某復雜地質條件特長隧道勘察技術及主要工程地質問題

孫旭東 李振團

摘要：擬建某高速公路特長隧道工程地質及水文地質條件復雜，主要采用地質調繪、機械鉆探、大地電磁法、取樣試驗等綜合勘察手段基本查明了隧道地質條件，判別隧道主要存在的工程地質問題為巖溶（隧道突泥、涌水）、煤層與瓦斯、斷層破碎帶、邊仰坡防護等，提出了對應的施工建議以減少重大變更設計及安全風險，對類似隧道的勘察設計具有一定的參考作用。

關鍵詞：公路特長隧道;地質條件復雜;勘察技術;隧道工程地質問題

中圖分類號：U452文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0146-03

1引言

擬建隧道為高速公路隧道，隧道左幅長4090m，右幅長4055m。最大埋深508m。該隧區地處云貴高原烏蒙山脈北段，黔西高原與黔中山原的過渡帶，地貌類型屬溶蝕-侵蝕型低中山地貌，地表受溶蝕、侵蝕作用強烈，地勢起伏較大。構造部位屬于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱之畢節北東向構造變形區，從構造行跡的規模和空間展布情況看，主要為北東向構造和東西向構造，還有零星的東西向構造、弧形構造。構造樣式以寬緩背斜與緊閉向斜組合構成的隔槽式褶皺為主，間有一些穹窿及構造盆地，變形強烈，線性構造形跡優選方向主要北東向。項目區主要構造有龍場向斜、維新背斜、臺沙壩斷層、古都寨斷層、昆寨斷層等，隧道為北北西走向，與構造形跡走向近60～80。斜交，受此影響，隧道地層巖性展現出地層巖性重復出現、巖層產狀傾角較陡，地表巖溶發育等特征。本隧道的地質研究擬采用如下技術路線。

2工程地質問題初判

根據前期研究資料及地表調繪，判別隧道可能存在的主要工程地質問題為以下5類。

2.1巖溶

隧道存在三疊系下統永寧鎮組（Tlyn）、下統棲霞組（Plq）、茅口組（Pim）灰巖，石炭系中上統馬平群、黃龍群（C2-3mp-hn）灰巖，下統擺佐組（Clb）白云巖，奧陶系下統桐梓、紅花園組（Olt+h）灰巖、白云質灰巖，寒武系中上統婁山關群（∈2～3ls）白云巖，巖溶現象主要為巖溶洼地、落水洞、溶洞、溶隙及暗河管道，受巖性和構造限制，多呈帶狀和塊狀出現。地表調繪發現發育一暗河管道橫穿線位，為附近坡體地表水經匯流進人洼地下滲后形成巖溶管道，沿線有多個洼地、落水洞與管道相連，地表水匯集深入洼地、落水洞補充管道水，在隧道左側11 Km處凹豬河處（1544m）排泄，出口流量約500L/s。根據地質調繪及物探結果，該巖溶管道位于隧道上方115 ～135m，巖溶管道與隧道存在水力聯系，隧道開挖極易造成管道水下滲，造成突水、突泥現象。初步判斷場地屬于巖溶極強發育區域，對隧道的影響大。

2.2瓦斯及采空區

隧道主要含煤地層為二疊系上統龍潭組（P21），另洞身段多處穿越二疊系下統梁山組、石炭系大唐組等含煤地層，根據地質調訪，場區采空區主要位于龍潭組（P21）內，大型煤礦（狗場煤礦）開采距離隧道較遠，隧道區域內存在數十個當地村民私采形成的采空煤洞，其洞口直徑一般為1～2m，采深20～50m，以巷道式開采為主，回采率低，一般10%～30%，該段隧道埋深大（埋深316m），采空區位于隧道上方260m以上，對隧道建設影響小。

據收集項目沿線該地層煤礦開采期間測得瓦斯資料及隧道瓦斯測試資料顯示，二疊系中統龍潭組（P21）煤系地層煤層瓦斯相對涌出量為在34.2～35m3/t之間、絕對涌出量在3.81～6.63m/min之間，根據《煤礦瓦斯等級鑒定暫行辦法》第九條相關規定，場區為高瓦斯工區。

