綜合地質勘察方法在受推覆構造影響隧道工程中的應用及研究

鄭曄

綜合地質勘察方法在受推覆構造影響隧道工程中的應用及研究

鄭曄

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

摘要在收集石林隧道工程勘察、設計和施工相關資料的基礎上，分析研究了推覆構造對該隧道工程的災害形成機制，闡明了以工程地質測繪、物探、鉆探、孔內測試和取樣試驗等手段為主的綜合勘察方法對查明該類型隧道的地質條件的重要性，為將來類似隧道工程勘察設計及建設提供參考依據。

關鍵詞隧道工程地質條件推覆構造綜合地質勘察方法應用

0　引言

推覆構造是由側向應力擠壓作用形成的緩傾角斷裂構造，一般是由（逆）沖斷層及其上盤推覆體和下盤組合而成。（逆）沖斷層總體傾斜平緩，常呈上陡下的鏟狀或下陡上緩的倒鏟狀，也可呈陡、緩相間的臺階狀。上盤為由遠距離（數千米至上百千米）推移而來的外來緩巖塊，稱推覆體。下盤為較少位移的原地巖塊。其在福建省區域范圍內廣泛發育。當公路、鐵路以隧道形式穿過受推覆構造影響的區域時，可能會遇到各種危害：例如坍塌、冒頂、涌水、突水、突泥和襯砌、底板不均勻沉降等，嚴重影響隧道的施工安全，造成巨大的經濟損失。

1　工程概況

石林隧道位于福建省永安市大湖鎮境內，設計為雙洞分離式隧道。隧道單洞設計凈寬12.52m。左洞樁號為ZK13+840～ZK16+715，長2875m；右洞樁號為YK13+ 865～YK16+730，長2865m；進出口均采用削竹式洞門。

隧道場址區屬構造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深；進洞口自然山坡坡度約5～15°，處于坡麓坡積緩坡地帶，自然山坡穩定；出洞口自然山坡坡度約30～40°，自然山坡穩定；洞身最高點海拔1003.4m，洞身地表地勢較為陡峻，溝塹較發育，主要為洞身處NW向二條溝谷，寬度較小，但切割較深且較長，呈V型，兩條較大溝谷的地表水均較豐富，進、出口地表溝內地表水勘察期間不發育；沿線均為山地，地表植被發育，出洞口段局部有竹林、桔子林，其余均為林地。

測區屬亞熱帶東南季風氣候，受季風影響，溫和潮濕、雨量充沛，四季較分明，春季陰寒細雨連綿，夏季炎熱多大雨，秋季晴朗多雷陣雨，冬季寒冷有霜凍，山區多見短期積雪。本區多年平均降水量為1683.9mm，多年平均氣溫19.1℃；最高氣溫為40.6℃；極端最低氣溫為-9.5℃，年蒸發量約為1333.0mm，霜期平均約為50～100天/年，3-6月為雨季，7～9月為中雨季，10月至次年2月為旱季，11～12月為最旱季。風向春末至初秋多東南風，其余時間多為西北風［1］。

該隧道分兩個階段進行勘察，初步設計階段采取了以工程地質測繪、綜合物探（淺層地震法和大地電磁法兩種手段）為主，結合鉆探（5個）、孔內測試和取樣試驗等勘察手段。初勘成果驗證了該隧道走廊帶在區域地質上存在的褶皺和推覆構造的形態和位置。施工圖設計階段在進一步核實初勘成果的基礎上加密工作量，采取了鉆探（鉆孔14個，其中深孔5個）、孔內測試、抽水試驗和綜合物探為主，結合補充工程地質測繪、取樣試驗等手段，進行綜合工程地質勘察。

2　地質與地質構造

隧道區域在大地構造上處華南褶皺系東部、閩西南坳陷帶北緣。三級構造為胡坊-永定隆起中段，大田-龍巖坳陷帶北東部。共有加里東、華力西-印支、燕山、喜馬拉雅四個構造旋回。

