西南山區某鐵路專用線隧道工程地質條件分析

李昕哲

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 工程概況

該隧道位于云南省東部山區，全長1493.87 m。隧道最大埋深約115 m。隧道穿行于構造侵蝕低山丘陵區及構造溶蝕峰叢谷地區，地形起伏較大，地面高1298 m ～1423 m，自然坡度20°～60°，山體一般為薄層第四系土層覆蓋，植被茂盛。該文主要就該隧道工程進行工程地質條件進行分析。

2 工程地質條件分析方法

根據工程地質條件分析技術要求及目的，為查明隧址區工程地質條件與工程問題，為設計提供可靠的地質依據與參數，該文在充分研究區域地質資料的基礎上，對工程場地進行了1∶2000的工程地質調查、水文地質調查，采用鉆探、物探和原位測試等工程地質分析手段，對隧道工程地質條件進行分析，如下所述。

2.1 地質調繪

充分應用區域地質資料、初測資料和既有線隧道地質資料，進一步查明隧道通過地段的地形、地貌、地層、巖性、結構面特征和地質構造。本次主要對以下4方面進行調查：1）查明不良地質、特殊巖土對隧道的影響。2）對傍山隧道及順層隧道預測地形、順層偏壓危害。3）調查隧道范圍水文地質條件，結合孔內試驗結果預測洞身最大及正常分段涌水量。4）調查隧道范圍巖性分界面、斷裂破碎帶及節理面，預測評估可能發生的圍巖失穩特征和段落。

2.2 勘探點布置

根據場地工程環境條件、擬建工程特點及規范要求，隧道按不同地貌單元及地層巖性布置勘探孔以查明地質條件。在隧道進口處覆蓋層較厚區域布置橫斷面勘探點。在主要的地質界線、重要的不良地質、特殊巖土地段以及可能產生突泥、突水危害地段等處布置鉆孔控制。洞身地段的鉆孔位置一般布置在中線左側8 m～10 m或右側13 m～15 m，勘探點間距一般不大于500 m。斷層和物探異常點布置勘探點進行控制。鉆孔深度一般至路肩以下3 m～5 m。巖溶地區勘探深度至路肩以下10 m～15 m，遇溶洞及暗河等情況，適當加深至溶洞及暗河底以下5 m。本次共布置鉆孔9個。

2.3 物探

該工程采用電法、電磁法等綜合物探手段，查明地層、構造和巖性分界面。對出現異常的段落采用其他物探方法驗證異常位置以及鉆孔位置。

2.4 測井與試驗

該工程根據地下水埋深和性質選擇做提水、抽水、注水或壓水試驗以及彈性波速測試。

3 工程地質條件分析

3.1 地層巖性及構造分析

根據工程地質調繪及地質鉆探，并結合室內試驗，隧址區巖性主要為第四系全新統殘坡積粉質黏土（Qel+dl4），下伏三疊系中統法郎組砂巖（TSs2f）、頁巖（TSh2f）和灰巖（TLs2f）。

隧址區的地質構造主要發育多組節理。隧道進口巖層產狀為34°∠21°，節理發育，主要發育2組節理，即節理1：195°∠64°，節理2：202°∠90°，多為密閉節理，少量微張節理，泥質充填。隧道出口巖層產狀52°∠34°，節理發育，主要發育3組節理，即節理1：264°∠74°，節理2：195°∠70°，節理3：296°∠66°，多為密閉節理，少量微張節理，方解石充填。

3.2 水文地質條件分析

根據區域水文地質資料及地表調查，隧址區地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。

第四系孔隙潛水主要賦存于第四系殘坡積粉質黏土中，呈條帶狀分布于溝谷底部，由于隧道區第四系覆蓋層相對較薄，因此水量不豐富。非可溶巖山區地下水主要為基巖裂隙水，在構造破碎帶，地下水易沿通道移動、匯集，以泉等形式排泄。山區地下水位埋深變化大，水位季節變動大。地下水主要接受大氣降水補給。巖溶水主要賦存于灰巖地層的溶隙、溶孔、溶溝及溶洞中，隧道區灰巖以巖溶弱發育為主，局部中等發育，地下水分布不均。

