黎城至霍州高速公路太岳山隧道工程地質特性及圍巖穩定性評價

趙 夢

（甘肅省地質礦產勘查開發局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020）

1 工程概況

太岳山隧道地理位置在山西省霍州市李曹鎮楊家莊村和臨汾市古縣北平鎮之間，隧道的洞身橫穿太岳山脈南段（平遙寶塔山為北段、介休綿山為中段、霍州霍山為南段）主脊，為越嶺型隧道。隧道采用左右分離設計，左右線都為特長隧道。左線洞體的全長是11.15km，右線洞體的全長是11.18km。

2 工程地質特性

2.1 地形地貌

擬建隧道自南東向北西橫穿太岳山主脊，所鑿穿的山體峰連疊嶂，山勢陡峻險要，地形起伏極大，侵蝕沖溝十分發育，地形非常破碎，地貌形態復雜多變。以太岳山主脊為界的東南部山勢相對略顯和緩，主脊西北部山勢險峻挺拔，穿越喀斯特侵蝕中起伏中山區和構造剝蝕中起伏中山區兩大地貌單元。

2.2 地質構造

隧址區位于Ⅳ級構造單元太岳山坳緣翹起帶，在喜山期有不同的發展和繼承。區內共發育29條斷層，其中破碎帶寬度大于100m 的斷層5 條，占總數的17.2%，破碎帶寬度為50～100m 的斷層9 條；占總數的31.0%；破碎帶寬度小于50m 的斷層15 條，占總數的51.7%。在這些斷層中F29、F52距擬建隧道較遠，對隧道圍巖穩定性影響較小；F55斷層雖距擬建隧道出口約60m，但其為霍山大斷裂，該斷裂是一條深大斷裂，自晚新生代以來繼承活動顯著，對斷塊活動具有控制作用。第四紀期間的水平位移幅度達數千米，新構造運動強，對隧址區場地穩定性有較大影響；其余斷層破碎帶及其影響范圍均對擬建隧道圍巖穩定性均有較大影響。

隧址區共發育3 條褶皺，分別穿越了擬建隧道，明顯控制了不同時代地層及地貌單元的分布，其核部破碎帶對擬建隧道圍巖穩定性均有一定影響。

隧址區主要發育5 組節理。J1：走向為5°，傾向為95°∠85°，巖性為白云質灰巖、白云巖，節理線密度約10條/m，間距8～12cm，結合一般—差，節理貫通性一般，可見延伸長度2～4m，張開度1～5mm，節理面粗糙，大部分無充填，局部白云巖巖屑充填。J2：走向為280°，傾向為190°∠77°，巖性為白云質灰巖、白云巖，節理線密度約8 條/m，間距15～20cm，結合一般—差，節理貫通性一般，可見延伸長度1～2m，張開度1～4mm，節理面粗糙，多無充填，局部白云巖巖屑充填。J3：走向為70°，傾向為160°∠85°，巖性為黑云角閃片麻巖，節理線密度約8 條/m，間距15～20cm，結合一般—差，節理貫通性一般，可見延伸長度1～3m，張開度1～2mm，節理面粗糙，多無充填，局部片麻碎屑充填。J4：走向為23°，傾向為113°∠80°，巖性為白云巖，節理線密度約6 條/m，間距15～20cm，結合一般—差，節理貫通性一般，可見延伸長度1～2m，張開度1～3mm，節理面粗糙，多無充填，局部為泥質或白云巖巖屑充填。J5：走向為84°，傾向為174°∠77°，巖性為黑云角閃片麻巖，節理線密度約4 條/m，間距20～30cm，結合一般—差，節理貫通性一般，可見延伸長度1～3m，張開度1～2mm，節理面粗糙，多無充填，局部為泥質或片麻碎屑充填。

