某不整合接觸帶地質(zhì)特征及隧道工程實例分析

麥 騏，閆常赫，白雪飛

(1.鄭州中興工程監(jiān)理有限公司海南分公司，海口 570125;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

不整合接觸是地殼淺層一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，其形成通常是區(qū)域性地殼運動、海(或湖)平面升降或局部構(gòu)造的結(jié)果，在地殼發(fā)育史、地殼變形機制研究中有著重要的意義。目前主要是在探礦、油氣田勘探領(lǐng)域研究較深入。在工程地質(zhì)領(lǐng)域尚未引起人們的重視，近年來隨著交通、水力等公共設施建設的發(fā)展，不少工程穿越地殼不整合接觸地帶，隨著工程施工中一些地質(zhì)事故的出現(xiàn)，工程地質(zhì)勘察人員逐漸意識到不整合接觸帶的存在及其重要性，并開始重視對不整合接觸帶的研究和勘探。

地殼不整合接觸帶的研究有重要的意義，受不整合接觸面控制的礦種主要為金礦和鈾礦，其次是銅、鉛、鋁等。在沉積盆地中，不整合面可作為重要的成礦通道，目前世界上很多含油氣盆地中發(fā)現(xiàn)一系列與不整合面相關(guān)的油氣田。在工程地質(zhì)領(lǐng)域，由于不整合接觸帶受時間變量、空間變量和幾何變量控制，多存在古風化層、古土壤以及變質(zhì)巖產(chǎn)物，在后期沉積壓實過程中其工程地質(zhì)性質(zhì)有所改善變化，但多數(shù)情況下其物理力學性質(zhì)較差，引起工程地質(zhì)條件惡化，對各種工程施工帶來不利影響，重視并加強對不整合接觸帶的研究和勘探顯得十分迫切。

1 不整合接觸帶地質(zhì)特征

1.1 不整合接觸帶基本特征

不整合接觸是巖層接觸關(guān)系的一類，主要由于地殼運動，往往使沉積中斷，形成時代不相連續(xù)的巖層，這種巖層接觸關(guān)系稱為不整合接觸。不整合接觸“面”由上、下巖層及其間的接觸界面構(gòu)成，該上、下巖層的接觸界面就是一般意義的“不整合面”。不整合“面”在空間上具有3層結(jié)構(gòu)，即不整合面之上的巖石、不整合面之下的風化黏土層以及風化黏土層之下的半風化巖層。不整合面上下兩套地層的巖性和巖相差異截然，兩者之間往往有一個較平整或起伏不平的古侵蝕面，這個面上可能保存著古風化殼、古土壤層或鋁土礦等。不整合接觸具有以下共同特點。

(1)有明顯的侵蝕面存在。侵蝕面上往往有底礫巖、古風化殼等。

(2)有明顯的巖層缺失現(xiàn)象，代表長期間斷。

(3)不整合面上下的巖性、古生物等有顯著的差異。

由于不整合接觸帶地質(zhì)成因的特殊性、復雜性，不整合接觸帶往往存在古土壤、古風化層、古巖溶或是變質(zhì)產(chǎn)物，局部還存有軟土，工程地質(zhì)條件較差。但是由于地表覆蓋有厚沉積物，故侵蝕面分布規(guī)律難以探明，給工程勘察設計施工帶來了系列問題。

1.2 不整合接觸類型

根據(jù)文獻［1］的觀點，將不整合面劃分為非整合、不整合、假整合和準整合。文獻［6］從層序地層學的觀點，根據(jù)反射終止與不整合面的關(guān)系將不整合劃分為侵蝕型和沉積型兩類。楊勇等［7］根據(jù)構(gòu)造和沉積的雙重控制原則將不整合進一步細化分為削截不整合、褶曲不整合、底辟不整合、震積不整合、古巖溶不整合、超覆不整合、假整合等7種類型。筆者根據(jù)成因及巖性特征，以及對工程建設的影響將不整合分為侵入型和沉積型，如圖1所示。

由于不整合接觸受侵入、沉積、構(gòu)造多方面控制，各類型不整合接觸關(guān)系具有共生性，各類沉積型不整合接觸關(guān)系沒有明顯的界限。

1.3 長治地區(qū)石炭系底部不整合接觸結(jié)構(gòu)

圖1 不整合基礎(chǔ)類型劃分

長治地區(qū)位于山西省東南部，為太行山、太岳山環(huán)繞，通稱“沁潞高原”，又稱“上黨盆地”。境內(nèi)山地、丘陵、盆地縱橫交錯。其中壺關(guān)一帶位于太行山構(gòu)造帶的邊緣，南為壺關(guān)構(gòu)造盆地，北側(cè)為晉獲斷褶皺帶，緊鄰長治大斷裂，褶皺多現(xiàn)，構(gòu)造跡象復雜。區(qū)域地層巖性主要為第四系(Q)黃土、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂巖夾頁巖，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)鋁土質(zhì)泥巖，奧陶系峰峰組(O2f)灰?guī)r。其中石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)鋁土質(zhì)泥巖直接覆蓋在奧陶系峰峰組(O2f)灰?guī)r剝蝕面上，其間缺失了奧陶系馬家溝組之上及志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)的一系列地層，為一典型的不整合接觸帶。其中石炭系中統(tǒng)本溪組地層產(chǎn)狀與奧陶系峰峰組一致，反應了該位置的沉積經(jīng)歷了下降、沉積-上升、沉積間斷、遭受剝蝕-下降、再沉積的過程，因此判斷該位置為一平行不整合接觸。

