云南地區(qū)鐵路隧道地質(zhì)勘察技術(shù)探討

陳 偉 杜宇本 蔣良文

(1.西南交通大學(xué)， 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

云南地區(qū)地形地貌經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地勢(shì)西北高、東南低，由北向南呈階梯狀下降。由于地處環(huán)太平洋構(gòu)造區(qū)域特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造區(qū)的復(fù)合部位，跨越歐亞、印度兩大板塊碰撞地段及其影響帶，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育[1]。斷裂活動(dòng)、差異抬升及河流下切作用，造就了該地區(qū)復(fù)雜多層次的以山地和高原為主的切割地勢(shì)，普遍呈現(xiàn)巖體松散、軟弱、軟硬相間的工程特征，不良地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。

近年來(lái)，云南地區(qū)開(kāi)工建設(shè)及已建成的主要鐵路干線隧道工程在地質(zhì)勘察過(guò)程中均采用遙感解譯、地質(zhì)測(cè)繪、綜合物探、鉆探、原位測(cè)試、水文地質(zhì)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)及專題研究相結(jié)合的綜合地質(zhì)勘察方法開(kāi)展工作，執(zhí)行可研、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)審批意見(jiàn)和工程地質(zhì)勘察大綱，符合相關(guān)鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范、規(guī)程的要求。本文對(duì)云南地區(qū)近年來(lái)在建、已建成主要鐵路干線隧道地質(zhì)勘察工作進(jìn)行技術(shù)探討，以期為該地區(qū)后續(xù)鐵路項(xiàng)目的隧道建設(shè)提供參考。

1 鐵路隧道圍巖分布特征

1.1 隧道圍巖劃分標(biāo)準(zhǔn)

鐵路隧道按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》相關(guān)規(guī)定綜合評(píng)價(jià)隧道圍巖分級(jí)。主要根據(jù)圍巖的巖體或土體特征、巖石的堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度、風(fēng)化程度等地質(zhì)條件，綜合考慮地下水與高地應(yīng)力的影響、隧道地面物探解譯及測(cè)井縱波測(cè)試成果、隧道埋藏深度等因素。

1.2 隧道圍巖統(tǒng)計(jì)

收集近年來(lái)云南地區(qū)開(kāi)工建設(shè)及已建成通車的10條主要鐵路干線，分布如圖1所示。隧道施工后各級(jí)圍巖比例如表1所示。

圖1 近年來(lái)云南地區(qū)已建成(含在建)的主要鐵路干線分布示意圖

表1 近年來(lái)云南地區(qū)主要鐵路干線隧道施工后圍巖級(jí)別比例一覽表

1.3 隧道圍巖分布特征

分析10條鐵路隧道的圍巖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出云南地區(qū)隧道圍巖具有以下特征：

(1)云南地區(qū)鐵路隧道圍巖中，軟質(zhì)巖比例在35%～86.8%，施工后Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比多在65%以上。鐵路隧道施工后Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例與軟質(zhì)巖占比間接近正比關(guān)系。軟質(zhì)巖占40%左右的鐵路，施工后Ⅳ、Ⅴ級(jí)約占60%～80%(如C線、H線)；軟質(zhì)巖占60%左右的鐵路，施工后Ⅳ、Ⅴ級(jí)可達(dá)到70%～90%(如G線、D線)；軟質(zhì)巖占80～90%的鐵路，施工后Ⅳ、Ⅴ級(jí)約占90%(如I線、A線、J線)；若主要以軟質(zhì)巖為主，則Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例可達(dá)95%以上(如A線)。

(2)西南地區(qū)以北北東～南北向的龍門(mén)山斷裂系-康滇斷裂系為界，東西兩大地域受地質(zhì)構(gòu)造影響差別顯著。兩大斷裂系以西地區(qū)，山川疊嶂，地勢(shì)巍峨，深大活動(dòng)斷裂廣泛分布，分支斷裂及褶皺密集發(fā)育，地震活動(dòng)頻繁，隧道圍巖受構(gòu)造影響極其顯著；以東地區(qū)地形起伏舒緩，構(gòu)造影響相對(duì)降低。

云南地區(qū)以南北向小江斷裂～北東向彌勒-師宗斷裂一帶為界，以西地區(qū)隧道圍巖受構(gòu)造影響程度顯著，較斷裂以東地帶嚴(yán)重，如D線與C線，隧道硬質(zhì)巖占比42%～58%，軟質(zhì)巖占比58%～42%。以東地區(qū)施工后隧道Ⅱ、Ⅲ圍巖占比可高達(dá)32.6～35.1%，普遍較兩大斷裂以西其它鐵路線高，Ⅴ級(jí)圍巖占比26.8%～31.5%，明顯較兩大斷裂以西地區(qū)鐵路線低。

