蒙華鐵路中條山隧道第三系地層工程地質特征研究

秦正貴,陳 勇

(1.中鐵隧道勘測設計院，天津 300133; 2.中鐵第一勘察設計院，陜西 西安 710043)

蒙華鐵路中條山隧道第三系地層工程地質特征研究

秦正貴1,陳 勇2

(1.中鐵隧道勘測設計院，天津 300133; 2.中鐵第一勘察設計院，陜西 西安 710043)

由于對第三系地層的工程性質認識不足，國內經驗表明在第三系地層中修建隧道具有很高的風險。結合蒙華鐵路中條山隧道勘察設計實踐，利用勘探、室內試驗和原位測試等手段獲取原始數據，總結研究認為中條山南麓第三系地層巖性可劃分為中等膠結礫巖、弱膠結礫巖、弱成巖砂巖、半成巖泥巖和半成巖砂質泥巖，地層成巖程度低，暴露易風化，遇水易軟化，泥巖和砂質泥巖具膨脹性，水文地質特征因巖性而異，隧道施工中容易出現塌方、大變形和突水涌砂，基底需慎重處理，否則在鐵路運營期容易出現翻漿冒泥。

中條山隧道；第三系地層；洪積扇；工程地質特征；水文地質特征

0 引言

隨著我國建設事業的不斷發展，越來越多的工程項目要在第三系地層中修建。蘭渝鐵路等工程實踐表明，由于對此類地層工程性質認識不足，造成了很多損失，因此對此類地層的工程性質研究是很有意義的。辜明清等[1]對第三系礫巖的工程地質問題進行了分析；閆泉峰等[2]對第三系礫巖的水文地質特征進行了研究；張紹民[3]對第三系地層承載力進行了研究；閆宇等[4]認為對上第三系地層巖性可分為巖類、軟巖-硬土和硬土類；張一等[5-6]認為上第三系地層成巖時間短,巖、土性質并存,是介于巖石與土之間的過渡性地層，水文地質特征有其特殊性，差異性大；張啟龍等[7]對西寧盆地第三系地層分布特征、巖性特征以及化學成分進行探討,分析了地面工程及地下工程的地基穩定性、邊坡穩定性、地下洞室穩定性的影響因素；張曉宇[8]對西寧地區第三系泥巖夾石膏巖地層從膨脹性、溶蝕性、軟化特征、崩解性、承載力、腐蝕性等方面進行了研究；趙清泊[9]、陳德彪[10]結合蘭渝鐵路胡麻嶺隧道等工程實踐，對第三系砂巖地層施工形成的松動圈大小、蠕變等工程性質進行了分析研究；歐爾峰等[11]結合梁家山隧道工程對天水地區的第三系泥巖進行了特性研究。上述研究分析使人們對第三系地層特點有了一定的認識，但均具有較強的地域特點。

蒙華鐵路中條山隧道在山西運城境內下穿中條山，該隧道長約18.4 km，出口段約有3.7 km下穿中條山南麓第三系上新統(N2)洪積扇地層，該地層具有成巖程度低、工程性質差等第三系地層普遍特征，因為其洪積而成，工程地質和水文地質更是具有其獨特性質。在前期勘察設計階段，對該套地層工程地質特征進行詳細研究，希望能對中條山隧道順利貫通起到基礎性作用，并為類似工程積累經驗。

1 區域地質特征

區域上，測區屬于山西斷陷南部的運城“多”字型構造帶(見圖1)。中條山西南段隆起主要展布在夏縣—平陸以西的基巖出露地帶，長約80 km，寬10～14 km，其北側受中條山北麓斷裂控制，與運城凹陷斷層接觸，其南側受中條山南麓斷裂控制，與靈寶凹陷斷層接觸(見圖2)。

F1—韓城斷裂；F2—峨嵋臺地北緣斷裂；F3—峨嵋臺地南緣斷裂；F4—中條山北麓斷裂；F5—中條山南麓斷裂；F6—華山山前斷裂；F7—溫塘斷裂新構造分區；Ⅰ1—羅云山隆起；Ⅰ2—中條山隆起；Ⅰ3—華山隆起；Ⅱ1—河津斷陷；Ⅱ2—峨嵋臺地隆起；Ⅱ—3運城斷陷；Ⅱ4—靈寶斷陷。