2.3斷層破碎帶

隧道分別穿越臺沙壩斷層（與隧道斜交）、古都寨斷層（與隧道斜交），該兩斷層分別為南東-北西、北東-南西走向，與隧道均斜交，斷層破碎帶寬1～20m，斷層破碎帶往往形成不穩定結構面，導致巖石松弛、巖石強度下降，巖體的完整性及均一性極差，隧道圍巖穩定性變差（圍巖級別為V級），且斷層破碎帶巖質軟硬不均，易破碎，強度低，手錘敲擊易碎，類似中密碎石土或膠結一般的角礫土，遇水后物理力學性質差。其中臺沙壩斷層為正斷層，其具備導水特征，地下水易富集于斷層帶及其附近巖體內，隧道開挖揭露時極易產生大規模突水、突泥現象;古都寨斷層為逆斷層，大部分段落呈壓性為主，局部具有張性特征，該斷層總體具有阻水特征，地下水流動經過斷層時受斷層阻隔易匯集于斷層附近，對附近巖體進行溶蝕，故斷層附近一般巖溶發育強烈，隧道開挖揭露斷層時極易對其附近匯水進行集中排泄而造成瞬時突水、突泥現象。

2.4巖性組合復雜帶來的隧道圍巖問題

隧道洞身穿過地層主要為T1yn、P2l、P2B、P1q、P1m、P1l、C3mp、C2hn、C1b、C1d、O1m、O1t+h、∈2～3ls，其碳酸鹽巖地層T1yn、P1q、P1m、C3mp、C2hn、C1b、C1d、O1t+h、∈2～3ls 巖性為灰色、灰白色灰巖、白云巖，碎屑巖地層P2l、P2B、P1l、C1d、O1m巖性為泥巖、泥質粉砂巖、煤層、玄武巖等，空間分布上為軟質巖與硬質巖相間互層結構，在碳酸鹽巖與碎屑巖接觸面上，往往巖溶發育比較強烈，可能存在較大巖溶裂隙、溶洞及豐富的地下水，隧道穿越時易造成突水、突泥，其洞身段圍巖整體穩定性較低。

左幅ZK7+525～ZK7+980、ZK8+430～ZK8+950（右幅YK7+500～YK7+960、YK8+428～YK8+940）兩段位于維新背斜核部兩翼，巖性為二疊系下統棲霞、茅口組（P1q+m）灰巖，受臺沙壩斷層、古都寨斷層的影響，巖溶發育，地下水易富集，地表洼地、落水洞極發育，存在暗河管道，物探揭示巖溶管道埋深210m，與隧道相距220m，在構造裂隙和深部巖溶作用下，隧道開挖可能會貫通、襲奪地下河，產生大量涌水，因此隧道開挖應采取特殊施工工藝。另外，其余的灰巖段落可能存在局部巖溶發育現象，也可能產生突泥、涌水現象，設計施工也應引起重視。

2.5進出口邊仰坡

隧道進口邊、仰坡：隧道洞門邊、仰坡由強風化和中風化灰巖夾泥巖組成，強風化巖體節理裂隙發育，巖體破碎。

左、右側邊坡均為切向坡，洞口位置橫坡平緩，邊坡穩定性好，開挖臨空后邊坡巖體強風化層內易產生楔形坍塌、掉塊、碎落現象。洞口縱坡較陡，仰坡為順向坡，且層間存在軟弱夾層，現狀穩定，仰坡開挖后易誘發順層滑移，須對仰坡進行加固防護;

隧道出口邊、仰坡：洞門邊、仰坡由強風化強～中風化灰巖組成，強風化巖體節理裂隙發育，巖體破碎。

左、右側邊坡均為切向坡，洞口位置橫坡平緩，邊坡穩定性好，開挖臨空后邊坡覆蓋層及強風化層內易產生楔形坍塌、掉塊、碎落，甚至圓弧滑動。洞口縱坡較陡，為順向坡，強風化層巖體破碎，呈散體狀結構，現狀穩定，仰坡開挖易產生楔形坍塌，甚至順層滑動，須對仰坡進行加固防護;

3勘察技術手段

根據以上工程地質問題，針對性的采用了加深地質調繪、鉆探、大地電磁法、聲波測井、瓦斯測試、取樣試驗等綜合勘察手段。

（1）加深地質調繪：對比橋梁及路基工程，對隧道而言，充分的地表調繪以及地質分析更加重要，如對隧道圍巖結構面的深入統計分析，對巖溶問題而言，地表出露的巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下暗河的分布密度、發育規模、高程等可以有效的指示地下巖溶發育情況，斷層破碎帶的發育產狀、寬度、組成物質對通過隧道段圍巖設計可以提供重要證據。

（2）物探：對于特長隧道，貫通性的物探工作已經不可缺少，特別是大地電磁法對于埋深較大的復雜隧道，已可以有效的判別重點部位，在物探工作的基礎上進行鉆探可以有助于擺脫勘探工作的盲目性。