云南境內(nèi)自北西的三江并流區(qū)域向南東的橫斷山區(qū)南延段、青藏歹字型構(gòu)造云南段(即思茅地塊及其附近)自北西向南東，隧道圍巖受構(gòu)造影響程度逐次降低。如F線、G線、J線，施工后Ⅴ級(jí)占比多在60%左右，向南東I線施工后Ⅴ級(jí)占比約40%左右。

(3)線路走向與區(qū)域主干斷裂構(gòu)造線走向近平行或小角度相交的鐵路，隧道Ⅴ級(jí)圍巖占比多在50%～60%，如J線、A線、B線、F線、E線等。

2 技術(shù)經(jīng)驗(yàn)探討

2.1 勘察周期的確定

地形地質(zhì)條件復(fù)雜、交通困難地區(qū)，山高坡陡，機(jī)具搬運(yùn)困難，區(qū)域地質(zhì)資料薄弱，地質(zhì)勘察難度大。鐵路長(zhǎng)大隧道定測(cè)地質(zhì)勘察流程如圖2所示。Ⅰ線13座長(zhǎng)度大于10 km特長(zhǎng)隧道的實(shí)際勘察情況為：定測(cè)地質(zhì)測(cè)繪及穩(wěn)定線路方案用時(shí)約4個(gè)月；物探用時(shí)約3.3～10.2個(gè)月，平均6.1個(gè)月；深孔鉆探完成80%用時(shí)1.4～14.2個(gè)月，平均6.5個(gè)月；深孔鉆探完成100%用時(shí)3.1～19.3個(gè)月，平均10.7個(gè)月；測(cè)試及資料綜合分析整理約1個(gè)月。若按深孔完成80%計(jì)算，隧道勘察周期累計(jì)需要11.3～25.1個(gè)月，平均17.2個(gè)月；若按深孔完成100%計(jì)算，隧道勘察周期累計(jì)需要13.7～30.2個(gè)月，平均21.4個(gè)月(進(jìn)出口、淺埋鉆探用時(shí)較少，不參與分析)，如圖3所示。從圖3可以看出，長(zhǎng)大隧道地質(zhì)勘察用時(shí)主要受深孔勘探影響。因此，南北向小江斷裂～北東向彌勒-師宗斷裂以西地區(qū)，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，深孔數(shù)量多、實(shí)施難度大、耗時(shí)長(zhǎng)的隧道，勘察周期普遍偏大。

圖2 長(zhǎng)大隧道定測(cè)地質(zhì)勘察流程圖

圖3 13座特長(zhǎng)隧道定測(cè)地質(zhì)勘察用時(shí)圖

根據(jù)Ⅰ線13座特長(zhǎng)隧道勘察用時(shí)的分析結(jié)果，按深孔完成80%以上計(jì)算長(zhǎng)大隧道定測(cè)勘察的合理工期為17～21個(gè)月(不含設(shè)計(jì)時(shí)間)，地質(zhì)條件復(fù)雜的應(yīng)考慮適當(dāng)延長(zhǎng)。

2.2 工程投資的確定

勘察設(shè)計(jì)各階段，特別是前期工程預(yù)概算總額對(duì)隧道圍巖分級(jí)有重大影響。

滇西地區(qū)的鐵路項(xiàng)目，隧道占線路長(zhǎng)度多在60%以上，主要以長(zhǎng)大隧道為主，隧道所占投資總額高，控制隧道投資即可控制項(xiàng)目投資。在勘察前期階段，地質(zhì)工作深細(xì)度較淺，隧道圍巖分級(jí)中，經(jīng)驗(yàn)成分較多，現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)較少；定性判斷較多，定量判斷較少；受主觀控制因素多，考慮客觀因素少。因此，隧道圍巖分級(jí)易受人為影響。為貫徹控制投資的總體思路和要求，個(gè)別項(xiàng)目通過(guò)調(diào)整隧道圍巖分級(jí)即可輕易達(dá)到控制投資目的，隧道圍巖分級(jí)預(yù)測(cè)偏高，導(dǎo)致施工后圍巖分級(jí)變更，增加工程投資，如表2所示。

表2 個(gè)別項(xiàng)目隧道圍巖增加投資一覽表

云南山區(qū)鐵路隧道占比高，長(zhǎng)大隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，其工程總投資較平原地區(qū)鐵路大，工程前期應(yīng)充分考慮其工程復(fù)雜程度、地質(zhì)條件復(fù)雜程度等客觀因素對(duì)數(shù)據(jù)該地區(qū)鐵路工程預(yù)概算的影響，如隧道圍巖的較巖占比、區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造的影響程度、線路與區(qū)域主干地質(zhì)構(gòu)造線的走向關(guān)系等。根據(jù)已收集的云南地區(qū)鐵路隧道圍巖資料：隧道圍巖中軟質(zhì)巖占比高的地段Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例高；斷裂密集切割、褶皺遍布區(qū)Ⅴ級(jí)圍巖占比高；線路與區(qū)域主干地質(zhì)構(gòu)造線走向近平行或小角度相交的Ⅴ級(jí)占比高。

