大尖山隧道主要工程地質(zhì)問題及防治措施分析

金 晨 成詞峰 孫 寶

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055;2.云南省建筑科學(xué)研究院，云南昆明 652003)

大尖山隧道位于新建呼和浩特至張家口快速鐵路河北省張家口市懷安縣與內(nèi)蒙古興和縣交界處，為西洋河與東洋河流域的分水嶺，隧道穿越低中山區(qū)，全長10 450 m，最大埋深280 m，進(jìn)口路肩高程1 093 m，出口路肩高程1 259.3 m。該隧址為一倒轉(zhuǎn)背斜，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，隧道與多條斷層相交。受構(gòu)造的影響，巖體完整性較差，地質(zhì)條件較復(fù)雜，施工存在較大的地質(zhì)風(fēng)險。通過地質(zhì)調(diào)繪、鉆探和物探等綜合勘察方法查明地質(zhì)條件[1］，對存在的工程地質(zhì)問題的全面分析，為該隧道設(shè)計及施工提出合理的建議，減輕隧道建設(shè)的地質(zhì)風(fēng)險，對隧道工程的決策、設(shè)計和施工具有十分重要的意義[2］。

1 自然地理概況

1.1 地形地貌

隧道穿越低中山區(qū)，地面高程在1 280～1 760 m之間，相對高差約480 m，山坡自然坡度較陡，縱向自然坡度為30°～50°，橫向自然坡度為 10°～20°，進(jìn)出口山體相對較低。洞身所在山體沖溝發(fā)育，山峰迭起，整個山體山脊與沖溝交錯，地形起伏較大，植被覆蓋率較低。

1.2 氣象特征

線路通過地區(qū)屬中低緯度、暖溫帶亞濕潤氣候區(qū)，氣候適宜，四季分明，雨量充沛。春天干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋天秋高氣爽，冬日則寒風(fēng)凜冽。極端最低氣溫－33.0℃，極端最高氣溫33.0℃;年平均降水量425.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 850.2 mm;瞬時最大風(fēng)速22.0 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向為北西向;季節(jié)最大凍土深度1.38 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪，隧道進(jìn)出口覆蓋有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，隧道出口段位于侏羅系砂巖夾泥巖，其余大部分段落均為太古界麻粒巖，各地層的主要特征簡要敘述如下[3］。

(1)第四系上更新統(tǒng)洪坡積(Q3pl+dl)砂質(zhì)黃土:黃色、褐黃色，稍濕，稍密，垂直節(jié)理發(fā)育。

(2)侏羅系中期(J2)砂巖夾泥巖:表層為強風(fēng)化細(xì)粒結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，部分地段夾礫巖，巖體成薄層狀及中后層狀產(chǎn)出，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖作用差，層理不易量取。

(3)太古界(Arm)麻粒巖:黃褐色為主，表層為強風(fēng)化，巖體裂隙較發(fā)育，片麻狀、片狀、塊狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀在進(jìn)口段為 N65°E/60°S;中間段為 N86°W/89°N;靠近出口一側(cè)為倒轉(zhuǎn)產(chǎn)狀N40°E/17°S。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，大尖山整體為一倒轉(zhuǎn)背斜構(gòu)造，軸線走向為N85°W，整體傾倒向北方，軸面傾向南。約在線路ICK70+500之后老地層壓覆于新巖層之上，中間產(chǎn)狀有變化，隧道后半段巖層產(chǎn)狀為倒轉(zhuǎn)產(chǎn)狀。該段線路走向為N44°W，線路與背斜軸向約成40°夾角橫穿背斜山體。

ICK70+400處發(fā)育正斷層。斷層上下盤巖性均為麻粒巖，下盤產(chǎn)狀為 N86°W/∠89°N，上盤產(chǎn)狀為N40°E∠17°N，破碎帶寬度約 50 ～100 m，走向 N70°W/∠60°N。線路與斷層夾角約35°穿過該斷層，在斷層破碎帶中的長度約80 m。

ICK74+200處發(fā)育一區(qū)域性逆斷層，斷層上盤為麻粒巖，下盤為泥巖夾砂巖，下盤泥巖砂巖由于表層風(fēng)化嚴(yán)重，成巖作用較差，無法量取，上盤產(chǎn)狀為N55°E∠48°S，破碎帶寬度約 50 ～100 m，斷層走向 N55°E∠53°S。線路與斷層夾角約64°穿過該斷層，在斷層破碎帶中的長度約70 m。

2.3 水文地質(zhì)

隧道所在山體上方深切沖溝發(fā)育，部分沖溝內(nèi)可見地表徑流，水量小，由泉水及大氣降水補給。雨季沖溝內(nèi)有洪水。

松散堆積層中的孔隙水主要賦存于溝谷地段的第四系殘坡積層中及全風(fēng)化層，受大氣降水補給，水位及水量隨季節(jié)變化較大，沿殘坡積層中的孔隙與基巖面向下滲流及排泄。

太古界麻粒巖受構(gòu)造影響，巖體完整性為較完整－較破碎，富水性一般，斷層破碎帶及個別節(jié)理裂隙發(fā)育段富水。部分沖溝內(nèi)有泉水出露，冬季水量較小，多為下降泉。

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 圍巖失穩(wěn)

隧道圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，局部節(jié)理密度達(dá)8～10條/m，泥質(zhì)充填。采用極射赤平投影法進(jìn)行分析評價塊體的穩(wěn)定性，由圖1～圖4可得，節(jié)理面將圍巖分割成塊體，經(jīng)開挖擾動、卸荷后形成不穩(wěn)定的塊體，易向隧道內(nèi)滑落。四面體狀危巖塊體的失穩(wěn)方式主要為直接塌落、沿單面滑動和沿雙面滑動[4］。

