華南某山區鐵路隧道工程地質條件淺析

武　君

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

1　概述

該隧道位于廣東省西部山區，隧道總長5.4 km，為深埋隧道，最大埋深465 m。

該隧道位于中低山區，溝谷發育，地形起伏大，植被茂密，山坡自然坡度20°～50°，坡面多種植杉樹及桉樹，進出口部分地段已開墾為果園，最大相對高差502 m。

本區屬亞熱帶半濕潤氣候區，氣候溫和濕潤，陽光充足，雨量充沛，4～9月降水集中。據云浮市氣象資料：年平均氣溫21.5 ℃，極端最高氣溫39.1 ℃，極端最低氣溫-1.3 ℃，年平均降水量1 598 mm，年最大降水量2 138.8 mm，年最小降水量881 mm，年平均蒸發量1 442.4 mm，年最大蒸發量1 685.8 mm。年平均風速1.2 m/s(主導風向NE10°)，最大定時風速17.3 m/s，最大瞬時風速23.3 m/s；本區無霜凍期。

隧址區地震動峰值加速度采用0.05 g，相當于地震基本烈度Ⅵ度。地震動反應譜特征周期采用0.35 s。

2　工程地質特征

根據區域地質資料，結合鉆探揭示的巖性判斷，該隧道穿過的地層主要有第四系殘坡積層、石炭系下統頁巖，奧陶系中下統千枚巖、石英砂巖、頁巖和砂巖及燕山期花崗斑巖。

綜合物探解析，區域地質資料，調繪資料及鉆探、試驗資料分析，本隧道穿過9條斷層，均為北東向。其中：F1為清水塘斷層、逆斷層，F2為佛子前斷層，F4為悅城斷層、正斷層，F9為都騎斷層、正斷層，F3、F5、F6、F7、F8為次生斷裂。該隧道總體構造形跡以斷層為主，褶皺次之，如圖1所示。

圖1　隧道工程地質示意

3　水文地質特征

該地區雨量充沛，隧道洞身地表發育深切溝谷，多常年流水，并形成各種小瀑布，流量較大，雨季水量增加。據調查，洞身附近的溝谷出露泉水。

本隧道地下水主要接受大氣降水入滲補給、地表溝水入滲補給和基巖裂隙水側向補給，地下水的補給來源充足。隧道出口端分布多條北東向的斷層破碎帶及其影響帶、多條花崗斑巖侵入接觸帶，巖層較為破碎，裂隙發育，為地下水的富集及徑流提供了較好的空間和通道。斷層對地下水的賦存及徑流有明顯的控制作用；花崗斑巖侵入體具有一定的阻水作用，使地下水排泄不暢，水壓上升。從勘探資料分析，鉆孔內地下水多具有承壓性。隧道洞身地段的地下水主要為基巖裂隙水，出口端多具承壓性。根據本區地下水質分析，本隧道出口段內的基巖裂隙水具H1級硫酸鹽侵蝕，其余地段地下水對混凝土無侵蝕性。

4　工程地質條件分析

4.1　隧道進出口工程地質條件分析

隧道進口巖性主要為粉質黏土、全—強風化頁巖，隧道出口巖性為硬塑狀粉質黏土及全風化花崗斑巖；土層及全風化層結構松散，邊坡穩定性差，在地表水作用下，邊坡易產生崩塌，施工過程中建議加強防排水及支護措施。

4.2　地應力分析

通過位于隧道DK339+896左8 m、孔深423.20 m的深孔SSZ-8內采用水壓致裂法進行的地應力測試得出：①最大水平主應力值為10.23～21.36 MPa，洞身附近的最大水平主應力約為21 MPa；最小水平主應力值為6.65～13.78 MPa，洞身附近的最小水平主應力約為14 MPa；用上覆巖層容重(約為2.65 g/cm3)估算的垂直主應力約為11 MPa。②洞身附近三向主應力值的關系為SH>Sh>Sv，地應力特征以構造應力作用為主，三向主應力具有隨深度增加而增大的趨勢，這一結果反映的是鉆孔周邊的現今應力狀態。③洞身附近的最大水平主應力優勢方向為北西西向(N61°～72°W)，與隧洞軸線走向夾角較小，有利洞室圍巖的穩定。

依據文獻[1]的判定標準，鉆孔處隧道洞身附近具有高—極高地應力，隧道埋深大于350 m的地段DK339+220～DK340+440長1 200 m，亦存在高—極高地應力的問題。但實測最大水平主應力方向與隧道軸線方向夾角較小，最大水平主應力對隧道的穩定性影響較小，加之該隧道地下水較為發育，硬質巖只存在發生輕微巖爆的可能，軟質巖存在隧道斷面收斂變形嚴重及片幫的可能性。