2.3 地下水、地應(yīng)力、主要結(jié)構(gòu)面狀態(tài)對(duì)圍巖的修正

西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)大隧道眾多，埋深大，在勘察期間進(jìn)行準(zhǔn)確的圍巖分級(jí)難度大。現(xiàn)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對(duì)勘察期間圍巖分級(jí)的相關(guān)規(guī)定存在不足。首先，勘察階段無(wú)法準(zhǔn)確判斷地下水的出水狀態(tài)，預(yù)計(jì)洞內(nèi)是潮濕、淋雨?duì)睢⒕€流狀、還是涌流狀出露；其次，勘察階段無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開(kāi)挖后的裂縫情況、成洞條件、位移特征等，評(píng)價(jià)隧道各個(gè)段落的地應(yīng)力狀態(tài)；最后，對(duì)于深埋、復(fù)雜隧道，其圍巖節(jié)理、裂隙與巖體產(chǎn)狀等主要結(jié)構(gòu)面的不利組合狀態(tài)，更是難以通過(guò)地表調(diào)繪、物探、深孔鉆探等查明。

因此，對(duì)于長(zhǎng)大、深埋隧道，勘察期間劃分圍巖基本分級(jí)后，考慮地下水、地應(yīng)力、主要結(jié)構(gòu)面組合狀態(tài)等因素對(duì)圍巖進(jìn)行精準(zhǔn)修正存在困難。對(duì)于隧道圍巖受地下水、地應(yīng)力、主要結(jié)構(gòu)面狀態(tài)等因素的影響程度，根據(jù)施工開(kāi)挖揭示的具體情況進(jìn)行實(shí)事求是地按規(guī)范修正更符合客觀實(shí)際。

目前，國(guó)內(nèi)外的圍巖分級(jí)方法，或是定性或是定量，或是定性與定量相結(jié)合，且多以前兩種方法為主。如水力水電[2]、鐵路圍巖分級(jí)以定性為主，公路[3]、地鐵[4]以定量為主。定性與定量的圍巖分級(jí)均存在一些不足，需對(duì)圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行修訂完善，同時(shí)應(yīng)積極探索長(zhǎng)大、深埋隧道圍巖分級(jí)的新理論、新技術(shù)。

2.4 物探正常場(chǎng)的鉆探驗(yàn)證

滇西、滇南地區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)劇烈，區(qū)內(nèi)廣泛分布各期巖漿巖，以花崗巖、輝綠巖、玄武巖為主，部分為閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、超基性巖等，發(fā)育有巖基、巖床、巖墻、巖株?duì)畹刃螒B(tài)。具多期旋回活動(dòng)的特點(diǎn)，經(jīng)歷了呂梁、晉寧、澄江、華力西、印支、燕山、喜山7個(gè)期次[5]，蝕變嚴(yán)重，蝕變帶分布規(guī)律性差，厚度不均，蝕變類型復(fù)雜，具有碎裂化、片理化特征，巖體強(qiáng)度及完整性差異大，局部富水，隧道圍巖以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主。

現(xiàn)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》4.3.5條規(guī)定：“地質(zhì)復(fù)雜，長(zhǎng)度大于 1 000 m的隧道，……重要物探異常點(diǎn)應(yīng)有鉆探驗(yàn)證”。目前鐵路長(zhǎng)大隧道地質(zhì)勘察過(guò)程中，多對(duì)涉及工程施工安全的物探低阻異常點(diǎn)、解譯構(gòu)造破碎帶等極破碎、極軟弱或富水巖體地段進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，對(duì)巖漿巖物探正常場(chǎng)部分驗(yàn)證不充分，導(dǎo)致部分隧道圍巖由Ⅱ、Ⅲ級(jí)變更為Ⅳ、Ⅴ級(jí)的情況較多。如Ⅰ線某特長(zhǎng)隧道花崗巖段，勘察期間在DK 31+700～DK 33+600段洞身地表進(jìn)行可控源音頻大地電磁法(CSAMT)物理勘探后，結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪在DK 31+800物探Ⅴ類異常區(qū)和DK 33+500的不整合界線布置深孔鉆探，按規(guī)范未對(duì)DK 32+200～DK 33+400段物探Ⅱ、Ⅲ類正常場(chǎng)鉆探驗(yàn)證，設(shè)計(jì)圍巖主要為Ⅱ級(jí)，部分為Ⅲ級(jí)。施工后揭示該段圍巖蝕變帶發(fā)育，蝕變厚度從0.6 m至十余米，分布、走向無(wú)規(guī)律，與隧道走向構(gòu)成復(fù)雜的空間關(guān)系。蝕變帶巖體多呈堅(jiān)硬砂土狀，易崩解，強(qiáng)度低，現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)點(diǎn)荷載換算天然抗壓強(qiáng)度6.28～17 MPa，為軟巖，開(kāi)挖后圍巖級(jí)別變更為Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主。地質(zhì)縱斷面示意如圖4所示。

