南-大-梁（川渝界）高速公路華鎣山隧道地質(zhì)環(huán)境條件及煤系特征研究

陳東

（四川煤田地質(zhì)一三七總公司，四川 達州 635000）

南充-大竹-梁平高速公路位于四川盆地中、東部，是我省向東（重慶）方向增加出川的重要通道，路線起于南充市，向東途經(jīng)四川省的蓬安、營山、渠縣、大竹等地直至重慶的梁平，線路全長約142.7km。擬建線路將以特長隧道方式穿越華鎣山背斜，該背斜兩翼地層中三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）和二疊系上統(tǒng)的龍?zhí)督M（P2l）為含煤系地層。在須家河組（T3xj）中有大量的煤礦采空區(qū)分布，對線路的影響極大，為控制路線走向的主要不良地質(zhì)。區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)及廠礦多沿背斜兩側(cè)山腳一帶集中分布，該帶人口密度相對較大，山丘及河谷斜坡多被墾植為農(nóng)田旱地。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

勘查區(qū)位于四川盆地東部邊緣川東褶皺帶的嶺谷地貌區(qū)，擬建隧道橫穿區(qū)內(nèi)的華鎣山背斜，該背斜山脊延展方向總體呈北東-南西向，區(qū)內(nèi)高點位于隧道中部，標高約1104m，低點位于進口外的渠江和出口外的東柳河，標高約240～300m，高差約800余米。隧道頂部多為灰?guī)r溶蝕后形成的溶丘、溶槽地貌，兩側(cè)的砂巖形成挺拔的山脊，常組合形成“一山兩嶺”或“一山三嶺”的特殊地貌形態(tài)，兩翼坡體橫向溪溝較發(fā)育。隧道所穿越的該段山體地形坡度一般10～35°，局部為陡崖，山脊植被覆蓋較好，基巖出露較好。

1.1 地層

據(jù)區(qū)域地質(zhì)、地調(diào)及鉆探揭露，勘查區(qū)主要出露地層為新生界第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4dl+el） 、崩坡積層（Q4c+dl）及侏羅系中-下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、下統(tǒng)珍珠沖組（J1zh）和三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）、中統(tǒng)雷口坡組（T2l）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j），其下還隱伏有三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、二疊上統(tǒng)長興組（P2c）、龍?zhí)督M（P2l）等地層。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震

1.2.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)《中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告》（1：20萬達縣幅），勘查區(qū)位于新華夏系四川沉降帶的川東褶皺帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造特征主要由一組北東-南西走向的線形褶皺組成，具有狹窄緊密的背斜與開闊寬緩的向斜相間排列的隔擋式構(gòu)造特點[1]。褶曲在平面上的展布多呈微向北西突出的弧形，背斜形態(tài)常呈不對稱的梳狀褶曲，一般是北西翼陡，南東翼緩。此外，沿背斜軸部偶伴有稀疏的走向壓扭性斷裂，主要構(gòu)造面（背斜軸面、斷裂面）多呈南東向傾斜?？辈閰^(qū)位于川東褶皺帶之華鎣山背斜中部。

1.2.2 褶皺

華瑩山背斜：為隧址區(qū)一級主體控制性構(gòu)造，背斜軸向N10～25°E，軸部平緩，兩翼不對稱。北西翼陡，傾角約30°～80°，南東翼緩30°～40°，背斜軸部傾向南東，為狹長半箱狀斜歪背斜。軸部出露最老地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層。本隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)次級褶皺。

1.2.3 斷裂

區(qū)內(nèi)斷裂性質(zhì)表現(xiàn)為壓性構(gòu)造形跡，按其展布和組合關(guān)系，與背斜、褶皺同屬北北東-北東向構(gòu)造形跡。本次勘查在隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)較大斷層，僅在 G線方案隧道出口附近發(fā)育一條小斷層，交于線路里程GK114+230m。該斷層位于華鎣山背斜南東翼山麓-丘陵過渡部位，為一走向逆斷層，破碎帶寬約 20m，斷層產(chǎn)狀111°∠71°，兩盤巖性均為侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組巖層，斷層從與G線隧道交點向北延伸約600m，向南約800m消失。該斷層規(guī)模小，對隧道影響不大。