4.3　隧道圍巖分析

根據隧道通過圍巖的埋深、巖性及其風化程度、巖體完整程度、節理裂隙、構造、地下水以及地應力等情況，采用文獻[2]、[3]的劃分標準，將本隧道圍巖劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，如圖2所示。

圖2　隧道圍巖分級示意

根據隧道圍巖分級情況可知，本隧道以Ⅲ級圍巖為主，Ⅳ、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

4.4　隧道涌水量預測

根據隧道的地形地貌、地層巖性、地質構造與水文地質情況，利用鉆孔水文實驗數據，分段對隧道進行涌水量計算，計算方法采用大氣降水入滲法和地下水動力學法[4]、[5]，計算得隧道涌水量分布情況(如圖4所示)。

圖4　隧道涌水量分布示意

采用大氣降水入滲法計算得隧道正常涌水量為5 238 m3/d、最大涌水量為10 476 m3/d；采用地下水動力學法計算得隧道正常涌水量為10 023 m3/d、最大涌水量為14 282 m3/d。綜合以上兩種計算方法，預測本隧道正常涌水量為10 023 m3/d，最大涌水量為14 282 m3/d。結合現場調查、鉆探資料及區域資料綜合分析可知，隧道進口地段涌水量較小，地下水不發育；隧道出口地段，特別是溝谷淺埋地段，巖體破碎，受構造影響，隧道開挖時突水可能性大。

4.5　隧道超前地質預報的重點地段及內容

本隧道地質條件復雜，應根據文獻[6]進行超前地質預報，采用方法為TSP、地質素描、紅外探測、超前地質鉆探等。本文根據隧道實際情況，劃分出以下5個超前地質預報的重點段落：①DK338+120～DK338+250段穿過溝心下方部位，地下水發育，避免突水現象發生；②DK339+906～DK340+011段穿過斷層破碎帶及其影響帶，避免坍塌及突水；③DK340+011～DK340+111段穿過向斜核部，巖層平緩、節理發育，為儲水構造，避免坍塌及突水現象發生；④DK340+341～DK340+446段穿過斷層破碎帶及其影響帶，圍巖較破碎，地下水發育，避免坍塌及突水現象發生；⑤DK340+700～DK342+787段穿過斷層破碎帶及其影響帶，侵入巖接觸帶、物探異常帶、富水段、淺埋及地表溝心段，圍巖破碎，地下水發育，避免坍塌及突水現象發生。其中斷層破碎帶、侵入巖接觸帶、DK340+940～DK341+200強富水段、DK342+140～DK342+400強富水段、DK342+600～DK342+720強富水段必須采用超前地質鉆探預報，避免突水現象的發生。

5　結論

(1)隧道穿越的地層比較復雜：穿過沉積及變質作用的砂巖、千枚巖，侵入活動形成的花崗斑巖。

(2)地質構造復雜，穿越北東向展布的斷層束，共穿過約9條斷層帶、4條侵入巖接觸帶，巖層受構造影響強烈，節理裂隙發育，部分地段圍巖穩定性差。

(3)地下水豐富，斷層破碎帶及侵入巖接觸帶裂隙的連通性較好，是地下水儲藏的空間及徑流的通道，特別是隧道出口段，鉆孔揭示有承壓水，水量較大，隧道施工中可能發生突水。

(4)隧道埋深大于350 m的地段長約1 200 m，存在高—極高地應力問題，但隧道走向與最大水平主應力方向近于平行，相當程度地化解了地應力對隧道的不利影響。

(5)設計及施工過程中應重視隧道進出口的排水、支護等問題。

(6)本隧道地質條件復雜，穿越多條斷層破碎帶、

侵入巖接觸帶、物探異常帶、淺埋溝谷段、富水帶等，巖體破碎，地下水豐富，設計及施工過程中必須重視超前地質預報工作。

(7)本隧道地下水豐富，部分地段圍巖破碎，建議采取堵排結合的方案處理地下水，破碎地層中較大的地下水建議注漿固結封堵，完整地層中少量的水可排出隧道。

(8)施工時應做好DK339+220～DK340+440段的地應力監測工作。

[1]中華人民共和國水利部.GB50218—94工程巖體分級標準[S].北京：中國計劃出版社，1995

[2]鐵道第一勘察設計院.TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[3]鐵道第二勘察設計院.TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[4]鐵道第一勘察設計院.TB10049—2004鐵路工程水文地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2004

[5]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[6]中國中鐵隧道集團有限公司.鐵建設[2008]105號鐵路隧道超前地質預報技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2008