雅魯藏布江盆因拉隧道主要工程地質問題

王喜華，趙志明，尹建勛，黃 秦

（1.西南石油大學 地球科學與技術學院，成都 610500；2.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，成都 610031；

3.中鐵二十一局集團公司，蘭州 730000）

雅魯藏布江峽谷段某鐵路是國家 “十一五”規劃和《中長期鐵路網規劃》的重要項目之一。線路東起青藏鐵路終點拉薩站，出站后向南沿拉薩河而下，經堆龍德慶縣、曲水縣后，折向西溯雅魯藏布江而上，穿越長度近90km的雅魯藏布江峽谷區，經尼木、仁布縣后抵達藏西南重鎮日喀則。鐵路全長253km，投資108億元，設拉薩南、曲水、尼木、吉瓊、日喀則等13個站，設計標準等級為國家I級鐵路，工期4年，全線為單線，預留電氣化條件，列車運行時速不低于120km，年貨運量可達830萬噸以上。

盆因拉隧道為該鐵路的關鍵性控制工程之一（圖1）。隧道穿越雅魯藏布江左側中高山，全長10 410m，洞身山體高程范圍為3 750～4 990m，最大埋深1 080m。除進口段104.38m位于R-5 000m曲線上之外，其余段落均位于直線上。洞內坡度依次為5‰、9‰、7‰、-3‰。全隧道共設一個斜井，三個橫洞。

圖1 鐵路走向圖及盆因拉深埋隧道位置示意圖

圖2 盆因拉隧道所經F4-4和F4-5斷層示意圖

1 隧址區地質環境

1.1 地形地貌

隧道進口位于澤朗曲右岸沖洪積臺地，地形陡峻，基巖裸露，有危巖落石分布，進口端溝谷為一泥石流溝。洞身通過雅魯藏布江北岸中高山區，地形起伏極大，地勢極為陡峻，整體上西高東低，山體周邊沖溝發育，V型沖溝較多，溝兩側坡面較陡，溝內小型泥石流發育。出口位于雅魯藏布江左岸至宗嘎村后的山坡處，地形相對較緩，為第四系松散堆積層所覆蓋。

1.2 地層巖性

隧道通過區主要出露的地層為燕山期閃長巖，局部地表覆蓋第四系全新統0～3m的粗、細角礫土，山體坡腳地表多為坡積碎石土和粗、細角礫土，出口段分布有第四系全新統坡積粗角礫土。另外，構造巖主要分布在洞段 F4-4斷層和F4-5斷層的破碎帶和影響帶中，主要由碎裂巖、斷層角礫組成，局部夾少量斷層泥礫，扁平狀、次棱角狀-次圓狀碎塊，且從斷裂帶中心向兩側隨距離的增大，形成碎粉結構-碎裂結構-原巖的遞變現象。

1.3 地質構造

線路走行于岡底斯-念青唐古拉板塊（南緣）、喜馬拉雅板塊（北緣）和兩者之間的雅魯藏布江縫合帶，呈近東西向展布。這些構造單元直接控制著本區沉積建造、火山建造、巖漿活動、變質作用及褶皺和斷裂構造活動。所在地區新構造運動較活躍。印度板塊在新生代早期（漸新世-中新世）完成了雅魯藏布江縫合帶的拼合后，仍在向北運動，使得該區仍存在整體抬升、掀斜和差異性的上升運動。隧道經過較大的斷裂構造為F4-4斷層和F4-5斷層（圖2）。

1.3.1 斷層

F4-4斷層為正斷層，斷層走向呈近南北向，傾向東，傾角約 75°～85°，斷層破碎帶寬約 90m；F4-5斷層為逆斷層，斷層走向呈近南北向，傾向東，傾角約60°～70°，斷層破碎帶寬約160m。兩條斷層破碎帶均主要由碎裂巖、斷層角礫組成，局部夾少量斷層泥礫，扁平狀、次棱角狀－次圓狀碎塊，且從斷裂帶中心向兩側隨距離的增大，形成碎粉結構-碎裂結構-原巖的遞變現象。斷層上下盤均為燕山期閃長巖。

1.3.2 節理

測區內巖體受構造影響較嚴重，巖體節理裂隙較發育，野外地質調查中，沿雅魯藏布江邊對整個隧道洞身進行了調查，共計做了23個觀測點，并對該隧道的節理裂隙情況進行了統計，主要為NE、NW向及近SN、EW向節理，多為共軛節理。

1.4 地震動參數

根據國家質量技術監督局頒布的《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001）的劃分，結合2008年5.12地震后《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001）國家標準第1號修改單（自2008年6月11日起執行），考慮《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）及《鐵路工程抗震設計規范》（GB50111-2006）的有關規定，結合工點區的工程地質與水文地質條件，地震動峰值加速度為0.20g，相當于基本烈度八度，地震動反應譜特征周期0.45s。

