杜家山特長隧道工程地質條件分析與評價

廖 俊

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

杜家山特長隧道工程地質條件分析與評價

廖 俊

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

通過對杜家山特長隧道隧址區地形地貌、地層巖性、地質構造、巖土體工程地質特征等進行調查，利用物探、鉆探，水文地質試驗和巖體物理力學試驗等勘察成果，分析評價隧道的地質復雜程度及工程地質條件，指出隧道施工過程中可能會遇到的工程地質問題以及相關施工措施和建議。

特長隧道；工程地質條件；復雜程度；綜合勘察；措施建議

1 工程概況

杜家山特長隧道位于改建鐵路陽平關至安康線增建二線擴能改造安康樞紐配套工程的南秦嶺越嶺段，隧道呈NE-SW向穿越南秦嶺低中山區，地形崎嶇，地勢險要，山高溝深，植被茂密，地質構造復雜，地層巖性多變，工程難度大。隧道全長10 582 m，為全線控制性工程，地質資料的準確性直接影響工程的進展。

勘察過程中充分利用綜合勘探的各種手段[9]，根據地質調查、物探、鉆探相互驗證，并對調查結果進行修正。利用鉆探查明淺埋段及部分深埋段覆蓋層及風化層厚度、洞身巖性、巖石完整程度、富水程度、斷層走向等；在隧道通過范圍內對每套地層的各種巖性采樣、定名及巖石物理力學指標進行試驗；布置物探工作，對洞身通過的溝谷地段及孔內進行放射性測試，對斷層溝谷區進行氡氣含量測試，以查明斷層地表邊界；進行深孔內原地應力測試、地溫測量、波速測試、水文測試等。通過上述工作，查明了隧址區的工程地質條件，對隧址區的工程地質問題進行全面評價。在此基礎上，提出隧道設計和施工中應注意的巖土工程問題及處理措施建議。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

杜家山隧道進口位于旬河支流麻坪河河谷區，出口位于漢江支流丁家河河谷區，洞身穿越南秦嶺低中山區。隧址區主峰界嶺高程1 150 m，麻坪河河床高程303 m，丁家河床高程314 m，溝谷發育，多呈垂直山脊樹枝狀分布的“V”形谷，嶺北主要分布有麻坪河、向家溝、康家溝等，嶺南主要分布有紙房溝、二郎溝、油房溝、丁家河等，山體相對高差500～800 m，屬中-深切割山區，以淺變質石質山地為主，山坡植被茂密，樹木較多。

2.2 氣象特征

本區屬北亞熱帶秦巴濕潤山地氣候，氣候溫和，雨量充沛，隧道穿越旬陽縣和安康兩市縣區，主要氣溫參數如下(2000～2009年)：

年平均氣溫16.0～16.7 ℃；最冷月平均氣溫2.0～2.4 ℃，最熱月(七月)平均29.4～29.8 ℃，極端最低氣溫-6.3 ℃，極端最高氣溫40.9～43.1 ℃，年平均降水量772.5～872.4 mm，年最大降水量1 216.8～1 392.1 mm，年最小降水量519.8～637.5 mm，年平均蒸發量874.4～1 435.7 mm，年最大積雪厚度4～6 cm，土壤最大凍結深度30 cm。

2.3 地層巖性及物性參數

隧道工程涉及地層主要有第四系全新統坡殘積粉質黏土，沖、洪積細圓礫土，卵石土；泥盆系中統大楓溝組及公館組灰巖、千枚巖、千枚巖夾灰巖、灰巖夾千枚巖；志留系下統梅子埡組千枚巖，含泥炭質片巖夾云母片巖、片巖。此外，局部有長英質巖脈及巖株侵入。本區經歷了多次構造變動，巖層不同程度發生變質。地層接觸關系如圖1所示，各地層物性及力學參數見表1和表2。

圖1 杜家山特長隧道地層

表1 杜家山特長隧道各類巖組的物性參數統計

表2 隧道各巖性物理力學指標統計

2.4 地質構造

受本區構造影響，隧道區褶皺構造和斷裂構造相對發育，隧道洞身穿越4個褶皺構造，其中兩個向斜構造、兩個背斜構造。

杜家山隧道穿越斷裂總共10條(854 m)，占隧道群全長的8.07%，其中洞身穿越主要斷裂7條(累計長度834 m)，洞身穿越3條一般斷層(累計長度20 m)，對隧道有較大影響。

隧址區地表基巖露頭節理較發育-發育，全隧道巖體受2～3組節理切割、控制，其中正洞洞身發育兩組近似平行洞軸節理，為不良節理，影響范圍2 892 m/2段，占隧道全長的27.33%。麻坪河橫洞發育一組近似平行洞軸節理，為不良節理，貫穿整個橫洞，對隧道圍巖影響較大，巖體完整性較差。