圖1地震構造簡圖

Fig.1 Diagram of seismic tectonic zone

圖2 中條山構造圖

靈寶凹陷沉積了巨厚的第四系堆積物，最大厚度超過1 000 m，但在其北側的中條山南麓，第四系堆積物厚度僅100～200 m，越靠近山區越薄，其下潛伏第三系上新統(N2)地層。該第三系地層為洪積扇，沿中條山南麓北北東向延伸，長數十km，寬僅僅數km。洪積扇坡度大約5%，具有較好的分選性，靠近山區以粗顆粒礫巖為主，向南逐漸過渡至洪積扇前緣細顆粒的泥巖，洪積期次多，具成層構造。中條山基巖區地下水從北側高處對其側向補給，向南至洪積扇前緣受隔水層阻擋，從而形成一個斜坡承壓水構造。

2 地層巖性及其工程地質特性

中條山隧道勘察期間，沿著隧道線路，在大約3.7 km寬的第三系洪積扇范圍內，施作了26個地質深孔。大部分鉆孔采用雙管取芯工藝，巖芯采取率較高。

鉆探揭露的第三系洪積扇地層巖性及其工程性質詳細分類見表1。

總體上看，沿洪積扇縱向，中等膠結礫巖主要分布在緊靠中條山一帶，地勢高，往南是弱膠結的礫巖，夾弱成巖砂巖，再往南是弱膠結礫巖與砂質泥巖犬牙交錯的過渡地段，在洪積扇最前沿是半成巖的泥巖。沿洪積扇橫向，中條山相鄰沖溝發育的洪積扇交錯搭接。

3 水文地質特征

第三系洪積扇地層北靠中條山寒武系中統張夏組(∈2z)石灰巖地層，接觸帶石灰巖巖溶弱至中等發育，巖體強風化，礫巖呈散體碎石土狀，因此接觸帶是有利的地下水滲流通道。中條山基巖區地勢高，地下水在重力作用下通過接觸帶向低處第三系洪積扇地層源源不斷地補給，在洪積扇前緣受阻，因此形成一個斜坡承壓水構造(見圖3)。根據實際測量，承壓水主要含水層為礫巖和砂巖，由于多期次洪積造成地層垂直向的成層結構，承壓水在垂直向具有分層特征，越靠近底下的含水層承壓水水頭越高，承壓水綜合水頭一般可高出地面或接近地面，水力坡度在4%～10%。

表1 地層巖性及工程地質性質特性分類表Table 1 Classification of strata lithology and engineering geological characteristics

圖3 中條山承壓水構造簡圖

為查明地層滲透性，在多個地質鉆孔和水文鉆孔中施作套管護壁、分層定水位抽水試驗。地質模型采用無限含水層中承壓完整井定水位抽水非穩定流模型[12]，計算公式如下：

(1)

式(1)表明在無限含水層中定水位抽水，出水量會逐漸減少。

對式(1)進行改寫：

(2)

T=0.183/(sn)；a=0.445r210m/n。

(3)

根據式(3)求得導水系數T后，除以含水層厚度M就可得地層滲透系數K。

SDZ-1和SDZ-2是專門的水文孔，孔徑300 mm，套管護壁，套管內徑為209 mm，套管與地層之間水文試驗深度填塞濾料，其余深度采用黏土等材料封隔。在所有抽水試驗中，這2個水文孔的數據最為穩定可靠，圖4—7是這2個水文孔抽水實驗的計算圖。由圖4—7可以看出，隨著時間的延長，定水位抽水出水流量是逐步減少的，實測數據可比較好地擬合成直線，符合無限承壓含水層單井定水位非穩定流抽水模型理論預測。

圖4 SDZ-1抽水試驗圖(降深22.93 m)Fig.4 Water pumping test of SDZ-1 borehole (drawdown 22.93 m)