隧道走廊帶內存在有大型區域推覆構造，其位于坑邊復式向斜西北翼與李坊-魏坊斜歪倒轉復式背斜西南翼之間。推覆體為奧陶系（O）及不整合于其上的上泥盆統（D3）及早石炭統（C1）地層，出露原地巖系為下石炭統林地組（C1l）地層。推覆體斷面即小樺上-涼山北東向掩逆斷層F5（位于隧道里程YK16+244），該斷層在走向、傾向上均具強烈的波狀彎曲，地表總體走向北東，傾角40～50°，向深部傾角可能變緩。斷層上盤奧陶系（O）地層原走向北西向巖層被扭曲成與斷面一致的北東向，并向南東方向逆沖，斷層下盤為上泥盆統（D3）砂巖、砂礫巖，由于上盤的大規模推移擠壓，原組成坑邊復式向斜北西翼外側的這套地層向北西方大規模倒轉。上曹-嶺頭斷裂F4（位于隧道進口段）為推覆體次級斷面，將原上泥盆統（D3） 及早石炭統（C1）的地層，呈低緩角度向南東向遠距離推掩至上石炭統船山組（C3c）和下二疊統棲霞組（P1q）之上。其深部可能與主干斷面F5匯合。

圖1　石林隧道區域構造圖

3　水文地質條件

該隧道地下水按照其賦存介質，可分為基巖風化帶孔孔隙-裂隙水、基巖構造裂隙水和碳酸鹽巖溶水三種。基巖風化帶孔孔隙-裂隙水主要賦存于基巖風化層的節理裂隙中，主要接受大氣降水補給，富水性較差，流量隨季節變化大，主要影響隧道進出洞口施工和近洞口段圍巖的穩定。勘察期間進口段地下水高于隧道頂板，出口段地下水低于隧道頂板，但高于隧道底板。

該數據傳輸方法適用于各種電子提花機的主控系統，可以與當前采用ARM、FPGA芯片作為處理器的主控制器聯合使用，不受幀數的限制.采用該方法對原有的控制系統進行二次開發，可靈活配置下位機接口板的個數，滿足任何針數的提花工作要求.

基巖構造裂隙水主要賦存于導水性、富水性較好的破碎帶及地層不整合接觸帶中，受大氣降水及地表水下滲的補給，沿風化裂隙、構造裂隙順山坡方向由高處向低處逕流，由溪溝和地形低洼處排泄，流量隨季節變化小，泉流量常見值為0.01～0.184L/s。勘察期間洞身段地下水水位均高于隧道頂板。

碳酸鹽巖溶水主要賦存于船山組灰巖中，受大氣降水及地表水通過裸露區或覆蓋區下滲補給，水量豐富，埋藏較淺，一般雨季泉流量增大，旱季地下水位下降。隧道進口段（約YK13+865～YK14+546）受其影響隧道施工時易發生涌噴等災害。

圖2　石林隧道EH-4物探解譯縱斷面圖示意圖

4　綜合勘察方法的應用

4.1工程地質調繪及水文地質專項調查

在對區域地質資料的研判的基礎上，對隧道進行1：5000的工程地質調繪，通過對基巖露頭、巖性、巖層產狀及不同段落的地下水的補給、徑流和排泄方向的統計測量，初步查明隧道區的地質構造、地層巖性及水文地質特征。對后期的物探、鉆探及孔內測試工作起到指導作用。

4.2綜合物探

物探工作采用大地電磁法與淺層地震法相結合的手段。對覆蓋層厚度、斷裂帶位置及富水帶位置進行初步判定。

在初期對代表性巖石，測試了代表性電參數，為解譯工作提供直接依據。在此基礎上沿隧道軸線進行貫通大地電磁法物探，對進出口段落進行淺層地震法物探。分別進行巖面、巖性、構造帶及富水帶解譯（見圖2）。根據物探初步解譯，一般電阻率值背景呈中低、極低或出現畸變的異常區域，除巖性特征不同和斷層發育帶外，應充分考慮存在巖溶水或基巖裂隙水發育帶的可能性，后續勘察應針對異常區域加強工程地質測繪、水文專項調查及鉆探驗證。從而對物探成果進行進一步的合理解譯。