隧址區主導節理走向為北北東向，傾角主要集中在77°～85°范圍內，隧道洞軸線走向為311°。J2、J3及J5節理與隧道洞軸走向小角度相交，對隧道洞壁不利，J1、J4節理與隧道洞軸走向大角度相交，對隧道洞壁影響較小。節理及層面組合切割的塊體，在隧道兩壁均有傾向洞身的結構面，易出現掉塊或坍塌現象。

2.3 地層巖性

隧址區地層結構復雜，由新至老依次有：第四系全新統晚期沖洪積物（Q42al+pl）、中更新統沖洪積物（Q2al+pl）；奧陶系中統下馬家溝組下段（O2x1）、下統亮甲山組（O1l）；寒武系上統鳳山組（?3f）、上統崮山組（?3g），中統張夏組（?2z）、中統徐莊組（?2x）；中元古界長城系霍山組（Pt2h）；中下太古界霍縣群大南坪組（Ar1-2dn）、安子坪組（Ar1-2a）、黃梁組（Ar1-2h）等。

2.4 不良地質及特殊巖土

隧址區沒有特殊巖土，影響隧道圍巖穩定性的不良地質主要是巖溶。隧址區廣泛出露奧陶系灰巖、泥灰巖、白云巖等碳酸鹽巖，巖溶類型是裸露型，主要是近代巖溶。隧址區碳酸鹽巖分布地段發育溶洞、坑槽等喀斯特地貌。在一些鉆孔中亦揭示了溶洞、溶隙、溶孔等巖溶現象，溶洞在垂向上具分帶性和成層性，橫向上具分選性，一般在多組裂隙交接處、斷裂破碎帶附近和粒粗質純層厚的白云巖、石灰巖等中尤為發育。巖溶的發育對隧道圍巖穩定有一定影響。

2.5 水文地質條件

太岳山隧道隧址區及洞體內的主要含水層有如下三個：強—中風化裂隙帶含水層與斷層構造破碎帶含水體富水性較好，屬于中—強富水性含水層，根據鉆探揭示資料，風化裂隙帶含水層厚度一般在30～60m，分布較為廣泛，面積較大，是隧址區體積最大的含水層，因此也是隧址區最主要的含水層，但本類含水層主要分布于隧址區地勢較高的分水嶺附近，在隧道洞體范圍內無分布，故對隧道洞體而言，屬于影響最小的含水層。斷層構造破碎帶含水體傾向延伸較深，含水層厚度較大，走向長度較長，裂隙發育，斷層富水性也較好，對洞體影響最大。故屬于影響最大的含水層。中風化—微風化變質巖裂隙巖體含水層厚度較大，裂隙發育一般，尤其與強—中風化裂隙帶巖體的裂隙率相比，相差101～103數量級，加上巖體埋深相對較深，巖體在上覆后巖體的巨大壓力下，裂隙閉合較好，裂隙內空隙較小，富水性也較弱。

從鉆探的含水層水位埋深看，地下水變化很大，變質巖區地下水位最高點約為1600m，地下水位最低點約為1080m，高差約520m。變質巖區的地下水潛水位線與總趨勢與隧道地表分水嶺起伏變化大體相似。顯示分水嶺以東向東徑流排泄，分水嶺以西則向出口方向徑流排泄。從局部看，洞體水位傾在逆斷層帶上盤水位抬升，說明了該斷層構造具有較明顯的阻水作用。從隧道范圍泉點性質看，以寒武系底部與區域隔水邊界之間的Q35斷層泉由于受斷層F35逆斷層的逆沖阻隔，徑流通道受阻，地下水位抬升，Q35斷層泉在F35逆斷層帶切割溝谷邊坡時，自斷層上盤附近溢流而出。