區(qū)內(nèi)出露巖性眾多，節(jié)理裂隙發(fā)育，經(jīng)統(tǒng)計分析，本區(qū)主要發(fā)育節(jié)理3組，現(xiàn)分述如下：

J1組：產(chǎn)狀292°∠47°～52°，發(fā)育間距0.1～0.2m不等，可見延伸長度8～10m；張開，局部見泥質(zhì)充填，面較粗糙，為隧址區(qū)內(nèi)的主控節(jié)理。

J2組：產(chǎn)狀196°～212°∠54～61°，發(fā)育間距0.2～0.3m不等，可見延伸長度3～5m；張開～微張，局部見泥質(zhì)充填，面較粗糙。

J3組：產(chǎn)狀329°∠64°，發(fā)育間距0.50～0.70m不等，閉合～微張，面較平直，無充填。

1.2.4 地震

據(jù)GB 18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》國家標準及第1號修改單，本區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35s，對應的地震基本烈度為Ⅵ度。

2 煤系地層概況

2.1 含煤地層

本區(qū)主要的含煤地層為三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）。珍珠沖組（J1zh）地層含薄煤層或煤線，煤層穩(wěn)定性極差，無礦井開采，在此不加敘述。

2.1.1 三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）

該組地層總厚一般約 520～780m，其中，第一、三、五、七段為含煤段，累計厚約 215～325m，占全組總厚的約40%；第二、四、六段為砂巖段累計約占全組總厚的約60%。

本區(qū)須家河組（T3xj）所含煤層較多，但達可采或局部可采者共4～8層，分屬于須一段(T3xj1)1層，須三段（T3xj3）1～2層，須五段（T3xj5）4層，須七段（T3xj7）1層。其中須一段和須七段煤層數(shù)量少，結(jié)構(gòu)變化大，分布不穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)僅有紅光井田的茶盤巖煤礦在開采須一段的外正連（正連）煤層；須三段和須五段共計含可采煤層5～6層，為區(qū)內(nèi)主要含煤段，其中須五段又可分為上、中、下三個亞段，上（T3xj5-3）、下（T3xj5-1）亞段含煤，中（T3xj5-2）亞段為砂巖。

2.1.2 二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）

該含煤地層俗稱龍?zhí)睹合?，該地層位于背斜核部，地表未出露，埋深大，位于擬建隧道路基面以下，擬建隧道揭露不到該組煤系地層，區(qū)內(nèi)也無礦井開采記錄。根據(jù)在相鄰的龍門峽北井田對其進行的勘查，該地層含煤1～3層，其中可采煤層1層。

2.2 煤層構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)各煤層的構(gòu)造形態(tài)與區(qū)內(nèi)主體地質(zhì)構(gòu)造一致，煤層多為傾斜-急傾斜煤層。其中，背斜西翼龍峽子-大峽口普查區(qū)內(nèi)煤層走向約N26°E，傾向西，傾角約68°；背斜東翼紅光、光明井田內(nèi)煤層走向約N21°E，傾向東，傾角約25°～36°，煤層構(gòu)造復雜程度中等。

3 采空區(qū)現(xiàn)狀及巖體穩(wěn)定性分析

區(qū)內(nèi)煤窯開采強度大、時間長，淺部煤炭多被解放前老窯開采，本次對區(qū)內(nèi)仍在生產(chǎn)的煤礦的回采面、巖煤巷和人能探測的部分采空區(qū)現(xiàn)狀進行了井下觀測。