圖4 某隧道花崗巖段地質(zhì)縱斷面示意圖

通過(guò)分析，造成變更的主要原因是云南地區(qū)巖漿巖蝕變規(guī)律性差，厚度變化大，地表調(diào)繪難以反映洞身特征，蝕變帶物性差異及規(guī)模未在物探資料中明顯反映出來(lái)。因此，隧道地質(zhì)勘察期間應(yīng)同時(shí)對(duì)巖漿巖地區(qū)物探正常場(chǎng)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

2.5 隧道圍巖大變形

滇西南山區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，大變形成因機(jī)理及類型眾多，新建工程應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)，預(yù)留相關(guān)工程費(fèi)用。

(1)目前，《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc與垂直洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力值σmax的比值Rc/σmax來(lái)判別地應(yīng)力狀態(tài)，Rc/σmax=4～7為高地應(yīng)力，Rc/σmax<4為極高地應(yīng)力。但高地應(yīng)力大變形段圍巖往往干燥或少量滲水，遠(yuǎn)達(dá)不到飽和狀態(tài)。此外，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成影響的是巖體的強(qiáng)度而非巖石強(qiáng)度，采用巖石強(qiáng)度指標(biāo)無(wú)法完全準(zhǔn)確反映巖體的強(qiáng)度。因此，應(yīng)采用巖體的天然抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)。

(2)根據(jù)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，軟巖大變形的程度不僅與地質(zhì)條件有關(guān)，還與施工工法、工藝等密切相關(guān)[6]。根據(jù)施工階段隧道大變形特征，再布置試驗(yàn)段確定工程措施才切合實(shí)際。國(guó)內(nèi)多座隧道大變形的支護(hù)參數(shù)都是通過(guò)試驗(yàn)段確定的，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道[7]、十房高速公路通省隧道[8]、中老鐵路會(huì)富萊隧道[9]等。實(shí)踐表明，在勘察設(shè)計(jì)階段就明確劃分大變形的等級(jí)與長(zhǎng)度，并設(shè)計(jì)具體處理措施，是不科學(xué)的，不但易造成工程浪費(fèi)，也不能保證施工安全和工程質(zhì)量。本文統(tǒng)計(jì)了云南地區(qū)部分鐵路項(xiàng)目原設(shè)計(jì)與施工期間實(shí)際發(fā)生的隧道大變形等級(jí)與長(zhǎng)度，如表3所示。

表3 部分項(xiàng)目隧道大變形對(duì)比一覽表

可見(jiàn)各項(xiàng)目原設(shè)計(jì)大變形等級(jí)和長(zhǎng)度與實(shí)際發(fā)生情況均存在較大差異。因此，勘察設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)工作是判定大變形的存在，并預(yù)留工作量及費(fèi)用，施工階段通過(guò)試驗(yàn)段確定大變形的處理措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

云南地區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道比重大，長(zhǎng)隧多，埋深大。施工后，隧道圍巖級(jí)別占比中Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例高，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例與軟質(zhì)巖占比之間接近正比關(guān)系。以小江斷裂～彌勒-師宗斷裂一帶為界的東西方向及三江并流區(qū)域向南東橫斷山區(qū)南延段的南北方向上，圍巖級(jí)別比例受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重程度不均，隧道圍巖級(jí)別的占比與區(qū)域斷裂走向密切相關(guān)。鐵路工程總投資需考慮軟質(zhì)巖比例、受構(gòu)造影響程度、與主干斷裂關(guān)系等；施工階段應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖實(shí)際情況考慮地下水、地應(yīng)力、主要結(jié)構(gòu)面組合狀態(tài)等因素對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行修正，勘察階段應(yīng)加強(qiáng)物探正常場(chǎng)的鉆探驗(yàn)證工作。應(yīng)采用巖體的天然抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)，勘察設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)應(yīng)判定大變形的存在，預(yù)留工作量及費(fèi)用，施工階段通過(guò)試驗(yàn)段確定大變形的處理措施。