隧址周邊的區域水文地質單元有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、變質巖類裂隙水、構造裂隙水四種。左幅洞體計含水段長度為9530m，非含水段長度1620m，洞體正常涌水量為16679.05m3/d，最大涌水量為37191m3/d，每米平均最大涌水量q0=3.34m3/（d·m）；右幅洞體計含水段長度為9530m，非含水段長度1650m，洞體正常涌水量為16624.55m3/d；最大涌水量為36949m3/d，洞體每米平均最大涌水量q0=3.30m3/（d·m）。

2.6 洞體圍巖工程地質特征

本隧道圍巖由巖質圍巖組成，洞體圍巖K133+770～K136+540、ZK133+835～ZK136+590 段由奧陶系亮下統亮甲山組（O1l），寒武系上統鳳山組（?3f）、中統張夏組（?2z）、徐莊組（?2x）灰巖、白云巖、頁巖以及白云質灰巖等碳酸鹽巖與斷層破碎帶組成，白云巖、白云質石灰巖和灰巖是一種相對堅硬的巖石，頁巖屬于軟弱巖石，整體為相對堅硬的巖類和軟巖，強—中風化，節理裂隙發育—較發育，巖體是破碎—較破碎，裂隙是鑲嵌碎裂—碎裂結構，圍巖穩定性較差，開挖引起中—大塌方；斷層破碎帶主要由碎石和斷層泥組成，結構面混亂，巖體極破碎，結構零散，圍巖穩定性差，開挖時易產生坍塌。K136+540～K136+890、ZK136+590～ZK136+940中元古界長城系霍山組（Pt2h）砂巖組成，屬堅硬巖，微風化，節理裂隙不發育，巖體較完整，呈厚層狀結構，圍巖自穩能力較強，穩定性較好。K136+890～K144+950、ZK136+940～ZK144+985 段由中下太古界霍縣群黃梁組（Ar1-2h）、安子坪組（Ar1-2a）及大南坪組（Ar1-2dn）混合巖化黑云角閃斜長片麻巖等變質巖和斷層破碎帶組成，屬較硬巖—堅硬巖，強—微風化，節理裂隙很發育—不發育，巖體破碎—較完整，結構呈碎塊狀—塊狀，大部分地段圍巖自穩能力差，開挖容易產生中—大塌方，部分段落圍巖自穩能力較強，穩定性較好；斷裂破碎帶主要是角礫，結構零散，圍巖穩定性差。地下水中可能出現突水或大突水現象。綜合評價，該隧道場區工程地質條件復雜。

3 工程地質綜合評價

3.1 隧址區域穩定性和適宜性評價

隧址區斷裂活動處于相對穩定的狀態。該區地殼部分具有基底和覆蓋層的雙層結構，部分沉積覆蓋層被完全侵蝕，僅存在結晶基底。該區域地殼應為相對穩定區域，基本適宜擬建工程的建設。不穩定因素主要是新裂陷盆地邊緣的活動斷裂和地震活動。

3.2 隧道進出口邊坡穩定性評價

（1）霍州端洞口。該洞口左右線洞口都位于霍州市李曹鎮楊家莊村南側550m 處斜坡上，坡向260°左右，左線洞口處坡角在20°～40°之間，右線洞口處坡角在25°～40°之間，隧道左右線洞口仰坡高約100.0～120.0m，洞口仰坡、邊坡地層由太古界霍山群黃粱組（Ar1-2h）黑云角閃斜長片麻巖組成，節理裂隙發育，巖體破碎，巖層的產狀是347°∠39°，巖層屬于同向斜坡，組合不利。由于巖體破碎，節理裂隙發育，傾角大，在工程開挖擾動條件下，容易發生坍塌、小面積坍塌和沿結構面滑塌。總體評價：霍州端入口邊坡穩定性較差。

（2）沁源端洞口。該洞口左右線洞口都位于古縣北平鎮二道河村西南側270m處的熱留河西岸斜坡上，坡向120°左右，左線洞口處坡角在25°～45°之間，隧道左右線洞口仰坡高約45.0～60.0m，左右線洞口位置所在斜坡在自然條件下均處于基本穩定狀態。洞口仰坡、邊坡地層由第四系中更新統沖洪積（Q2al+pl）黃土（粉質粘土）及奧陶下統亮甲山組（O1l）白云巖組成。

