅康段花崗巖類隧道圍巖分級原則

花崗巖類屬于極硬巖，抗風化能力強，地質構造作用對巖體的破壞程度和影響范圍有限，隧道圍巖分級一般與基本圍巖分級一致，受埋深、構造、蝕變帶、地下水及地應力影響段落需根據實際情況修正圍巖分級。通過總結上述既有花崗巖類隧道圍巖分級經驗，雅康段花崗巖類隧道圍巖分級建議按以下五條原則進行劃分：

(1)隧道洞身埋深大于200 m且巖體較完整的弱風化段圍巖分級以Ⅱ級為主；

(2)隧道洞身埋深小于200 m且巖體較完整的弱風化段圍巖分級以Ⅲ級為主，Ⅳ級和Ⅱ級圍巖之間的Ⅲ級過渡以100～200 m為宜；

(3)花崗巖節理密集帶巖體破碎，圍巖級別劃分為Ⅳ級，寬度根據調繪或其他勘察手段確定；隧頂弱風化埋深小于20 m時劃分為Ⅳ級；

(4)斷層破碎帶、蝕變帶及不整合接觸帶等Ⅴ級圍巖過渡為Ⅲ級圍巖時，Ⅳ級圍巖寬度以40～60 m為宜；

(5)進出口淺埋段、斷層破碎帶、蝕變帶及不整合接觸帶圍巖劃分為Ⅴ級，寬度根據區域地質資料、調繪或其他勘察手段確定。

3 結論及建議

(1)應用工程地質類比法可進一步提高位于高海拔無人區的川藏鐵路隧道的勘察精度；

(2)近場相似工程地質類比和遠場相同巖性工程地質類比兩種方法具有各自的適用條件，但在具體應用中應綜合應用分析；

(3)實際應用中，應盡量選取類比度高的既有隧道對擬建隧道進行工程地質類比，取得較好的類比結果。

[1] 黃艷磊，鄧軍橋，張紅偉.川藏鐵路限制坡度方案研究[J].高速鐵路技術，2015(6)：97-98.

[2] 王棟，張廣澤，蔣良文，等.川藏鐵路成康段活動斷裂工程效應及地質選線[J].鐵道工程學報，2015(10)：7-8.

[3] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007：178-180.

[4] 楊志法，尚彥軍，劉英.關于巖土工程類比法的研究[J]. 工程地質學報，1997(12):299-300.

馮濤(1978～)，男，工學博士，高級工程師，主要從事鐵路、公路等領域的地質勘察工作。

TU412

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[定稿日期]2017-03-22