圖5 SDZ-1抽水試驗圖(降深52.75 m)Fig.5 Water pumping test of SDZ-1 borehole (drawdown 52.75 m)

圖6 SDZ-2抽水試驗圖(降深37.95 m)Fig.6 Water pumping test of SDZ-2 borehole (drawdown 37.95 m)

圖7 SDZ-2抽水試驗圖(降深57.63 m)Fig.7 Water pumping test of SDZ-2 borehole (drawdown 57.63 m)

在SDZ-1抽水試驗中，含水層為弱膠結礫巖，計算滲透系數為0.16～0.20 m/d，中等膠結礫巖滲透性要小，可取0.10～0.15 m/d。在SDZ-2抽水試驗中，含水層為30 m弱膠結礫巖夾5 m厚的粉細弱成巖砂巖，計算的綜合滲透系數為0.54 m/d，采用厚度加權平均，求取的弱成巖砂巖滲透系數為2.04～2.44 m/d。含水層水平滲透系數推薦值見表2。

表2含水層滲透系數推薦值表
Table 2 Recommended values of permeability coefficient of water-containing strata m/d

弱成巖砂巖中等膠結礫巖弱膠結礫巖2．00～2．500．10～0．150．15～0．20

4 主要風險及建議措施

隧道建設中，存在的主要風險及建議措施如表3所示。

5 結論與討論

1)中條山南麓第三系上新統(N2)洪積扇地層可細分為中等膠結礫巖、弱膠結礫巖、半成巖的砂質泥巖和泥巖，礫巖中夾弱成巖砂巖透鏡體，這些地層普遍具有成巖程度低、暴露易風化及遇水易軟化的特點，砂質泥巖和泥巖屬膨脹巖。在隧道施工中容易出現突水涌砂、塌方和大變形等問題，運營期間可能出現基底翻漿冒泥。應采取超前預加固，超前支護，嚴控施工用水，減少基底擾動，完全清除基底虛渣，基底加固，盡早封閉成環及預留變形量等措施，安全貫通此段。

表3 隧道建設存在的主要風險及建議措施Table 3 Main risks in tunnel construction and their countermeasures

2)中條山南麓第三系上新統(N2)洪積扇地層中含承壓水，補給源為中條山基巖裂隙水，自北向南水力坡度為4%～10%，礫巖和弱成巖砂巖為主要含水層，礫巖水平滲透系數為0.10～0.20 m/d，弱成巖砂巖水平滲透系數為2.00～2.50 m/d。

3)本區第三系地層與其他地方第三系地層的一個重要區別在于含高承壓水，這個特點導致隧道施工中會遇到更大的困難。如采用礦山法施工，必須先排水泄壓。考慮到地層滲透性較差和環境保護的要求，排水的目的主要是泄壓，而不是疏干整個含水層。要實現限量排水、有效泄壓，是否需要設置泄水洞，設置泄水洞的效果，或者僅僅依靠掌子面超前泄壓孔或地面降水等措施，尚需要進一步研究。

[1]辜明清,紀洪華.第三系礫巖建筑拱壩的工程地質問題分析與評價[J].四川水力發電,2001,20(4): 36-38,97.(GU Mingqing,JI Honghua.Engineering geology analysis and assessment on arch dam conglomerate of tertiary period[J].Sichuan Water Power,2001,20(4): 36-38,97.(in Chinese))

[2]閆泉峰,曹國華,徐拴祥.巨厚第三系礫巖的水文地質特征及突水防治途徑[J].山東煤炭科技,2004(1): 18-19.(YAN Quanfeng,CAO Guohua,XU Shuanxiang.The hydrogeologic feature of great thick third gravel rock and its proventive way[J].Shandong Coal Science and Technology,2004(1): 18-19.(in Chinese))

[3]張紹民，路新景，張一，等.西霞院電站廠房地基上第三系地層承載力確定[J].人民黃河,2006,28(2): 71-73.(ZHANG Shaomin,LU Xinjing,ZHANG Yi,et al.The foundation bearing capacity of the tertiary strata on Xixiayuan powerhouse[J].Yellow River,2006,28(2): 71-73.(in Chinese))