根據隧址區地下水水質分析報告，地下水對混凝土結構及混凝土結構中鋼筋不具侵蝕性。

3.3 隧道進出口工程地質條件分析

隧道進口圍巖地層巖性為三疊系中統法郎組頁巖，全～弱風化。進口放大縱斷面示意圖如圖1所示。根據工程地質調繪及地質鉆探，隧道進口主要存在以下工程問題：1）洞口開挖產生臨空面易造成基巖風化層垮塌。2）進口仰坡開挖時會形成順層不穩定斜坡，施工開挖或震動易引發順層滑坡。總體來說，隧道進口工程地質條件較差。針對上述問題，提出以下2條建議：1）隧道開挖時，應加強超前支護，襯砌緊跟，做好洞口上方截排水措施，防止地表水下滲。2）邊、仰坡開挖坡率為全風化頁巖1∶1.25～1∶1.5，強風化頁巖、弱風化頁巖1∶1～1∶1.25。施工時加強支護，放緩邊坡，保證仰坡、塹坡的穩定性。

圖1 隧道進口放大縱斷面圖

隧道出口圍巖地層巖性為三疊系中統法郎組灰巖，弱風化。出口放大縱斷面示意圖如圖2所示。根據工程地質調繪及地質鉆探，隧道出口主要存在以下工程問題：1）隧道出口覆蓋層較薄，巖體較破碎，節理裂隙較發育，巖溶弱～中等發育。2）出口位于陡坡，上方發育危巖、落石，直徑一般為0.1 m～1.5 m。總體來說，隧道出口工程地質條件一般。針對上述問題，建議：1）隧道開挖時應加強超前支護，襯砌緊跟，做好洞口上方截排水措施，防止地表水下滲。邊、仰坡開挖坡率為弱風化灰巖1∶0.75～1∶1.25。施工時加強支護，放緩邊坡，保證仰坡、塹坡的穩定性。2）采取清除、支擋或接長明洞等措施。

圖2 隧道出口放大縱斷面圖

3.4 隧道圍巖穩定分析

3.4.1 巖土物理力學性質

根據物探測試成果并結合室內試驗，該文給出了隧道地層物理力學參數統計結果，見表1。

表1 隧道地層物理力學匯總

3.4.2 圍巖巖體結構特征

根據工程地質調繪及地質鉆探，隧道圍巖主要為三疊系中統法郎組（T2f）砂巖、頁巖和石灰巖，巖體多呈薄～ 中厚層狀結構。灰巖段落巖溶主要為弱發育，地表形態有溶溝、溶槽和石芽等，地下形態有溶孔、溶隙、溶洞以及巖溶管道等。弱風化砂巖、頁巖和灰巖巖體節理裂隙較發育～發育，巖體較破碎～破碎，多呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結構、碎石狀壓碎結構，工程地質性質相對較好。圍巖巖體特征與波速測試計算結果基本吻合。

3.4.3 隧道圍巖分級

隧道圍巖分級由巖石堅硬程度和巖體完整程度2個影響因素確定，這2個因素應采用定性和定量2種方法綜合確定[1]。

3.4.3.1 定性劃分

定性劃分包括①巖石堅硬程度的劃分。根據本次室內巖石力學試驗成果，根據文獻[1]，灰巖、砂巖為硬巖，頁巖為軟巖。②隧道圍巖巖體完整性系數Kv的確定。本次勘察主要利用定測勘探、測試成果，并結合地面調查情況確定巖體的完整性系數。

3.4.3.2 定量劃分

定量劃分包括①圍巖初步分級。據文獻[1]，巖體基本質量指標BQ值的計算公式為：BQ=100+3Rc+250Kv。當Rc>90Kv+30時，取Rc>90Kv+30；當Kv>0.04Rc+0.4時，取Kv>0.04Rc+0.4。計算結果見表2。②圍巖修正定級。地下水影響修正系數K1根據文獻[1]說明表4.3.2-11確定，本次勘察根據地下水出水狀態和巖體基本質量指標，綜合取值0.1～0.4。主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2根據文獻[1]說明表4.3.2-12確定，本次勘察主要根據鉆孔巖芯完整程度、彈性縱波速度測試結果，分析巖體完整程度，綜合分析取值0.2～0.4。綜合分析隧道埋深、地貌、地形、地質和運動史根據文獻[1]說明表4.3.2-13確定，初始應力狀態影響修正系數K3取值為0。