2.5 不良地質

(1)巖溶

隧道灰巖區屬弱巖溶化巖層，溶洞密度小、個體小，隧道區巖溶的發育多與構造破碎帶關系密切。巖溶裂隙水主要接受大氣降水和地表水補給，富水性好，斷層及構造發育區巖溶突水的可能性很大。

(2)高地應力條件下硬質巖巖爆和軟質巖變形

最大水平主應力值為10.31～27.33 MPa，最小水平主應力值為8.31～16.83 MPa，隧道最大埋深約773 m，隧道通過硬質巖長度約2 936 m，占隧道總長的27.74%，隧道通過軟質巖長度約6 756 m，占隧道總長的63.84%，在高地應力條件下易發生硬質巖的巖爆和軟質巖的大變形問題。

(3)邊坡穩定性

工點區域麻坪河、二郎溝內第四系覆蓋層較厚，分布有較多滑坡、錯落，多為堆積層滑坡、錯落，不良地質體物質主要為碎石土及粉質黏土，規模較大。隧道進口及出口巖體節理、裂隙較發育，巖體較破碎，風化層厚約10 m，邊坡穩定性差。丁家河橫洞進口為云母片巖和炭質片巖，巖體節理、裂隙發育，巖體完整性、層間結合差，風化層厚，邊坡穩定性差。麻坪河橫洞及丁家河斜井進口巖體節理、裂隙較發育，巖體較破碎，風化層厚約16 m，邊坡穩定性差。目前對隧道洞身無影響，但施工不當會對洞口和施工便道造成一定影響。

(4)偏幫及掉塊

全隧道巖體受2～3組節理切割、控制，其中正洞洞身發育兩組近似平行洞軸節理，為不良節理，影響范圍2 892 m/2段，占隧道全長的27.33%。麻坪河橫洞發育一組近似平行洞軸節理，為不良節理，貫穿整個橫洞，對隧道圍巖影響較大，巖體完整性較差，易偏幫、掉塊。

(5)有害氣體

隧道洞身在穿越志留系下統含泥炭質片巖夾云母片巖，襄渝二線財神廟隧道通過同組地層時，有低濃度H2S、瓦斯等有毒有害氣體逸出。施工中應提前按規定采取合理的安全措施，加強有毒有害氣體監測，消除可能出現的安全風險。

3 水文地質條件

根據隧道通過區的地層巖性、地質構造特征，并結合含水巖組的不同，地下水分為第四系孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水三大類。基巖裂隙水又可細分為六個含水巖組，而發育于巖溶中的巖溶水，水量不穩定，隨季節變化大，對施工影響大。

根據水文地質調查、地表泉水流量大小、巖性和構造及水文地質計算，將隧道部位地下富水性分為強富水、中等富水、弱富水三個區(其中中等富水分為2個亞區)。

隧道通過強富水區3 000 m/2段，占總隧道總長的28.35%；通過中等富水區5 169 m/3段，占總隧道的48.84%；通過弱富水區2 413 m/2段，占總隧道的22.8%。

采用降水入滲法計算和地下水動力學法計算隧道涌水量預測結果：正常涌水量為40 487 m3/d，最大涌水量為120 096 m3/d。麻坪河橫洞涌水量預測結果：正常涌水量為11 829 m3/d，最大涌水量為35 487 m3/d。丁家河橫洞涌水量預測結果：正常涌水量為4 772 m3/d，最大涌水量為14 316 m3/d。丁家河斜井涌水量預測結果：正常涌水量為636 m3/d，最大涌水量為1 907 m3/d。

4 工程地質條件復雜程度分級及評價

4.1 隧道地質復雜程度分級

根據對隧道工程地質、水文地質條件的綜合分析[10]，預測隧道施工中可能會出現巖爆、大變形、突涌水(泥)、圍巖失穩、放射性異常、有害氣體及不良節理等地質災害：洞身穿越斷層破碎帶10條及影響帶(進出斷層20個部位)，高-極高地應力段1段，褶曲帶4段，巖溶發育段、泥炭質片巖夾云母片巖帶1段，物探異常帶10段，可溶巖與非可溶巖接觸帶、隧道進出口和洞身河溝淺埋段3處及不良節理影響帶3段等高風險部位，地質復雜等級見表3。

表3 杜家山特長隧道地質復雜程度分級

4.2 隧道工程地質條件評價

杜家山特長隧道全長10 582 m，穿越秦嶺南麓低中山區，地形崎嶇，地勢險要，山高溝深，植被茂密，地質構造復雜，地層巖性軟硬不均，地下水豐富，隧道埋深大，施工中可能存在突然涌水(泥)、坍塌、冒頂、高地應力條件下的巖爆及軟巖變形、巖溶及有害氣體逸出等地質問題，隧道不確定因素多，工程難度大。