[4]閆宇,宋岳.中國部分地區上第三系工程地質性質及巖性定名[J].資源環境與工程,2008,22(2): 183-187.(YAN Yu,SONG Yue.Neogene engineering geology properties and lithology definition in some areas of China[J].Resources Environment & Engineering,2008,22(2): 183-187.(in Chinese))

[5]張一,常福慶,閆長斌.西霞院工程上第三系地層水文地質特征[J].資源環境與工程,2009,23(5): 554-557.(ZHANG Yi,CHANG Fuqing,YAN Changbin.Hydrogeological characteristics of upper tertiary system strata in Xixiayuan project[J].Resources Environment & Engineering,2009,23(5): 554-557.(in Chinese))

[6]常福慶,張一,李林民.西霞院工程上第三系地層工程地質分類初步探討[J].資源環境與工程,2009,23(5): 649-652.(CHANG Fuqing,ZHANG Yi,LI Linmin.Preliminary discussion on engineering geological classification of upper tertiary strata in Xixiayuan engineering [J].Resources Environment & Engineering,2009,23(5): 649-652.(in Chinese))

[7]張啟龍,楊剛.西寧盆地第三系地層對工程的影響[J].鐵道勘察,2010,36(1): 31-33.(ZHANG Qilong,YANG Gang.Influence of the tertiary in Xining basin on engineering [J].Railway Investigation and Surveying,2010,36(1): 31-33.(in Chinese))

[8]張曉宇.西寧地區第三系地層巖土工程特性及影響[J].鐵道工程學報,2012(8): 20-23.(ZHANG Xiaoyu.Geotechnical engineering properties and impact of tertiary strata in Xining[J].Journal of Railway Engineering Society,2012(8): 20-23.(in Chinese))

[9]趙清泊.胡麻嶺隧道斜井富水粉細砂地層松動圈測試與圍巖壓力計算[J].現代隧道技術,2012,49(4): 17-21.(ZHAO Qingbo.Loose rock zone measurements and rock mass pressure calculations for a saturated fine silt stratum[J].Modern Tunnelling Technology,2012,49(4): 17-21.(in Chinese))

[10]陳德彪.蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗研究[J].隧道建設,2013,33(8): 659-663.(CHEN Debiao.Test research on creeps of tertiary weak sandstone: Case study on Humaling tunnel on Lanzhou-Chongqing railway [J].Tunnel Construction,2013,33(8): 659-663.(in Chinese))

[11]歐爾峰,梁慶國,魯得文,等.天水第三系泥巖地球化學特性研究：以梁家山隧道開挖巖樣為例[J].地球科學進展,2013,28(3): 398-406.(OU Erfeng,LIANG Qingguo,LU Dewen,et al.A study of geochemistry of tertiary mudstone in Tianshui:A case study of Liangjiashan tunnel[J].Advances in Earth Science,2013,28(3): 398-406.(in Chinese))

[12]陳崇希,林敏.地下水動力學[M].武漢: 中國地質大學出版社,1999.(CHEN Congxi,LIN Min.Dynamics of groundwater[M].Wuhan: Chinese Geology University Press,1999.(in Chinese))

2014中國隧道與地下工程大會(CTUC2014)暨中國土木工程學會隧道及地下工程分會第十八屆年會會議總結

中國土木工程學會隧道及地下工程分會副理事長

蔣樹屏

尊敬的各位專家、代表：

下午好！這次大會即將完成各項議程，請允許我代表分會對這次會議進行總結。

2014年初冬之際，我們在美麗的杭州召開了2014中國隧道與地下工程大會(CTUC2014)暨中國土木工程學會隧道及地下工程分會第十八屆年會。這次會議由中國土木工程學會隧道及地下工程分會主辦，由浙江大學城市學院、杭州市城市建設發展有限公司等承辦，杭州市地鐵集團有限責任公司等12家單位協辦，還得到國際隧協(ITA)、杭州市人民政府、省科協等的支持。在此，受理事長委托，我代表分會向為大會提供幫助的各單位表示衷心的感謝！