圖1 ICK67+650處結(jié)構(gòu)面赤平投影

圖2 ICK69+380處結(jié)構(gòu)面赤平投影

洞身穿過正斷層F1及逆斷層F2，斷層破碎帶及影響帶內(nèi)巖體破碎，局部富水，如果施工措施不當(dāng)，極易產(chǎn)生塌方等極端圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖3 ICK70+430處結(jié)構(gòu)面赤平投影

圖4 ICK71+920處結(jié)構(gòu)面赤平投影

3.2 涌水突泥

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合鉆探資料及區(qū)域資料綜合分析，預(yù)測隧道進(jìn)口端及出口大部分地段在枯水季節(jié)處于貧水狀態(tài)，隧道中間深埋段地下水相對豐富，隧道涌水量可能增加，甚至出現(xiàn)局部突水。

對于完整基巖段的涌水量，采用大氣降水入滲法預(yù)測隧道涌水量。對于斷層帶的涌水量，采用斷層鉆孔抽水試驗資料進(jìn)行計算。

大氣降水入滲法依據(jù)公式為

式中 α——降水入滲系數(shù)，取值0.10;

W——年降水量，取值394.7 mm;

A——隧道通過含水體地段的集水面積。斷層帶抽水試驗依據(jù)水利水電鉆孔抽水試驗規(guī)程(SL320—2005)進(jìn)行計算滲透系數(shù)[5］，并采用古德曼經(jīng)驗式計算斷層帶最大涌水量。分段評價結(jié)果如表1所示。

表1 隧道涌水量分段計算

3.3 邊坡滑塌

進(jìn)口段黃土和出口端第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土及侏羅系砂巖夾泥巖，巖土體結(jié)構(gòu)松散，其自身強度低，抵抗外力破壞的性能差，穩(wěn)定性差，開挖后應(yīng)力重新組合，可能會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象及在地表水作用下邊坡產(chǎn)生滑塌。

3.4 特殊巖土

隧道進(jìn)出口段為砂質(zhì)黃土，濕陷性為Ⅰ級非自重～Ⅱ級自重，且強度低。隧道在ICK74+310～76+200段為侏羅系砂巖夾泥巖的地層中，泥巖屬膨脹巖，含蒙脫石等親水物質(zhì)，浸水易膨脹、軟化，曝露易干縮、開裂，具有弱膨脹性。

4 工程措施及建議

(1)對該隧道可能發(fā)生的地質(zhì)問題，如局部涌水突泥、局部坍塌等問題，開展施工地質(zhì)超前預(yù)報與監(jiān)測工作，應(yīng)采取積極有效的防護(hù)措施，確保隧道施工及運營安全[6］。

(2)隧道進(jìn)出口處屬濕陷性黃土，應(yīng)做好坡面防護(hù)，設(shè)計及施工中應(yīng)對坡面加固并做好防排水措施后進(jìn)洞，以確保施工順利安全。

(3)隧道通過多條區(qū)域性斷裂，隧道施工中可能發(fā)生突水、涌泥、坍塌等問題，設(shè)計及施工中應(yīng)做好超前防護(hù)和防排水措施。并采取短開挖、強支護(hù)、及時襯砌的施工方式，確保施工安全[7］。

(4)重視環(huán)境地質(zhì)問題，對隧道的棄碴要合理規(guī)劃并進(jìn)行圍護(hù)處理，嚴(yán)禁亂棄亂堆，預(yù)防泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，注意環(huán)境保護(hù)。

(5)在隧道施工中，遇不良地質(zhì)時，應(yīng)擺正施工安全和進(jìn)度的關(guān)系，嚴(yán)格按制定的施工方案處理不良地質(zhì)，不可盲目冒進(jìn)[8］。

5 結(jié)束語

大尖山隧道工程規(guī)模大，地質(zhì)條件復(fù)雜。針對隧道開展了以大面積地質(zhì)調(diào)繪為主，綜合物探、鉆探為輔的綜合地質(zhì)勘察工作，基本查明了隧道的地質(zhì)條件，為設(shè)計專業(yè)提供了所需的地質(zhì)參數(shù)。由于地質(zhì)條件在空間上的多變性、復(fù)雜性，應(yīng)在施工中進(jìn)行超前預(yù)報，如開挖過程中出現(xiàn)與勘察成果不符的情況，應(yīng)根據(jù)施工開挖的圍巖狀況，及時合理的調(diào)整圍巖級別，確保支護(hù)處理措施合理到位。

[1]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S］

[2]張志沛.常家山隧道的地質(zhì)病害及防治對策研究[J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2006(6):189-193

[3]中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司.大尖山隧道工程地質(zhì)勘察報告[R］.北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)，2010

[4]楊小永，伍法權(quán).隧道危巖塊體穩(wěn)定性的地質(zhì)幾何簡明分析法[J］.巖土力學(xué)，2006(27):890-894

[5]SL320—2005 水利水電鉆孔抽水試驗規(guī)程[S］

[6]王進(jìn)華.祁連山隧道工程地質(zhì)勘察與評價[J］.鐵道勘察，2009(6):56-59

[7]郭海滿，劉成禹.龍廈鐵路象山特長隧道主要工程地質(zhì)問題研究[J］.鐵道勘察，2009(3):24-28

[8]石新棟.圓梁山隧道主要地質(zhì)問題及對策[J］.巖土工程界，2008(5):43-46