（3）鉆孔及孔內工作：①聲波測井。對鉆孔進行波速測試，計算巖體的完整性系數，根據完整性系數的大小劃分巖體的完整程度，并根據完整性系數與巖石單軸飽和抗壓強度指標確定巖體的基本質量級別。本次分別對不同巖性的四個鉆孔進行了聲波測試及巖樣試驗。最后計算巖體的完整性系數，根據完整性系數的大小劃分巖體的完整程度;②瓦斯測試。專業的孔內瓦斯測試可以獲取詳細的瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層爆炸、煤自燃傾向性、含煤的放散初速度、等溫吸附系數、堅固性系數、真密度、視密度、水份、灰份和揮發份等相關數據，通過數據分析綜合判斷該煤層發生瓦斯突出安全事故的風險性較低。提出了隧道相應的高、低瓦斯工區段落。

4主要工程地質的規模、影響及處治建議

本隧道圍巖地層巖性組合復雜，主要工程地質問題為巖溶、瓦斯、斷層破碎帶。

4.1巖溶

隧道穿過碳酸鹽巖段巖溶發育強發育，存在豎向溶洞等形式的隱伏巖溶風險極高，尤其在碳酸鹽巖段、碳酸鹽巖與碎屑巖接觸部位、斷層破碎帶兩側巖體，可能存在較大的溶洞、巖溶裂隙以及豐富的地下水。施工中揭露隱伏巖溶（溶洞、巖溶裂隙、落水洞、巖溶漏斗、巖溶管道等）的可能性極大，施工風險極高，開挖揭露溶洞易產生涌水、涌砂、突泥和冒頂等危害。施工中務必高度重視，充分準備、精心施組、超前地質預報、隧道底板巖溶探測、超前鉆孔等工作，建立完善的可能遇見各種地質病害（如揭露溶洞、巖溶裂隙、落水洞、巖溶漏斗、巖溶管道、斷層破碎帶等出現的突泥、涌水、涌砂以及突發性隧道大面積涌水等）的應急處治工程預案，確保隧道施工及運營安全。

4.2瓦斯

綜合判斷該煤層發生瓦斯突出安全事故的風險性較低，但不排除有發生突出的可能。由于地質條件變化大，經對測試孔周邊地質條件分析，認為本次測試的227.80m-229.20m煤層瓦斯等數據資料僅能代表所測區域煤層向上50m范圍內的瓦斯狀態，因此結果對該煤層埋深以下、其它區域及個別地質構造帶的煤層瓦斯參數僅做為參考數據，在實際工作中應嚴格遵守相關規定，采取合理的瓦斯區域防突安全技術措施加強對地質構造的超前探測工作，執行先探后掘技術措施，并加強安全管理，確保施工安全，建議掘進過程中必須具備探防工作，在隧道施工中必須按照相關程序進行，防止突出事故，確保安全生產。必須加強通風，防止瓦斯積聚，嚴禁串聯通風、微風、無風作業。

4.3斷層破碎帶

隧道穿越兩條斷層，斷層破碎帶影響長度約150米。隧道經過斷層破碎帶時，該隧道施工時可能產生的工程地質問題為突水、突泥、掉塊、塌方、圍巖失穩等工程地質問題，其中突水、突泥問題對施工安全隱患影響極大，隧道施工中應加強超前地質預報及檢測工作，布置超前探孔進行水壓卸荷工作，加強隧道超前支護措施，避免產生地質災害。

5探討及結論

擬建隧道穿越地層巖性較多，地質構造發育，穿越了斷層破碎帶、背斜等地質構造。洞身段存在巖溶、瓦斯等主要不良地質，工程地質問題復雜，是西南地區具有代表的復雜地質條件的特長隧道。

隧道洞身段存在不良地質：巖溶與瓦斯。特別是可溶巖與非可溶巖接觸帶，巖溶強發育，存在隱伏溶洞的可能性大，工程風險高，開挖揭露溶洞極易產生涌水、突泥和冒頂等危害，施工中應加強監控量測、超前地質預測預報、超前鉆孔等工作指導施工。煤系地層瓦斯段，應按照瓦斯隧道設計，且受構造影響，在煤系地層相鄰段落，瓦斯有可能將間斷性穿過含煤地層。施工中應加強通風，加強瓦斯等監控量測、地質超前預測預報、超前鉆孔設計等工作做好應對瓦斯災害的工程處治預案。

根據勘察結論中隧道圍巖地質情況，結合圍巖不良地質段落長度、巖體完整程度、結構面特征等劃分隧道圍巖級別：V級段落占隧道長度的36.7%，IV級段落占隧道長度的56.5%，III級段落占隧道長度的6.8%。計算隧道涌水量為320818m/d。為類似地質條件的隧道的圍巖級別劃分及涌水量計算提供參考。

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