宜萬鐵路堡鎮地區工程地質勘察

曾強運

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 地質背景

堡鎮地區處于構造剝蝕、侵蝕中山區，山高坡陡、溝谷縱橫、植被發育、灌木雜草叢生，山嶺和溝谷呈NWW向延展，榔坪河南岸為溶蝕山谷組成的巖溶地貌，北岸為碎屑巖組成的尖棱狀山脊。區內海拔高度800～1 646m，相對高差300～800m。

測區位于東西向長陽背斜北翼，以榔坪河為界，北岸出露志留系碎屑巖，南岸為寒武、奧陶系碳酸鹽巖，山系、斜坡走向以及線路走向皆與構造線方向一致。臺原區為東西向寬緩臺地，并構成了巖溶水系統的補給區，斜坡地帶為巖溶地下水徑流區，榔坪河為巖溶水的排泄區。水動力模式為:面狀補給→橫向徑流→縱向受阻匯聚→管道流順巖層走向運移。奧陶系中上統的泥質灰巖和志留系碎屑巖為阻水層，一方面阻止了巖溶地下水向北的運移，同時又將南部巖溶臺原的地下水在該阻水層的南側富集，順巖層走向巖溶和巖溶管道發育。圖1為堡鎮地區區域地質略圖。

圖1 堡鎮地區區域地質略圖

2 綜合地質勘察方法

針對堡鎮地區的工程地質勘察，集成了工程地質遙感、大面積工程地質及水文地質調查、帶狀地質調繪、深(淺)孔鉆探及綜合測試試驗、施工地質超前預報、地應力原位測試試驗、地層圍巖變形監控量測及應力應變測試試驗等多種勘察方法，并采用常規勘察階段與加深地質、施工地質勘察階段相結合的多階段綜合地質勘察，基本查明了堡鎮地區的工程地質及水文地質條件。

在勘察期間，對堡鎮地區進行了踏勘、加深地質、初測、定測、補充定測等多個階段的綜合地質勘察。在充分搜集、分析研究既有資料的基礎上，以遙感判譯先行，以大面積工程地質測繪和大面積水文地質調查為基礎，以淺孔、深孔鉆探為勘探手段，并進行了針對性的孔內測試試驗(地應力測試、地溫測試、水文試驗、綜合測井等)以及大量的土、石水樣測試試驗工作。

在施工地質期間，對堡鎮隧道進行了工作面地質素描、煤系地層瓦斯監測等超前地質預報工作，特別是針對“高地應力軟弱圍巖大變形”技術難題進行了專題攻關研究，進行了大量現場取樣測試試驗、地應力原位測試試驗、地層圍巖變形監控量測、應力應變測試試驗以及地質綜合分析等一系列施工地質工作。

3 工程地質選線

測區在構造上隸屬于長陽背斜北翼，其東部發育有仙女山區域性大斷裂，構造極其復雜。測區處于寒武、奧陶系灰巖和志留系碎屑巖相結合部位。榔坪河南岸灰巖區位于巖溶地下水排泄區，巖溶發育，巖溶地下水活動強烈，發育有多條暗河系統和巖溶大泉，顯示“背斜匯水分散排泄型”巖溶水系統特征，巖溶水文地質條件極其復雜，隧道在此范圍內通過時與主要富水帶、暗河、縱向巖溶管道系統平行，極易遭遇大型巖溶涌水、突泥災害，隧道施工風險極高。北岸為碎屑巖區，地形條件陡峻，順層滑坡群發育。

經綜合比選后，采用了繞避碳酸鹽巖的北岸碎屑巖隧道方案，避開了南岸巖溶、巖溶水發育區，從源頭上規避了可能發生的大規模突水、突泥等重大地質風險，使隧道的地質條件得到了明顯改善;并采用長隧道方案，成功規避了順層滑坡群。

堡鎮隧道置于碎屑巖地段后，部分地段富集裂隙水，主要存在高地應力軟弱圍巖大變形地質問題。相對于巖溶巖溶水的不確定性、突發性及災害性而言，軟弱圍巖大變形問題施工中可控，降低了施工的安全風險。圖2為堡鎮隧道區域巖溶水文地質剖面示意。

圖2 堡鎮隧道區域巖溶水文地質剖面示意

4 軟弱圍巖高地應力大變形勘察

4.1 圍巖物理特征勘察

通過帶狀地質調查、淺孔及深孔勘探、水石土樣試驗，包括巖樣磨片、抗壓、軟化等綜合地質勘察測試試驗，確定堡鎮隧道圍巖的物理特征。

(1)圍巖軟弱、破碎

洞身主要位于志留系下統的粉砂質、砂質頁巖、泥質粉砂巖及炭質頁巖地層，僅局部位于奧陶系泥灰巖夾頁巖地層，層間多夾有軟弱泥質夾層，巖石的單軸飽和抗壓強度一般為6.5～13.1 MPa，軟化系數為0.31～0.42。部分富水炭質頁巖地段巖芯呈破碎，遇水呈泥狀，取樣困難，所取得的最低抗壓強度為1.04 MPa;富水砂質頁巖抗壓強度一般為3.9～9.1 MPa。

發育有多組節理，一般地段發育2～3組，局部地段發育4～5組，節理密集，圍巖破碎，多呈角礫碎塊狀。

(2)圍巖順層偏壓

堡鎮隧道屬典型的順層偏壓隧道。隧道處于長陽背斜構造的北翼，地層走向 NWW，傾向 NW350°～NE25°，傾角一般為35°～55°，隧道軸線基本平行于巖層走向，隧道洞身左側邊墻巖體順層，洞壁易產生順層滑動位移變形。

(3)裂隙水發育

隧道進、出口及局部淺埋段地表發育多條沖溝，由于巖體破碎，使得隧道局部部位裂隙水較發育，受裂隙水的影響，洞身圍巖的穩定性大大降低。根據降雨入滲法，預測隧道正常涌水量為4 634m3/d，最大涌水量為20 422m3/d。

4.2 高地應力勘察

通過深孔地應力測試試驗及地應力原位測試試驗、圍巖變形監控量測資料反演分析等，確定隧道區高地應力的特點。

隧道實測最大地應力約為16 MPa，隧道橫斷面內的最大初始應力約為14.75 MPa，最大水平主應力方向為N57°W －N67°W 之間，與隧道軸線夾角30°～40°，圍巖的強度應力比為0.07～0.6，屬極高應力區。

地應力狀況受巖體結構完整程度影響顯著，隧道區地應力無論是量值還是方向變化幅度都比較大，地應力場復雜，具有明顯的不均勻性。

5 結束語

工程地質選線是規避施工風險的源頭，對復雜山區線路方案的選擇需在多階段、多方法綜合地質勘察的基礎上進行工程地質選線，經綜合分析比選后，選擇施工風險最小的線位方案通過，最大程度地規避施工地質風險。

軟弱圍巖高地應力大變形隧道除常規勘察階段外，還需加強施工地質勘察工作，如圍巖物性特征、高地應力特點及變形特征等的相關勘察及分析工作。

［1］何華武，曾強運．復雜艱險山區地質勘察及選線技術［J］．中國工程科學，2009(12)

［2］顧湘生，曹柏樹，等．堡鎮隧道地質勘察報告［R］．武漢:中鐵第四勘察設計院，2004

［3］曹柏樹，劉坡拉，等．堡鎮隧道匯報材料［Z］．恩施:中鐵第四勘察設計院，2007

［4］顧湘生，劉坡拉，等．宜萬鐵路深埋巖溶隧道地質勘察綜合技術［Z］．武漢:中鐵第四勘察設計院，2011