斷裂構(gòu)造對公路隧道方案比選的影響分析

摘 要：文章講述了“遵循地質(zhì)選線理念”在公路隧道通過斷裂構(gòu)造帶的實(shí)際應(yīng)用。擬建公路隧道通過或位于多條區(qū)域斷裂帶附近，斷裂構(gòu)造對巖體的工程性質(zhì)起著重要的作用，并對隧址區(qū)水文地質(zhì)條件及洞室圍巖穩(wěn)定性起著控制性作用。通過詳盡的地質(zhì)調(diào)繪，并結(jié)合音頻大地電磁法（AMT）和鉆探，對“東西走向”和“南北走向”兩種隧道方案進(jìn)行了初步圍巖級別劃分和施工風(fēng)險評估，并對可能出現(xiàn)的主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行了預(yù)測，為隧道選線提供了地質(zhì)依據(jù)。隧道方案應(yīng)盡量避開斷裂帶，盡可能垂直穿越，避免平行通過。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)選線；隧道；斷裂；圍巖分級

引言

巖體通常被層理、節(jié)理、斷裂等結(jié)構(gòu)面切割成大小不等、形狀各異的塊體，使巖體成為一種多裂隙的不連續(xù)介質(zhì)。巖體的工程性質(zhì)首先取決于這些結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，通常用完整性系數(shù)衡量，其次才是組成巖體的巖石性質(zhì)，一般用單軸飽和抗壓強(qiáng)度衡量。巖體的變形、破壞與穩(wěn)定性主要取決于巖體內(nèi)各種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其對巖體的切割程度。因此，對結(jié)構(gòu)面的成因、特征、影響進(jìn)行分析研究，在工程中具有重要意義。

擬建公路隧道地處區(qū)域斷裂帶，為全線控制性工程，文章結(jié)合該隧道選線，探討了斷裂構(gòu)造對山區(qū)公路隧道的影響，從而為隧道選線及施工方案優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

擬建公路隧道初擬兩種方案，東西向隧道方案由長嶺坡隧道組成，隧道總長約4212m，最大埋深約280m，地處區(qū)域斷裂帶上盤，路線距破碎帶最遠(yuǎn)約500m，路線走向與斷層走向近平行；南北向隧道方案由馬場隧道和三岔隧道兩個隧道組成，隧道總長約4365m，最大埋深約340m，路線近垂直穿越兩條區(qū)域斷層。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

擬建隧道位于中高山區(qū)，總體呈東西向延伸山脈。隧址區(qū)地形地貌受東西向斷裂構(gòu)造控制，地形破碎，形成眾多山間溝谷，溝谷一般呈南北向分布在隧道通過山體南北坡，切割深度大，邊坡陡峻，地形起伏變化大，山體風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，基巖裸露少，山麓、谷地被殘坡積、坡積、洪積角礫碎石覆蓋，植被覆蓋較好。隧址區(qū)地面高程2940m～3330m，相對高差約390m。

2.2 地層巖性

長嶺坡隧道：洞身圍巖巖性主要為二疊系（P1）炭質(zhì)頁巖、頁巖及斷層糜棱巖、壓碎巖等。炭質(zhì)頁巖、頁巖為隧道洞身主要巖性，青灰-灰黑-黑色，泥質(zhì)（隱晶質(zhì)）結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，頁狀和薄片狀層理極為發(fā)育，層厚一般在0.5-2cm，層理分明，易剝離成片狀，頁理面光滑，結(jié)合差，硬物擊打易裂成碎片，巖體抗風(fēng)化能力差，長時間裸露極易碎裂呈片狀，部分裸露巖體風(fēng)化浸水后污手，巖性軟弱，為軟巖-極軟巖，該段圍巖約2.82km，占隧道總長約67%；斷層糜棱巖、壓碎巖：分布在斷層破碎帶內(nèi)，母巖成分為頁巖、炭質(zhì)頁巖，大部分原巖結(jié)構(gòu)已破壞變質(zhì)，形成云母、方解石及粘土等次生礦物，殘留部分母巖碎塊，呈灰黑-黑色，夾方解石團(tuán)塊，呈碎裂狀，擠壓緊密，水穩(wěn)性很差，遇水后極易軟化成泥狀，自穩(wěn)能力很差，特別是遇水后抗剪強(qiáng)度急劇下降，易發(fā)生大變形及大范圍坍塌破壞，該段圍巖約1.39km，占隧道總長約33%。（如圖1、圖2）