經過上述方法確定該隧道各段落分級情況，見表2。根據隧道圍巖分級情況可知，本隧道以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，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

表2 隧道圍巖分級計算表

3.5 隧道涌水量預測分析

預測隧道涌水量的計算方法采用降水入滲法和地下水徑流模數法[2]。

3.5.1 降水入滲法

降水入滲法如公式（1）所示。

式中：Q為隧道通過含水體地段的正常涌水量（m3/d）；A為隧道通過含水體地段的地下集水面積（km2）；L為隧道通過含水體的長度（km）；B為隧道涌水地段長度內對兩側的影響寬度（km）；a為降水入滲系數；W為年降水量（mm）。

計算正常涌水量時，參考沿線氣象資料，年平均降水量1303.7 mm，年最大降水量1958.5 mm。降水入滲系數a根據隧道沿線的地層巖性、地質構造發育特征，并根據文獻[2]和文獻[3]取值，按巖石完整程度分段選擇降水入滲系數值。

3.5.2 地下水徑流模數法

地下水徑流模數法如公式（2）所示。

式中：M為年平均地下水徑流模數m3/d·km2；A為隧道通過含水體地段的地下集水面積（km2）

根據地貌在衛星平面圖圖上截取得A=1.437 km2，計算結果如公式（4）、公式（5）所示。

λ=多年最大降雨量/多年平均降雨量=1.502Qmax=1.502×566.47=850.84 m3/d。

根據計算成果，并根據測區的巖溶發育特征和水文地質條件，建議采用大氣降水入滲法計算結果，全隧道正常涌水量Q正常=1748.85 m3/d，最大涌水量Q最大=3141.65 m3/d。隧道涌水量的計算只是針對巖層含水特征一般規律，由于巖體破碎程度不同，滲透系數亦有很大變化，局部節理密集帶巖溶發育，巖體裂隙水較發育，可能會出現股狀涌水現象，因此建議設計及施工中采取相應預防和處理措施。

3.6 場地穩定性分析

根據工程地質調繪及地質鉆探，隧道通過區主要地層為第四系全新統殘坡積粉質黏土，三疊系中統法郎組砂巖、頁巖及灰巖，工程地質條件一般。根據文獻[4]表4.01-1、4.01-2判定，場地類別為Ⅰ類，場地土類型為巖石。隧道洞身巖層節理裂隙發育～很發育，巖體較破碎～極破碎，隧道進出口節理裂隙較發育，巖體破碎。隧址區基本地震動峰值加速度值為0.05 g，基本地震動加速度反應譜特征周期值為0.45 s，場地穩定性較好。

4 結論

該隧道通過區主要地層為第四系全新統殘坡積粉質黏土，三疊系中統法郎組砂巖、頁巖及灰巖，工程地質條件一般。隧道洞身巖層節理裂隙發育～很發育，巖體較破碎～極破碎，隧道進出口節理裂隙較發育，巖體破碎。

該隧道進口頁巖風化層較厚，洞口開挖產生臨空面易造成滑動，施工時需要加強支護，放緩邊坡，保證仰坡、塹坡的穩定性。隧道進口仰坡開挖時會形成順層不穩定斜坡，施工開挖或震動易引發順層滑坡，需要放緩并加強防護措施。

該隧道所穿越山體地下水不發育，總體而言水量較小，巖溶發育段落可能存儲較豐富的地下水，隧道工程穿越時易產生突泥、涌水，威脅工程安全。

隧道施工至巖體破碎、巖溶發育段時，需要加強超前支護、加強防排水措施，尤其要加強超前地質預報，預防突水、突泥和坍塌事故發生。