3.1 采空區(qū)現(xiàn)狀

根據(jù)勘查，區(qū)內(nèi)含煤巖組多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，一般巖層厚(頂、底板)1～5m，少數(shù)7～20m，老頂、底多為厚層狀長石石英砂巖，煤層開采凈寬一般0.50～2.00m，頂、底板走向較為平直，西翼煤層傾角一般63°～68°，東翼煤層傾角一般25°～37°。在有坑木或局部充填物支撐的情況下，頂板懸空，出現(xiàn)較大面積的空腔，空腔長寬一般20～50m，少數(shù)達100多米，空腔內(nèi)一般潮濕-干燥。

區(qū)內(nèi)采空區(qū)局部地段頂、底板泥巖厚度較大，巖體裂隙發(fā)育，采掘破壞較嚴重，巖體多生產(chǎn)剪切滑移和脫層冒落現(xiàn)象。頂板垮塌之后，松散巖塊將空腔逐漸填滿，此變形情況為區(qū)內(nèi)采空變形的主要現(xiàn)象；另一種情況為頂?shù)装遢^完整的軟質(zhì)巖，層理發(fā)育，煤層采空后，頂板在自重壓力之下向采空底板緩慢變形，逐漸擠壓閉合。

3.2 采空區(qū)巖體穩(wěn)定性分析

采空區(qū)巖體穩(wěn)定性取決于巖性、構(gòu)造、采空及充填情況等多種因素：①區(qū)內(nèi)須家河組地層巖性以第二、四、六段厚層硬質(zhì)細-中粒砂巖為主，第一、三、五、七段軟質(zhì)巖組中仍夾含有較多硬質(zhì)砂巖，硬質(zhì)巖占總厚度的60%以上，而軟質(zhì)泥巖僅占約40%，煤層的老頂、老底均為厚層狀長石石英砂巖為主；②區(qū)內(nèi)巖層走向穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)影響煤系地層的大斷裂、褶皺等，煤層傾角在25～68°之間，采空區(qū)頂板見有產(chǎn)生剪切滑移和脫層冒落現(xiàn)象和破壞現(xiàn)象，頂板垮塌之后，松散巖塊將墜入空腔內(nèi)；③由于區(qū)內(nèi)煤層薄，開采空間小，充填棄渣和少量垮落巖塊起著支撐作用，且因三疊系煤層穩(wěn)定性較差，厚度變化大，不可采段(點)較多，小煤窯采礦技術(shù)落后，采富棄貧現(xiàn)象普遍。因此，未采出段對采空區(qū)頂板起著一定支撐作用。

綜合上述，隧址區(qū)煤層采空區(qū)地段巖體穩(wěn)定性較差。

3.3 采空區(qū)變形的理論計算

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB 12719-91）附錄F，本次擬建隧道進口段煤層屬急傾斜煤層，出口段煤層屬緩傾斜煤層，從整體來講，由于煤系地層含煤層數(shù)眾多，采礦影響范圍廣，各采空區(qū)距離近，變形累積效應明顯，圍巖完整性破壞規(guī)模實際相對偏大。

3.4 采空區(qū)地面變形情況

根據(jù)本次勘查，在隧址區(qū)煤礦采空范圍內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)地表塌陷、陷坑、移運盆地等變形現(xiàn)象[2]。主要原因有兩點：一方面是因為區(qū)內(nèi)淺部煤炭資源多被以前老窯采空，采空區(qū)經(jīng)過多年的彎曲、下沉或塌陷，地表變形已經(jīng)完成，剩余沉降量應較小，現(xiàn)多數(shù)煤礦為開采深部煤層，對地表影響較小；另一方面，本區(qū)地層以砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖為主，屬柔性巖石，且區(qū)內(nèi)煤層均屬薄煤層，采空不大，上部巖體變形高度普遍較小，難以影響到地面。

