西南山区某铁路专用线隧道工程地质条件分析

时间：2024-05-17

李昕哲

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 工程概况

该隧道位于云南省东部山区，全长1493.87 m。隧道最大埋深约115 m。隧道穿行于构造侵蚀低山丘陵区及构造溶蚀峰丛谷地区，地形起伏较大，地面高1298 m ～1423 m，自然坡度20°～60°，山体一般为薄层第四系土层覆盖，植被茂盛。该文主要就该隧道工程进行工程地质条件进行分析。

2 工程地质条件分析方法

根据工程地质条件分析技术要求及目的，为查明隧址区工程地质条件与工程问题，为设计提供可靠的地质依据与参数，该文在充分研究区域地质资料的基础上，对工程场地进行了1∶2000的工程地质调查、水文地质调查，采用钻探、物探和原位测试等工程地质分析手段，对隧道工程地质条件进行分析，如下所述。

2.1 地质调绘

充分应用区域地质资料、初测资料和既有线隧道地质资料，进一步查明隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性、结构面特征和地质构造。本次主要对以下4方面进行调查：1）查明不良地质、特殊岩土对隧道的影响。2）对傍山隧道及顺层隧道预测地形、顺层偏压危害。3）调查隧道范围水文地质条件，结合孔内试验结果预测洞身最大及正常分段涌水量。4）调查隧道范围岩性分界面、断裂破碎带及节理面，预测评估可能发生的围岩失稳特征和段落。

2.2 勘探点布置

根据场地工程环境条件、拟建工程特点及规范要求，隧道按不同地貌单元及地层岩性布置勘探孔以查明地质条件。在隧道进口处覆盖层较厚区域布置横断面勘探点。在主要的地质界线、重要的不良地质、特殊岩土地段以及可能产生突泥、突水危害地段等处布置钻孔控制。洞身地段的钻孔位置一般布置在中线左侧8 m～10 m或右侧13 m～15 m，勘探点间距一般不大于500 m。断层和物探异常点布置勘探点进行控制。钻孔深度一般至路肩以下3 m～5 m。岩溶地区勘探深度至路肩以下10 m～15 m，遇溶洞及暗河等情况，适当加深至溶洞及暗河底以下5 m。本次共布置钻孔9个。

2.3 物探

该工程采用电法、电磁法等综合物探手段，查明地层、构造和岩性分界面。对出现异常的段落采用其他物探方法验证异常位置以及钻孔位置。

2.4 测井与试验

该工程根据地下水埋深和性质选择做提水、抽水、注水或压水试验以及弹性波速测试。

3 工程地质条件分析

3.1 地层岩性及构造分析

根据工程地质调绘及地质钻探，并结合室内试验，隧址区岩性主要为第四系全新统残坡积粉质黏土（Qel+dl4），下伏三叠系中统法郎组砂岩（TSs2f）、页岩（TSh2f）和灰岩（TLs2f）。

隧址区的地质构造主要发育多组节理。隧道进口岩层产状为34°∠21°，节理发育，主要发育2组节理，即节理1：195°∠64°，节理2：202°∠90°，多为密闭节理，少量微张节理，泥质充填。隧道出口岩层产状52°∠34°，节理发育，主要发育3组节理，即节理1：264°∠74°，节理2：195°∠70°，节理3：296°∠66°，多为密闭节理，少量微张节理，方解石充填。

3.2 水文地质条件分析

根据区域水文地质资料及地表调查，隧址区地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水。

第四系孔隙潜水主要赋存于第四系残坡积粉质黏土中，呈条带状分布于沟谷底部，由于隧道区第四系覆盖层相对较薄，因此水量不丰富。非可溶岩山区地下水主要为基岩裂隙水，在构造破碎带，地下水易沿通道移动、汇集，以泉等形式排泄。山区地下水位埋深变化大，水位季节变动大。地下水主要接受大气降水补给。岩溶水主要赋存于灰岩地层的溶隙、溶孔、溶沟及溶洞中，隧道区灰岩以岩溶弱发育为主，局部中等发育，地下水分布不均。

根据隧址区地下水水质分析报告，地下水对混凝土结构及混凝土结构中钢筋不具侵蚀性。

3.3 隧道进出口工程地质条件分析

隧道进口围岩地层岩性为三叠系中统法郎组页岩，全～弱风化。进口放大纵断面示意图如图1所示。根据工程地质调绘及地质钻探，隧道进口主要存在以下工程问题：1）洞口开挖产生临空面易造成基岩风化层垮塌。2）进口仰坡开挖时会形成顺层不稳定斜坡，施工开挖或震动易引发顺层滑坡。总体来说，隧道进口工程地质条件较差。针对上述问题，提出以下2条建议：1）隧道开挖时，应加强超前支护，衬砌紧跟，做好洞口上方截排水措施，防止地表水下渗。2）边、仰坡开挖坡率为全风化页岩1∶1.25～1∶1.5，强风化页岩、弱风化页岩1∶1～1∶1.25。施工时加强支护，放缓边坡，保证仰坡、堑坡的稳定性。

图1 隧道进口放大纵断面图

隧道出口围岩地层岩性为三叠系中统法郎组灰岩，弱风化。出口放大纵断面示意图如图2所示。根据工程地质调绘及地质钻探，隧道出口主要存在以下工程问题：1）隧道出口覆盖层较薄，岩体较破碎，节理裂隙较发育，岩溶弱～中等发育。2）出口位于陡坡，上方发育危岩、落石，直径一般为0.1 m～1.5 m。总体来说，隧道出口工程地质条件一般。针对上述问题，建议：1）隧道开挖时应加强超前支护，衬砌紧跟，做好洞口上方截排水措施，防止地表水下渗。边、仰坡开挖坡率为弱风化灰岩1∶0.75～1∶1.25。施工时加强支护，放缓边坡，保证仰坡、堑坡的稳定性。2）采取清除、支挡或接长明洞等措施。