某不整合接觸位置地質(zhì)平面如圖2所示，根據(jù)區(qū)域調(diào)查結(jié)果，該位置地勢較高位置出露奧陶系峰峰組灰?guī)r，巖體較完整，地勢低洼位置表層覆蓋有黃土，下伏基巖為石炭系本溪組鋁土質(zhì)頁巖、奧陶系峰峰組灰?guī)r，石炭系與奧陶系巖層產(chǎn)狀一致。

圖2 某不整合接觸位置地質(zhì)平面

根據(jù)隧道實際開挖揭示和推測的Ⅰ—Ⅰ'和Ⅱ—Ⅱ'的剖面如圖3所示，石炭系本溪組和奧陶系呈平行不整合接觸，不整合接觸面無明顯規(guī)律，受初始地表影響比較嚴重，根據(jù)Ⅰ—Ⅰ'剖面推測該位置在石炭系之前發(fā)育一灰?guī)r沖溝，后地殼下降沉積石炭系鋁土質(zhì)泥巖，在接觸面發(fā)育有古土壤和全～強風化灰?guī)r，巖體破碎，多呈“土夾石”狀。

2 隧道工程地質(zhì)特點

2.1 不整合接觸帶的圍巖情況

某隧道沿Ⅰ—Ⅰ'剖面走向，在經(jīng)過古沖溝時隧道洞身走行于石炭系本溪組鋁土質(zhì)泥巖與奧陶系灰?guī)r的不整合接觸面。隧道實際開挖揭示，掌子面上部為石炭系本溪組鋁質(zhì)泥巖、頁巖，淺灰色、黃綠色，含水率約16%，巖質(zhì)較軟，手捏易碎，局部夾薄層砂巖。下部為全～強風化狀態(tài)奧陶系灰?guī)r，風化裂隙發(fā)育，黃土充填，巖體破碎，多呈土夾石狀，根據(jù)產(chǎn)狀推測該風化層厚度最厚可達30 m以上。泥巖與灰?guī)r之間夾有一層古土壤，呈褐黃色，黏土礦物為主，夾少量灰?guī)r礫石，其間夾多條黃綠色高嶺石化條帶，含水率15% ～17%。隧道開挖后拱頂變形明顯，受復雜地質(zhì)因素影響，掌子面工程地質(zhì)條件差，易產(chǎn)生坍塌。掌子面圍巖情況如圖4所示。

圖3 地質(zhì)剖面

圖4 通過不整合接觸帶隧道掌子面圍巖情況

2.2 初支方案

根據(jù)上述圍巖特征，巖體結(jié)構(gòu)松散，局部易坍塌，設計采用如下初支護方案:系統(tǒng)錨桿長度3.5 m，間距1 m，噴射厚度23 cmC25混凝土，鋪設20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)，I20型鋼間距0.75 m。為預防坍塌，加設超前支護，4 m超前小導管，間距0.4 m。

根據(jù)圍巖特點施工采用三臺階開挖，三臺階開挖順序為上臺階→中臺階→下臺階，開挖步距為上臺階與中臺階為2～3 m，中臺階與下臺階為3～5 m。隧道開挖后及時用5 cm厚C25噴射混凝土封閉掌子面。

3 隧道變形情況

初支完成后對敏感點進行監(jiān)控測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，拱頂下沉量偏大。如圖5所示，拱頂總下沉量可達110 mm以上，沉降收斂趨勢明顯，在12 d之后，拱頂下沉趨于穩(wěn)定。拱頂沉降變形速率隨時間變化如圖6所示，隧道拱頂初期沉降速率可達24 mm/d，之后沉降速率迅速減小，至第7天時已趨于0，第8天拱頂沉降速率突然增加，之后區(qū)域穩(wěn)定。根據(jù)工序調(diào)查，第8天為中臺階開挖時間，可以推測，中下臺階開挖對拱頂下沉變形有很大的影響。

圖5 拱頂沉降變形曲線

圖6 拱頂沉降速率隨時間變化的關(guān)系

4 結(jié)語

不整合接觸帶由于形成原因受復雜的地質(zhì)作用控制，接觸帶巖層軟弱、破碎，工程地質(zhì)條件差，本文在文獻調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道實際開挖揭示的不整合接觸帶的工程地質(zhì)特征和接觸面變化規(guī)律，分析了某隧道的支護變形情況。根據(jù)隧道實際開挖揭示的圍巖情況，得出當以隧道形式通過不整合接觸帶時，隧道圍巖級別需降低并加強支護，避免出現(xiàn)坍塌事故和圍巖大變形情況。

［1］ 陳發(fā)景，張光亞.不整合分析及其陸相盆地構(gòu)造研究中的意義［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2004，18(3).

［2］ 張立新.古風化殼的特征及工程實例［J］.鐵道勘察，2008(5).

［3］ 何登發(fā).不整合面的結(jié)構(gòu)與油氣聚集［J］.石油勘探與開發(fā)，2007(4).

［4］ 尹微，陳昭年，等.不整合類型及油氣地質(zhì)意義［J］.新疆石油地質(zhì)，2006，27(2).

［5］ 程日輝，林暢松，劉景彥.盆地研究中不整合成因分析［J］.世界地質(zhì)，1998(3).

［6］ Brown L F Jr，F(xiàn)isher W L.AAPG Continuing Education Course，Note Series(16):Seismic stratigraphic interpretation andpetroleum exploration［M］.Tulsa:AAPG，1979.

［7］ 楊勇，查明，洪太元，等.不整合分類研究進展與新型分類方案［J］.地層學雜志，2007(7).