這次會議，有4位院士出席，參會人員達615人，規模空前。分會會刊《現代隧道技術》以增刊的形式為大會出版了論文集，收錄論文81篇，內容涉及綜述與探討、研究與分析、計算與監測、規劃與設計、施工技術等方面，內容豐富。

孫鈞院士、王夢恕院士、鄭穎人院士等中外62位專家學者在會上作了精彩的報告演講，特別是孫院士作的《近海隧道工程耐久性問題》、王院士作的《隧道及地下工程的現狀和未來》、鄭院士作的《普氏壓力拱理論的局限性》、洪開榮作的《我國隧道及地下工程技術的發展與展望》、陳韶章作的《港珠澳大橋沉管隧道與沉管隧道技術的發展》、章立峰作的《杭州市地下空間發展展望與研究》等報告演講既高瞻遠矚，又腳踏實地；既是理論引領，又是工程使然，與會者收獲頗豐。

這次會議前夕，分會還舉辦了“隧道與地下工程技術”高級培訓班，參加培訓的工程技術人員和研究生達200多人，歷時1.5 d。蔣樹屏主講的《隧道建設中的災害防治技術對策》和《城市地下(道路)立交設計施工關鍵技術》、朱合華主講的《隧道及地下空間火災安全技術與應用》和《數字隧道技術開發》、仇文革主講的《隧道及地下工程全壽命周期設計理念與方法》、黃宏偉主講的《隧道及地下工程健康檢測與監測》、陳饋主講的《盾構法隧道施工風險與對策》、彭立敏主講的《城市軌道交通工程修建技術》等講座報告立足工程和前沿，通俗易懂，內容豐富。學員們普遍反映良好，希望今后繼續面向基層工程技術人員，辦好培訓。

會議前夕，《隧道建設》雜志理事會舉行了三屆二次理事會議。該刊物自2013年變更為月刊以來，出版周期加快，為理事單位服務的版面更多，從封面到內頁，從論文到消息，刊載各理事單位的報道增多了，服務質量進一步提高。同時，該刊始終堅持為促進隧道與地下工程領域的技術進步服務，為讀者和作者服務的辦刊宗旨，影響力在同類期刊中名列前茅。會上該雜志主編作了工作報告，代表們發言踴躍，很有內涵，編委會主任王夢恕院士對如何辦好雜志、推動科技進步作了重要指示。

會議期間，國際隧協(ITA)主席、副主席等人員與部分中國企業舉行了座談會，就如何將ITA的成果與資源服務于中國隧道企業，如何與中國企業互動，共同推動世界隧道事業發展進行了有益的座談，嚴金秀、郭陜云、蔣樹屏、白云等分會有關領導參加了座談，從一個側面推動了國際合作，為企業走出國門做了有益的工作。

同志們，學術交流始終是學會的主要工作、主旋律。通過學術交流，推動科技進步，提高工程水平。這次學術交流，從建設程序講，涉及到構想、規劃、設計、施工、檢測和運營；從建設領域講，涉及到鐵路、公路、市政、水電、礦山、國防等；從建設工法講，涉及到鉆爆法、盾構法和沉管法；從工程理論講，涉及到結構耐久性、隧道數字化、坍塌機理、強度折減等；從工程技術講，涉及到圍巖穩定、復雜結構、防水排水、注漿加固、支護方法、超前探測、工程裝備、通風照明、防災救援、風險管控等。

這次會議在杭州召開，與會者分享了《杭州地鐵工程概況及工程難點》、《杭州紫之隧道工程關鍵技術研究》、《杭州軟土淺埋有害氣體地層地鐵修建技術》、《杭州火車東站樞紐地下空間開發應用》、《錢塘江深基坑承壓水綜合治理技術》、《杭州環城北路大盾構施工技術》等10多個報告演講，杭州建設者的辛勤勞動、聰明智慧和技術開發能力給聽講者留下了深刻印象，贏得了大家的敬意。