馬場隧道、三岔隧道：洞身圍巖巖性主要為（γ）花崗巖；二疊系（P1）頁巖、板巖夾灰?guī)r和灰?guī)r；古近系（E）礫巖；三疊系（T）板巖；斷層糜棱巖、壓碎巖等?；◢弾r為較硬巖，較完整，圍巖長約280m，占隧道總長約7%；頁巖巖性同長嶺坡隧道方案，圍巖長約480m，占隧道總長約11%；礫巖為較硬巖，厚層塊狀，較完整，圍巖長約320m，占隧道總長約7%；板巖夾灰?guī)r為較硬巖，巖體較破碎，圍巖長約1400m，占隧道總長約32%；灰?guī)r為較硬質(zhì)巖，巖體較完整-較破碎，圍巖長約500m，占隧道總長約11%；板巖為較硬巖，巖體較破碎-較完整，圍巖長約980m，占隧道總長約22%；斷層破碎帶長約300m，占隧道總長約7%。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于臨潭-宕昌斷裂帶西段，該斷裂為一條規(guī)模較大的晚更新世-全新世活動斷裂帶，由多條平行的次級斷裂組成，斷裂帶水平滑動速率為2-2.5mm/a，垂直滑動速率為0.18mm/a，路線通過次級斷裂F26和F23，見圖3。

松柏梁斷層F26：屬逆沖左旋斷層，產(chǎn)狀NW275°NE∠40-60°，呈舒緩波狀近東西向展布，破碎帶寬300-400m，破碎帶物質(zhì)組成為壓碎巖、糜棱巖、斷層泥及炭質(zhì)頁巖風(fēng)化物，遇水極易軟化成泥狀，地調(diào)及鉆探揭示，斷裂構(gòu)造影響范圍大，二疊系地層巖體破碎，產(chǎn)狀多變，褶皺及次級斷裂發(fā)育，受斷裂構(gòu)造阻水影響，沿?cái)嗔褞媳P有眾多泉水出露，溝谷內(nèi)均有常年流水。大地電磁（AMT）物探揭示，F(xiàn)26斷層上盤呈羽狀分布多條次級斷裂，破碎帶寬100-250m。長嶺坡隧道自F26斷層上盤通過，洞身距斷層最遠(yuǎn)約500m，且穿越該斷裂多條次級斷裂，隧道全線受到斷裂構(gòu)造影響很大，隧道圍巖很差；馬場隧道近垂直穿越F26斷層，斷層對圍巖影響段落相對較短。

嚴(yán)家寺-格力那斷層F23：屬逆沖斷層，產(chǎn)狀NW290°NE∠50-60°，呈舒緩波狀近東西向展布，延伸長度約75km，破碎帶寬100-200m，破碎帶物質(zhì)組成為構(gòu)造泥及角礫巖，斷裂將二疊系（P1）地層推覆在三疊系（T）及古近系（E）地層之上，局部地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，其上盤地層巖性多變。三岔隧道近垂直穿越F23斷層，斷層對圍巖影響段落相對較短。

2.4 水文地質(zhì)條件

地表水：隧址區(qū)地表水豐富，在隧道進(jìn)出口溝谷及洞頂?shù)乇頉_溝內(nèi)均有地表水分布，為常流水，水質(zhì)清澈，流量為5-10L/s，與地下水特別是出露泉水水力聯(lián)系密切，枯水季節(jié)主要由地下水補(bǔ)給，亦受大氣降水影響。

地下水：隧道區(qū)山體巖層歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動，褶皺、斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育，其不同的巖性接觸帶、斷裂帶、向斜、巖層的片理、層理以及巖體的節(jié)理裂隙等為地下水儲存、運(yùn)移提供了空間和通道，進(jìn)而也決定了地下水以基巖裂隙水為主，接受大氣降水補(bǔ)給，在隧址區(qū)多以泉的形式排泄于溝谷及地勢較低的第四系堆積物中。隧道開挖后在頁巖段落以淋雨?duì)罴熬€狀流水為主，其中賦存于斷層破碎帶及褶皺核部的地下水儲存豐富，水量大，洞室開挖后會出現(xiàn)股狀流水及突涌水、涌泥現(xiàn)象。