4.3鉆探、測試及試驗

對前期測繪與綜合物探成果進行綜合分析，合理布設鉆孔，孔內進行聲波測試，選擇部分鉆孔進行水文試驗，并取代表性巖土試樣進行室內試驗。查明并驗證了孔位附近的地層巖性、巖性接觸關系、巖土體界限、節理裂隙發育程度、斷層破碎帶特征等。通過上述情況，可直觀掌握隧道走廊帶的段地質情況。

5　勘察成果與工程問題的驗證與分析

5.1綜合勘察成果

通過分階段合理有序的綜合勘察，查明了石林隧道工程地質及水文地質條件。對多種勘察手段成果進行綜合分析并得出結論。

（1）隧道區巖性復雜，區域上沉積巖地層因褶皺斜歪倒轉，故出露次序為老地層在上，新地層在下，隧道穿越地層表層為厚層的坡-殘積層，下伏基巖從進口至出口的地層關系為：石炭系林地組 （C1l）和船山組（C3c）、泥盆系桃子坑組（D3tz）、泥盆系天瓦崠組（D3t）、奧陶系魏坊群（O1wf）地層，由于受沉積環境的影響，各巖性變化規律性不強，并相互夾帶。主要巖性有：進口段林地組 （C1l）石英砂巖、泥巖夾千枚巖下伏船山組 （C3c）灰巖；洞身段為泥盆系桃子坑組（D3tz）及天瓦崠組（D3t）石英砂巖、石英砂礫巖、砂巖及千枚狀粉砂巖；出口段地層為奧陶系魏坊群（O1wf）變質砂巖、千枚狀粉砂巖、泥巖，局部夾硅質條帶，地層巖性軟硬夾層或互層。進口段林地組產狀主要為：345° ∠45°；洞身段桃子坑組地層產狀為：315°∠35～45°、天瓦崠組地層產狀：320～340°∠45～50°；出口段魏坊群地層產狀：290°∠30°。巖層產狀總體在進口段為反坡向或與坡向小角度斜交，出口段方向則為順坡向或與坡向相近的斜交。

（2）隧道區發育有5條構造帶，1條節理裂隙密集帶，力學性質主要為逆沖壓性或壓扭性。對該隧道圍巖影響較大的為兩條燕山早期斷裂活動的大型推覆構造F4（近進口段） 和F5（近出口段），F4的產狀平緩，巖石強烈擠壓破碎，呈土狀及碎塊狀，為林地組與船山組巖性界限；F5產狀為315～330°∠45～60°，斷層走向、傾向具強烈的波狀彎曲，靠近斷面巖石具強烈片理化，千枚巖化。

（3）根據專項水文地質調查及水文測試，對隧道的涌水量進行了預測。單洞正常涌水量約為4600m3/d，水量較大，主要匯集在隧道進出口、巖溶發育帶、巖性接觸帶、節理裂隙及斷層破碎帶中，對進口段涌水量大的段落必要時應設井點降水。近進洞口段（里程約YK13+865～K14+546）巖溶水發育，單洞正常涌水量達540m3/d，可能發生集中涌突水等災害。（4）隧道近進口段（里程約YK13+865～K14+546）為巖溶弱發育區，鉆孔揭示溶洞、土洞大小為直徑0.5～1.5m范圍，對隧道圍巖及路基穩定影響較大，建議根據溶洞大小、填充物及巖溶水發育情況，采用噴錨加固、回填、注漿、跨越通過及引排截流巖溶水等方法綜合處理，且應在施工貫通后，進一步查明該段路基地下巖溶分布情況，若發育巖溶應及時處理。