這次會議受到國際隧協的關注，主席和副主席等親自到會祝賀，還奉獻了《哥本哈根地鐵的挑戰和緩解風險的措施》、《軟弱地層城市地鐵車站、區間隧道和豎井的傳統開挖》2個演講報告，使大家足不出戶就能了解到部分國際隧道技術現狀，開闊了視野，增強了國際交流。

這次會議，分會所屬的新設備新材料應用、隧道及地下空間運營安全與節能環保、防水排水、隧道掘進機、地下空間、隧道風險管理、設計與教育等7個專業委員會匯報了各自的工作情況，并簡要綜述了學術技術前沿發展狀況，讓與會者了解到各專委會的工作和專業發展情況，具有重要意義。大家希望進一步加強專委會工作，為工程服務。

這次會議正值分會理事會換屆。會前召開了第八屆分會理事會會議，八屆理事會郭陜云理事長作了工作報告，得到了大家的充分肯定。至此，第八屆理事會的工作就圓滿結束了。期間，召開了第九屆分會常務理事會議，大家對分會今后的工作進行了討論，九屆理事會唐忠理事長作了講話，分會的事業發展、學術交流等工作可有很好的期望。

這次會議，內容非常豐富，思想非常開放，成果與經驗非常卓著，同志們交流非常熱烈，嚴謹與激情躍然，是一次非常成功的大會！ 同志們，我國山脈眾多，阿爾泰山、天山、祁連山、陰山、賀蘭山、喜馬拉雅山、橫斷山、秦嶺、大興安嶺、長白山、太行山、巫山、武夷山、雪峰山和南嶺，以及青藏高原、內蒙高原、黃土高原和云南高原等巍巍群山和高地，形成了天然屏障；我國還是一個江河湖海寬闊眾多的國家，這些大自然的天然屏障給人們的出行帶來了困難，給各類建設增大了難度，也考驗著建設者的能力和技術本領。同時，隨著城鄉統籌，城市規模日益擴大，地鐵等市政建設方興未艾。水電、礦山等旨在造福人民，也取得了矚目的成就。這些崇山峻嶺、離岸深水是我們隧道和地下工程人員的工作平臺，既是挑戰，又是機遇！為創造人們美好的生活環境，提供更安全、更環保、更節省的隧道與地下空間是我們的責任和任務，也是我們的追求！

成績已成過去，從現在起，我們就要為2016年CTUC的召開做準備，祝愿各位在未來的2年里取得更多的成果、更大的成績！

十八屆年會即將閉幕，祝各位領導、專家、代表身體健康、工作順利、闔家幸福！

謝謝大家！

2014-11-25

StudyonEngineeringGeologicalCharacteristicsofTertiaryStrataofZhongtiaoshanTunnelonMenghuaRailway

QIN Zhenggui1,CHEN Yong2

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China; 2.ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

It is believed that,due to the ignorance of the engineering geological characteristics of Tertiary strata,there are great risks in the construction of tunnels located in Tertiary strata.In the paper,the property of Tertiary strata are investigated by means of exploration,laboratory test and in-situ test,on basis of the investigation and design of Zhongtiaoshan tunnel on Menghua railway.Conclusions drawn are as follows: The Tertiary strata at the southern foot of Zhongtiaoshan mountain can be classified into moderately-cemented conglomerate,weakly-cemented conglomerate,weak-diagenetic sandstone,semi-diagenetic mudstone and semi-diagenetic sandy mudstone; The strata has such characteristics as low diagenesis degree,being easy to be weathered after exposure and being easy to be softened when water is encountered; the mudstone and sandy mudstone have swelling property; the hydrogeological characteristics of Tertiary strata depends on the lithology; collapse,serious deformation,water inrush and sand inrush are common risks during tunnel construction; the base ground of the tunnel should be carefully treated,otherwise floor mudding may occur during the operation of the tunnel.

Zhongtiaoshan tunnel; Tertiary strata; diluvial fan; engineering geological characteristics; hydrogeological characteristics

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.008

U 45

A

1672-741X(2014)12-1163-05