隧道洞身兩端為志留系下統梅子埡組千枚巖、含泥炭質石英片巖、云母片巖、云母石英片巖，中部巖性為泥盆系中統公館組和大楓溝組千枚巖、千枚巖夾灰巖、灰巖、灰巖夾千枚巖等。其中梅子埡組云母石英片巖，公館組和大楓溝組灰巖、灰巖夾千枚巖，含鈣質、石英質較多的千枚巖以及巖株、巖脈狀長英巖屬硬質巖，隧道通過硬質巖長度約2 936 m，約占隧道總長的27.74%；梅子埡組云母片巖、含泥炭質石英片巖、千枚巖、大楓溝組絹云母千枚巖屬軟質巖，隧道通過軟質巖長度約6 756 m，約占隧道總長的63.84%；洞身通過10條斷層，斷層破碎帶以斷層泥礫、擠壓片巖、擠壓千枚巖、壓碎巖等極軟巖為主，長度約為890 m，占隧道總長的8.41%。

隧址區經歷多期構造作用，褶皺、斷裂構造極為發育，隧道穿越的重要斷層有7條，一般斷層有3條(累計通過斷帶長度為854 m)，大型褶皺4個。通過主要斷裂有：F12宋家埡斷層(280 m)、F13-2麻坪河斷裂(24 m)、F13-4界嶺村斷層(100 m)、F13-12紙房溝斷層(60 m)、F13杜家山斷層(90 m)、F13-18丁家河斷層(235 m)、F13-19東鎮斷層(45 m)，推測在DK222+000附近穿越界嶺村斜臥背斜核部，在DK223+280附近穿越紙房溝斜臥向斜核部，在DK224+660附近穿越二郎溝斜臥背斜核部，在DK226+000附近穿越丁家河斜臥向斜核部。

隧道洞身通過兩段強富水帶(總長3.55 km，約占隧道總長33.54%)、2段中等富水帶(總長5.319 km，約占隧道總長50.26%)、2段弱富水帶(總長1.767 km，約占隧道總長16.7%)。

隧道洞身在DK227+260～DK228+150(890 m)段通過含泥炭質片巖夾云母片巖帶。

隧道洞身在DK220+340～DK224+470(4 130 m)段埋深350～773 m，存在高-極高地應力。

隧道在斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、褶皺帶核部、含泥炭質片巖帶工程地質條件較差，容易產生突然涌水、坍塌、冒頂、變形量過大等地質問題；隧道在軟質巖區及軟硬巖交互段可能出現坍塌、掉塊及局部段落的圍巖變形量過大等地質問題；硬質巖區一般巖體較完整，但受多組節理、裂隙切割，存在掉塊、高地應力下的巖爆以及強富水性問題；隧道在含泥炭質片巖可能出現低濃度H2S、瓦斯等有毒有害氣體逸出；該隧道還存在巖溶等地質問題。綜合評價：隧道地質條件一般，局部段落較差。

5 結束語

杜家山特長隧道地質條件復雜，為高風險隧道，施工中應加強超前地質預報工作，以地質編錄為基礎，TSP為先導，發現異常段落時增加地質雷達及紅外探水進行確認。對巖溶發育區及確認的異常段落進行超前鉆探，各種手段相互驗證，進一步查清工作面前方的地質條件，分析施工中可能存在的地質問題，并提出工程措施建議，降低地質災害發生的機率和危害程度。

對于易發生塌方和大變形等斷層破碎帶、褶皺核部及淺埋段等地段，應加強襯砌支護及防排水措施，減少對圍巖的影響，保證圍巖的穩定性。

[1] 鐵建設[2008]105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南[S]

[2] 鐵建設[2007]200號 鐵路隧道風險評估與管理暫行規定[S]

[3] TB10012—2007 J124—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[4] TB10027—2012J1407—2012 鐵路工程不良地質勘察規程[S]

[5] TB10049—2004J339—2004 鐵路工程水文地質勘察規程[S]

[6] TB10013—2010 鐵路工程物理勘探規范[S]

[7] TB10014—2012 鐵路工程地質鉆探規程[S]

[8] TB10038—2012J1408—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規程[S]

[9] 張雄鋒.五指山隧道綜合勘察手段的應用[J].鐵道勘察,2013(2)

[10]鐘有信，耿偉，胡斌.象山特長鐵路隧道重大風險評估及控制[J].鐵道勘察,2012(4)

AnalysisandevaluationofDuJiaShanTunnelEngineeringGeologicalConditions

LIAO Jun

2014-10-30

廖 俊(1983—)，男，2009年畢業于中國地質大學(武漢)地質工程專業，碩士，工程師。

1672-7479(2014)06-0046-04

U25

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