5.2主要工程問題

隧道在里程約YK14+175～YK14+425、ZK14+135～ZK14+382的實際開挖過程中揭露為受平緩的推覆構造的斷層破碎帶F4和巖溶發育區影響的特殊地質路段。現場施工中地質揭露地層主要為黃、灰黃色軟弱土層，基本無完整基巖出露，土石膠結性差，構造分層界限明顯，開挖后易從分層面滑塌。施工過程中頻繁出現突水、突泥甚至流沙等地質災害［2］。

初期支護變形嚴重，現場出現混凝土初噴層開裂、剝落以及鋼拱架壓屈變形等現象，多處出現變形侵限，最大累計變形量達120mm。局部路段在仰拱施工后出現底鼓［3］。

5.3推覆構造對突水、突泥災害的影響

對綜合勘察成果與施工中出現的問題進行綜合對比分析，施工中發生突水、突泥災害路段，位處于查明的上曹-嶺頭推覆構造帶F4影響區域范圍內，對其影響主要表現在斷裂帶的力學特征方面。該斷層形成于燕山早期，在后續南東向推覆力的作用下，將原上泥盆統（D3）及早石炭統（C1）的地層，呈低緩角度遠距離推掩至上石炭統船山組（C3c）和下二疊統棲霞組（P1q）之上。在距離運動作用下，上下盤巖層擠壓錯動強烈，產生塑性變形，巖體破碎，為地表水的下滲，地下水賦存、徑流提供良好的通道。斷層下盤主要發育有船山組（C3c）灰巖，受其影響利于巖溶發育及地下水富集。故形成了對隧道穿越區突水、突泥孕災的地質環境（見圖3）。

6　結論

（1）在對石林隧道已開挖段典型突水、突泥地段的地質特征規律入手，重點對推覆構造帶多期地質構造環境、地層巖性變化及水文地質環境進行闡述和分析。強調了推覆構造復雜性以及其對隧道工程的影響。

（2）對受推覆構造影響的類似隧道，區域上地質形成條件較復雜，地層變化規律性不強，應在對區域地質充分研究的基礎上，采用工程地質調繪、綜合物探、鉆探、孔內測試及試驗相結合的綜合勘察手段，不能局限于單一勘察手段。

圖3　石林隧道進口段地質縱剖面圖

（3）綜合勘察手段不是多種方法的簡單重復、堆砌，而是在充分分析各種勘察資料基礎上，相互驗證，相互補充得出的成果結論。形成以地質調繪與水文專項調查為核心，與電法、地震波法、電磁波法為一體的綜合物探方法互為驗證，在此基礎上合理布設鉆孔，并進行孔內測試和室內試驗，形成"體-面-線-點"式的綜合勘察結果。在和后期施工中掌子面揭露的情況的對比結果驗證了此方法的準確性。由此也進一步減少了單一勘察手段的盲目性，提高了預報精度 ［4］。是規避災害風險的有效手段。

（4）隧道工程是條帶狀的地下工程，尤其在受推覆構造影響的復雜地質區域，存在諸多不確定地質因素，完全準確查明隧道工程地質條件、劃分圍巖級別及預測涌水量在實際上是做不到的。所以，隧道施工中應加強現場監控量測和超前地質預報工作。

參考文獻

［1］福建省交通規劃設計院.國家高速公路泉州至南寧福建省永安至寧化（閩贛界）高速公路兩階段施工圖設計A2、A3合同段工程地質勘察報告［R］.2009.

［2］國家高速公路泉州至南寧福建省永安至寧化（閩贛界）高速公路兩階段施工圖設計A2合同段石林隧道工程變更會議紀要.

［3］鄧濤，黃明，詹金武，張文遠，鄭斌.石林隧道底鼓的特征與機理分析［J］.工程地質學報，2014，22（1）:174-175.

［4］徐穎，左昌群，陳志超，方曉睿.推覆構造帶碳酸鹽巖隧道突水機制及風險規避［J］.巖土力學與工程學報，2014，33（增1）：2887-2892.