1.5 水文地質

該區屬雅魯藏布江水系，隧道區地下水類型為基巖裂隙水，基巖裂隙水主要以淺部風化裂隙網狀水與深部構造裂隙脈狀水的形式存在。地下水的補給主要依賴于大氣降水、冰雪融水的補給，由于隧道圍巖裂隙發育，有利于地下水的補給。地下水徑流主要受地形條件的控制，進、出口端地下水流向沖溝，就整個隧道區而言地下水流向自北向南，其排泄形式在沖溝內多為下降泉，雅魯藏布江河床為該區地下水排泄的基準面。

2 勘測技術與手段

針對盆因拉隧道的特點，在勘測過程中運用了國內外先進的勘探設備與技術。

2.1 隧道超前地質預報

盆因拉隧道地質條件較復雜，埋深較大且洞身穿越兩條斷層破碎帶，施工中進行超前地質預報工作。

2.1.1 超前地質預報的主要方法

根據盆因拉隧道的工程地質和水文地質特征，并結合國內其它特長隧道超前地質預報的經驗，盆因拉隧道采用以洞內地質編錄為主，并與物探超前地質預報（TSP202、TSP203、地質雷達等）和超前水平鉆探相結合的綜合地質超前預報的方法。

對地質條件較簡單的地段，以洞內地質編錄為主，根據對洞內地層巖性、地質構造、巖體節理裂隙的發育情況、地下水的發育情況等，分析圍巖的穩定情況，并據此預報掌子面前方圍巖的工程地質條件、水文地質條件；對地質條件比較復雜的地段，如長大節理密集帶、物探異常段、次級斷層、富水段等，在洞內地質編錄的基礎上，采用物探超前地質預報方法（TSP202、TSP203、地質雷達、紅外探水等），對隧道掌子面前方的地質條件進行預報；對地質條件特別復雜的地段，如區域性斷層、突涌水段等，在洞內地質編錄的基礎上，先進行物探超前地質預報，必要時采用超前水平鉆探進行超前地質預報。

2.1.2 超前地質預報的主要內容

1）地質編錄。由專業地質人員對隧道及輔助坑道的工程地質、水文地質特征進行詳細的地質編錄，根據掌子面的地質特征（地層巖性、節理裂隙發育情況、地下水發育情況等），并結合勘察設計地質資料，對掌子面前方的地質情況進行預測，并提出工程措施意見。

2）物探超前地質預報。對地質條件復雜地段，如斷層、地下水發育的突涌水段等，在地質編錄的基礎上，進行物探超前地質預報，一般地段以TSP202、TSP203為主；地質條件復雜地段，要采用兩種以上的方法（TSP203、地質雷達等）進行預報，以便資料的對比分析，提高預報的質量和精度。

3）超前水平鉆探。對規模較大的區域性斷層、物探超前預報的異常段（可能的斷裂帶及突涌水段），在地質編錄和物探超前預報的基礎上，通過超前水平鉆探進一步確定斷層的位置、破碎帶的寬度、富水情況等。

2.1.3 超前地質預報的重點及工作量

1）地質編錄。對隧道及所有輔助坑道進行地質編錄，總計：13 945m。

2）物探超前地質預報。隧道及各輔助坑道通過的斷層、地層分界線、長大節理密集帶、物探異常段、突涌水段等，進行物探超前地質預報，TSP法：88次，正線隧道：64次；輔助坑道24次；地質雷達法：21次，均為正線隧道。

3）超前水平鉆探。隧道通過的主要區域性斷層、突涌水段等，根據物探超前預報的結果，必要時采用超前水平鉆探進行超前地質預報，超前水平鉆探的位置應根據物探超前地質預報的結果并結合施工揭示的地質情況，經綜合分析后確定，總計：450m。

2.2 水壓致裂法地應力測試

水壓致裂法地應力測試工作在盆因拉隧道地應力鉆孔內進行。該測試孔布置在盆因拉隧道鉆孔巖芯較完整部位處，孔內巖芯為閃長巖，全孔巖芯較完整，局部略顯破碎。鉆孔部位山頂的高程約 4340m，孔口高程約3790m，測孔部位埋深約550m，孔深30m。測試結果見表1所示，其中σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力，σz為測點上覆巖石的自重計算值，λ為最大水平主應力方向的側壓系數（σH/σz）。測試時的水位在孔口，孔口上覆巖體按550m計算，巖石容重取為27.0kN/m3?，F場地應力測試共成功獲得3個測段壓裂資料和相應的圍巖壓裂印模資料。

根據地應力測試結果知，σH為 24.7～27.4MPa，平均為25.6MPa；σh為 14.6～15.4MPa，平均為 14.9MPa；σz平均為15.5MPa。本隧道巖石的飽和抗壓強度Rc在72.4～96.8MPa之間，Rc/σmax的最小數值為2.64。應力水平屬于極高應力水平，且地應力場以水平應力為主導。測試部位最大水平主應力方向為N35°E，與峽谷區地應力重分布的一般規律所得出的結論是接近的，即以北北東向的擠壓為主（計算數據去除了3倍隧道直徑應力釋放區的數據）。