Q2al+pl黃土（粉質粘土）在降雨的時候，有可能產生小范圍坍塌及滑塌，在工程開挖擾動條件下，上覆土沿基巖面整體滑動可能加劇；O1l白云巖，節理裂隙發育，溶蝕明顯，巖體破碎，巖層的產狀是223°∠10°，巖層屬于反向斜坡，是有利組合，但是巖體破碎，而且節理裂隙發育，在工程開挖擾動條件下也可能發生碎落、小范圍內坍塌等，總體評價：沁源端洞口邊坡穩定性差。

3.3 隧道洞體圍巖穩定性評價

本隧道為巖質隧道，按公路隧道巖質圍巖分級方法的相關規定，依據圍巖定性特征和巖體基本質量指標BQ進行圍巖基本質量分級，按圍巖基本質量指標修正值[BQ]進行修正分級。結果為左洞Ⅴ級圍巖累計長度為2415m，占21.7%；Ⅳ級圍巖累計長度為6770m，占60.7%；Ⅲ級圍巖累計長度為1965m，占17.6%。右洞Ⅴ級圍巖累計長度為2415m，占21.6%；Ⅳ級圍巖累計長度為6805m，占60.9%；Ⅲ級圍巖累計長度為1960m，占17.5%。

Ⅴ級圍巖由白云巖、片麻巖、斷層破碎帶等組成，巖體強—中風化，節理裂隙很發育—發育，巖體破碎—較破碎，呈碎裂狀—鑲嵌碎裂結構；斷層破碎帶多呈角礫狀、碎塊狀，局部發育斷層泥。地下水出水狀態為點滴狀—涌流狀出水，隧道開挖過程中洞體跨度大于3～6m 時，圍巖自穩能力為完全無自穩性，斷層破碎帶段落完全無自穩性。

Ⅳ級圍巖由白云巖、片麻巖、斷層破碎帶等組成，受風化、地質構造等因素影響，節理裂隙發育—很發育，巖體破碎—較破碎，圍巖以鑲嵌碎裂結構為主，局部呈碎裂狀結構。隧道開挖過程中洞體跨度大于5～9m時，圍巖自穩能力為不穩定，可發生中—大塌方。

Ⅲ級圍巖由洞體圍巖由黑云角閃斜長片麻巖組成，微風化，鱗片狀變晶結構，片麻狀構造，節理裂隙較發育，局部構造裂隙發育，巖體較破碎—較完整，圍巖以塊狀結構為主，局部鑲嵌碎裂結構。隧道開挖過程中洞體跨度7～14m 時，圍巖自穩能力為可暫時穩定，可發生小—中塌方，亦可能開挖過程中有巖爆發生，成洞性較差。

3.4 隧道施工期巖爆預測分析

依據擬建隧道高程的地應力回歸分析結果，對本隧道施工期發生巖爆的可能性進行了預測，硬質脆性巖類的圍巖，對于硬脆性巖石，施工期間發生中等巖爆至強烈巖爆的可能性相對較高。因此，有必要選擇合理的開挖方法，并在施工過程中采取必要的安全防護措施。在軟巖地區，隧道開挖的主要問題是圍巖位移大，成洞性差，應該加強地質預測以及圍巖臨時支護。

4 結論

隧址區地形地貌復雜，隧址區地層結構復雜，地質構造發育，無特殊巖土分布，巖溶是影響隧道圍巖穩定性的主要不良地質，水文地質條件復雜，根據綜合分析認為隧址區工程地質條件復雜。建議隧道設計時注意相應的抗震設防問題，應加強對洞體封堵水和排水設計，封排結合，以堵為主，并確定好基準，做好監測，真正落實好大堵小排。