图2 隧道出口放大纵断面图

3.4 隧道围岩稳定分析

3.4.1 岩土物理力学性质

根据物探测试成果并结合室内试验，该文给出了隧道地层物理力学参数统计结果，见表1。

表1 隧道地层物理力学汇总

3.4.2 围岩岩体结构特征

根据工程地质调绘及地质钻探，隧道围岩主要为三叠系中统法郎组（T2f）砂岩、页岩和石灰岩，岩体多呈薄～中厚层状结构。灰岩段落岩溶主要为弱发育，地表形态有溶沟、溶槽和石芽等，地下形态有溶孔、溶隙、溶洞以及岩溶管道等。弱风化砂岩、页岩和灰岩岩体节理裂隙较发育～发育，岩体较破碎～破碎，多呈块（石）碎（石）状镶嵌结构、碎石状压碎结构，工程地质性质相对较好。围岩岩体特征与波速测试计算结果基本吻合。

3.4.3 隧道围岩分级

隧道围岩分级由岩石坚硬程度和岩体完整程度2个影响因素确定，这2个因素应采用定性和定量2种方法综合确定[1]。

3.4.3.1 定性划分

定性划分包括①岩石坚硬程度的划分。根据本次室内岩石力学试验成果，根据文献[1]，灰岩、砂岩为硬岩，页岩为软岩。②隧道围岩岩体完整性系数Kv的确定。本次勘察主要利用定测勘探、测试成果，并结合地面调查情况确定岩体的完整性系数。

3.4.3.2 定量划分

定量划分包括①围岩初步分级。据文献[1]，岩体基本质量指标BQ值的计算公式为：BQ=100+3Rc+250Kv。当Rc>90Kv+30时，取Rc>90Kv+30；当Kv>0.04Rc+0.4时，取Kv>0.04Rc+0.4。计算结果见表2。②围岩修正定级。地下水影响修正系数K1根据文献[1]说明表4.3.2-11确定，本次勘察根据地下水出水状态和岩体基本质量指标，综合取值0.1～0.4。主要软弱结构面产状影响修正系数K2根据文献[1]说明表4.3.2-12确定，本次勘察主要根据钻孔岩芯完整程度、弹性纵波速度测试结果，分析岩体完整程度，综合分析取值0.2～0.4。综合分析隧道埋深、地貌、地形、地质和运动史根据文献[1]说明表4.3.2-13确定，初始应力状态影响修正系数K3取值为0。

经过上述方法确定该隧道各段落分级情况，见表2。根据隧道围岩分级情况可知，本隧道以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，V级围岩次之，各级围岩所占比例如图3所示。

图3 隧道各级围岩占比

表2 隧道围岩分级计算表

3.5 隧道涌水量预测分析

预测隧道涌水量的计算方法采用降水入渗法和地下水径流模数法[2]。

3.5.1 降水入渗法

降水入渗法如公式（1）所示。

式中：Q为隧道通过含水体地段的正常涌水量（m3/d）；A为隧道通过含水体地段的地下集水面积（km2）；L为隧道通过含水体的长度（km）；B为隧道涌水地段长度内对两侧的影响宽度（km）；a为降水入渗系数；W为年降水量（mm）。

计算正常涌水量时，参考沿线气象资料，年平均降水量1303.7 mm，年最大降水量1958.5 mm。降水入渗系数a根据隧道沿线的地层岩性、地质构造发育特征，并根据文献[2]和文献[3]取值，按岩石完整程度分段选择降水入渗系数值。

3.5.2 地下水径流模数法

地下水径流模数法如公式（2）所示。

式中：M为年平均地下水径流模数m3/d·km2；A为隧道通过含水体地段的地下集水面积（km2）

根据地貌在卫星平面图图上截取得A=1.437 km2，计算结果如公式（4）、公式（5）所示。

λ=多年最大降雨量/多年平均降雨量=1.502Qmax=1.502×566.47=850.84 m3/d。

根据计算成果，并根据测区的岩溶发育特征和水文地质条件，建议采用大气降水入渗法计算结果，全隧道正常涌水量Q正常=1748.85 m3/d，最大涌水量Q最大=3141.65 m3/d。隧道涌水量的计算只是针对岩层含水特征一般规律，由于岩体破碎程度不同，渗透系数亦有很大变化，局部节理密集带岩溶发育，岩体裂隙水较发育，可能会出现股状涌水现象，因此建议设计及施工中采取相应预防和处理措施。

3.6 场地稳定性分析

根据工程地质调绘及地质钻探，隧道通过区主要地层为第四系全新统残坡积粉质黏土，三叠系中统法郎组砂岩、页岩及灰岩，工程地质条件一般。根据文献[4]表4.01-1、4.01-2判定，场地类别为Ⅰ类，场地土类型为岩石。隧道洞身岩层节理裂隙发育～很发育，岩体较破碎～极破碎，隧道进出口节理裂隙较发育，岩体破碎。隧址区基本地震动峰值加速度值为0.05 g，基本地震动加速度反应谱特征周期值为0.45 s，场地稳定性较好。