表1 水壓致裂法地應力測試結果

2.3 涌水量預測

采用降水入滲法和地下徑流模數法對隧道涌水量的預測，預測公式如下：

根據計算得到隧道涌水量如表2。預測結果：大氣降水入滲法計算值偏小，采用地下徑流模數法計算值。故該隧道的正常涌水量為10 110.9m3/d（單位正常涌水量 970.8m3/d.km），最大涌水量 為30 332.7m3/d。

表2 隧道涌水量預測

3 工程地質問題評價

隧道工程影響范圍內的主要不良地質有泥石流、突涌水（泥）、危巖落石、圍巖失穩和高地應力。

3.1 泥石流

隧址范圍內在洞身溝谷內，由于松散堆積層較厚，溝內縱坡較陡，季節性降水集中，溝谷內均不同程度存在泥石流問題，但由于隧道多為深埋，最大埋深1 080m，泥石流對隧道正線工程無影響，僅對隧道斜井、橫洞的選擇有一定影響，本次隧道的斜井、橫洞位置均避開了泥石流。因此，泥石流對工程影響有限。

3.2 突、涌水（泥）

結合區域資料綜合分析，圍巖的富水程度為弱富水，但隧道洞身通過F4-4斷層、F4-5斷層，斷帶附近巖體節理、裂隙發育，基巖裂隙水、構造裂隙水較發育，主要富存于斷層帶、長大節理密集帶及部分隧道淺埋地段中，結合以往隧道涌水經驗分析，突（集中）涌水段水量約為隧道最大涌水量的70%～80%。

3.3 危巖落石和圍巖失穩

由于本區地處高原，晝夜溫差大，物理風化作用強烈，雅魯藏布江峽谷區山體陡峻，多為閃長巖體，巖質性脆，受地質構造影響嚴重，節理裂隙發育，多處高陡臨空面，局部呈現“凹”槽狀凌空突出，在強烈物理風化作用下，導致表層巖體破碎，裂隙張開，邊坡穩定性很差，多分布有危巖，在風化、降雨及自重應力、地震等因素的作用下，危巖與母巖分離而產生崩塌、落石，在坡腳形成巖堆。隧道進口存在危巖、落石，施工前需采取清除、主被動防護結合等綜合防治措施，以保證施工、運營的安全。

隧道洞身通過F4-4斷層、F4-5斷層兩個斷層，局部受構造影響，存在長大節理密集帶，巖體破碎，節理發育，局部含水，施工中可能會出現坍塌、變形等圍巖失穩現象。另外，在隧道出口段由于第四系全新統坡積層較厚，且埋深淺，施工中可能會出現坍塌、冒頂、變形等圍巖失穩現象。

3.4 高地應力

根據地應力實測成果分析，峽谷區最大主應力方向為N35°E，和隧道軸向近于垂直，最大水平主應力為24.7～27.4MPa，且隧道最大埋深達1080m，巖體較完整，巖質堅硬，因此，局部地段可能存在高地應力條件下的巖爆問題。

采用 Barton判據對盆因拉隧道進行巖爆預測。Barton判據為巖石的單軸抗壓強度 Rc與最大地應力σH的比值，以此比值作為預測巖爆的判據，其判據式為：

預測結果見表3所示，結果表明在該隧道埋深處圍巖有輕微-中等巖爆的可能性。

4 結論

表3 Barton判據（Rc /σH）巖爆預測結果

根據工程地質條件和預測得出以下結論：

1）隧道進口為泥石流溝谷，施工時應考慮適當防洪措施。隧道出口第四系覆蓋層較厚，且隧道出口下方為居民區，施工中應對坡面加固后進洞以確保施工安全和行人的安全。隧道洞口施工應避開雨季，洞口排水系統應在雨季前完成。

2）隧道洞身通過F4-4和F4-5斷層地段，產生突、涌水（泥）的可能性較大，施工中要加強支護，必要時進行超前預注漿加固，確保施工安全。

3）隧道進口、1號斜井、2號橫洞、3號橫洞洞口均存在危巖、落石，施工前需采取清除、主被動結合等綜合處理措施。另外，隧道洞身主要通過燕山期閃長巖，巖體堅硬，節理較發育，局部發育節理密集帶，施工中易發生掉塊及坍塌，施工中加強支護，并做好防排水措施。

4）該隧道洞身段屬于極高地應力區，最大水平主應力為 24.7～27.4MPa，最小水平主應力為 14.6～15.4MPa，最大水平主應力方位總體為近N35°E向。經Barton判據預測，得出該隧道具有輕微-中等巖爆的可能性，在施工中應采取積極主動的預防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發生的可能性及巖爆的危害降到最低。

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