構(gòu)造斷層帶富水性評價：斷裂破碎帶主要由斷層壓碎巖、壓碎巖、糜棱巖及斷層泥組成，呈散體碎裂結(jié)構(gòu)，為地下水儲存提供了空間，加之?dāng)鄬佑绊憥r體受構(gòu)造影響，巖體破碎，為地下水富集運(yùn)移提供了天然通道，受斷裂帶阻水影響，在斷層上盤及斷裂帶以泉水形式排泄至溝谷。根據(jù)地調(diào)資料，沿?cái)嗔褞媳P出露眾多泉水，根據(jù)泉水分布特征，判定斷層破碎帶及斷層上盤巖體中均儲存有地下水，地下水豐富，具承壓性。

根據(jù)長嶺坡隧道鉆孔提水試驗(yàn)，隧址區(qū)地下水埋深淺，一般在17-21m，地下水豐富，水位恢復(fù)速度快。地下水對炭質(zhì)頁巖頁理面和破碎帶物質(zhì)軟化作用明顯，頁巖遇水后極易沿頁理面開裂，破碎帶遇水后易軟化成散體狀或泥狀。隧道在斷層破碎帶中開挖易發(fā)生突涌水、突泥、大變形、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害，對隧道施工危害嚴(yán)重。

3 長嶺坡隧道施工中存在的主要地質(zhì)問題

隧道位于斷裂構(gòu)造帶，圍巖總體很差，地下水豐富，洞身巖性為軟巖-極軟巖，洞身多次穿越斷裂破碎帶，破碎帶、影響帶范圍大，施工難度大、風(fēng)險高，成洞條件很差，存在很大安全隱患，主要有以下工程地質(zhì)問題：

（1）隧道位于區(qū)域斷裂（F26）上盤，其上盤發(fā)育多條羽狀次級斷裂通過洞身，破碎帶寬100-250m，隧道通過斷裂帶總長約1.39km，占隧道總長約33%。破碎帶物質(zhì)組成為壓碎巖、糜棱巖、斷層泥及炭質(zhì)頁巖風(fēng)化物，遇水極易軟化成泥狀，遇水后圍巖無自穩(wěn)能力，隧道開挖易發(fā)生突涌水、突泥、大變形、冒頂?shù)?，圍巖收斂變形很大。

（2）隧道洞身通過巖性主要為頁巖、炭質(zhì)頁巖夾砂巖，頁狀和薄片狀層理極為發(fā)育，層厚一般在0.5-2cm，頁理面光滑，結(jié)合差，易剝離成片狀，長時間裸露極易碎裂呈片狀，巖性軟弱，為軟巖-極軟巖，遇水極易沿頁理面開裂坍塌，鉆孔揭示巖體中存在次級斷裂帶，分布不規(guī)則。該類圍巖總長約2.82km，占隧道總長約67%。，隧道開挖易發(fā)生掉塊及塌方，洞室有較大收斂變形，以淋雨?duì)罴熬€狀出水為主，圍巖自穩(wěn)性差，局部有突涌水及突泥現(xiàn)象。

（3）隧址區(qū)地下水豐富，地下水對炭質(zhì)頁巖頁理面和破碎帶物質(zhì)軟化作用明顯，頁巖遇水后極易沿頁理面開裂，破碎帶遇水后易軟化成散體狀或泥狀。隧道在斷層破碎帶中開挖易發(fā)生突涌水、突泥、大變形、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害，對隧道施工危害嚴(yán)重。

4 方案比選

通過對隧址區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件綜合分析評價，結(jié)合施工中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，就地質(zhì)條件而言，對比選的兩個方案進(jìn)行以下比較。（如表1）

5 結(jié)束語

（1）隧道走向與斷裂構(gòu)造線平行且臨近通過時，隧道全線均受斷裂構(gòu)造影響，巖體破碎，地下水豐富，圍巖自穩(wěn)能力差，施工難度大、風(fēng)險高，因此隧道方案選擇時應(yīng)盡量避開斷裂帶，無法避開時盡可能垂直穿越，避免平行通過。

（2）隧道通過斷層破碎帶時，開挖易發(fā)生突涌水、突泥、大變形、冒頂?shù)?，圍巖收斂變形很大，無自穩(wěn)能力，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報及超前支護(hù)措施，施工中應(yīng)采取降低水位及排水措施，并做好對突發(fā)事件的應(yīng)急預(yù)案。

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