3.5 采空區(qū)積水及瓦斯聚積

本區(qū)地下水主要靠大氣降水補給，礦井水來源多為上部巷道來水及基巖裂隙水。本次實測的礦井水量約75～1300m3/d不等，水量的大小與巷道的標高及采空巷道長短呈正相關(guān)，據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)礦井水平巷道內(nèi)均以淋雨狀及滴水狀出水為主，來水通過巷道自然排出地表，無大的積水現(xiàn)象；積水主要發(fā)生在礦井下山中。此外，由于區(qū)內(nèi)巖性組合多為砂、泥巖相間分布的特點，泥巖為相對隔水層，砂巖為相對含水層，煤層采空后，上部巖層冒落破壞，常將隔水層及含水層相互連通易造成隧道涌水量增加。冒落形成的陷落帶，由于巖體破碎，且連通多個含水層，其水量較豐，隧道施工到此時，可能出現(xiàn)涌、突水事故，須加強設(shè)計并采取施工措施加以處治[3]。

區(qū)內(nèi)煤礦均屬低瓦斯礦井，相應煤層屬低瓦斯煤層，通過各煤礦多年的開采破壞，煤層瓦斯多已排出逸散，且因該背斜核部剝蝕嚴重，造成了煤系地層在兩翼已成開放構(gòu)造，區(qū)內(nèi)煤層瓦斯的賦存條件總體較差。但因區(qū)內(nèi)老窯采空巷道眾多，老窯采空區(qū)多已封閉多年，在此封閉空間內(nèi)，不排除有局部瓦斯集聚現(xiàn)象。

3.6 采空區(qū)對公路工程建設(shè)的影響

煤層開采對地層巖體的完整性和穩(wěn)定性造成極大破壞，大大降低了巖體工程地質(zhì)性能。對隧道建設(shè)而言，圍巖類別降低，洞頂、側(cè)壁松散巖體易冒落，坍塌或隧道洞身扭曲變形，對施工人員和機械安全構(gòu)成極大危害。此外，對于隧道路基面之下為采空區(qū)的情況，由于填充不充分，以后受長期振動影響，基礎(chǔ)將會向下沉陷、垮落，冬季廢巷可能有濃密水氣向隧道內(nèi)冒出的現(xiàn)象，影響隧道正常營運，為此必須襯砌加固處理，才能滿足道路建設(shè)要求。

含煤段巖性多為相對隔水層，煤層采空后，巖體遭到破壞，隔水層、含水層相互連通，造成隧道涌水量增加，局部甚至可能引起老窯突水，嚴重影響施工安全，故必須加強設(shè)計并采取施工措施加以處治。

4 結(jié)論

通過對該隧道工程的勘查，基本查明了該隧道的地質(zhì)環(huán)境條件，并對其煤系特征作出了研究，得出主要結(jié)論如下：

1）本隧道穿越華鎣山背斜，煤層開采對地層巖體的完整性和穩(wěn)定性造成極大破壞，大大降低了巖體工程地質(zhì)性能。對隧道建設(shè)而言，圍巖類別降低，洞頂、側(cè)壁松散巖體易冒落，坍塌或隧道洞身扭曲變形，對施工人員和機械安全構(gòu)成極大危害。

2）基本查明了勘查區(qū)內(nèi)煤層分布位置、層數(shù)、瓦斯含量等指標及采空區(qū)的分布特征、空間形態(tài)、充填情況、冒落帶范圍等。并對路線的影響程度進行了較為合理、準確的評價。但應在施工中注意加強對采空區(qū)破碎帶圍巖的管理、加固措施。

[1] 徐穩(wěn)超．大路梁子隧道煤系地層施工處理技術(shù)[J]．山西建筑，2007，(2)．

[2] 郭俊娥．隧道煤系地層施工技術(shù)[J]．太原城市職業(yè)技術(shù)學院學報．2011，(3)．．

[3] 丁堯．公路隧道瓦斯涌突機制與預測預警研究[D]．成都：成都理工大學，2011．