復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)隧道路線比選的影響分析

祝塘 李劍 李文軍

摘要 貴州屬于中國(guó)西南部高原山區(qū)典型地貌，山區(qū)因地形起伏大，公路的建設(shè)須穿越長(zhǎng)大山脈，出現(xiàn)了大量的長(zhǎng)大深埋隧道，特別是在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，隧道對(duì)高速公路路線方案有時(shí)起決定性作用，直接影響工程投資?；趪?guó)家高速公路—成都至遵義（貴州境）—仁懷至遵義段石筍溝特長(zhǎng)隧道線位選擇實(shí)例，報(bào)告了石筍溝特長(zhǎng)隧道區(qū)域的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及水文地質(zhì)，提出復(fù)雜地質(zhì)對(duì)隧道的影響，分析了隧道的線路比選，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞 隧道;地質(zhì)構(gòu)造;不良地質(zhì);水文地質(zhì);線路比選

中圖分類號(hào) U212.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0053-03

0 引言

貴州山區(qū)地形起伏大，高速公路因線位方案的選擇，不同線位須穿越高山峽谷，以大跨徑橋梁和深埋長(zhǎng)大隧道的形式通過(guò)，對(duì)控制性工程應(yīng)做多種線位方案對(duì)比，充分考慮線位的地形、地質(zhì)及水文條件，盡量繞避大型不良地質(zhì)體區(qū)域。同時(shí)充分考慮環(huán)境保護(hù)的影響，盡量避免大面積開(kāi)挖和回填，降低邊坡高度，力爭(zhēng)把對(duì)自然環(huán)境的破壞降至最小。因此，高速公路在復(fù)雜的地質(zhì)條件下進(jìn)行比選具有重要的意義。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目起點(diǎn)位于仁懷蒼龍—趙家灣，終點(diǎn)位于忠莊—桃溪，與現(xiàn)有的蘭海高速T形交叉。石筍溝特長(zhǎng)隧道位于仁懷市東北部約10 km，隧道區(qū)域沿盤山鄉(xiāng)村通道下穿鋪設(shè)，交通條件較好。隧道區(qū)進(jìn)出口地質(zhì)條件較好，但隧道頂部發(fā)育有多處大型巖溶洼地，地質(zhì)條件較差，因此，擬定了兩條線為K線、A3線在隧道洞身段進(jìn)行比較。

K線和A3線隧道：均為分幅式隧道，全長(zhǎng)5 330～5 349 m，最大埋深521 m。

2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

項(xiàng)目區(qū)地處云貴高原東北部，位于遵義市北西面，受溶蝕～剝蝕影響，屬中等切割的侵蝕～溶蝕中山地貌和溶蝕槽谷及溶蝕峰叢相間地貌[1]。場(chǎng)區(qū)地面標(biāo)高介于1 004.1～1 632.8 m，相對(duì)高差約628.7 m。

隧道穿越仁懷市奶子山，山體總體走向?yàn)槟媳毕?，進(jìn)口位于陡坡上，植被發(fā)育，主要為林地。出口位于陡坡上，植被不發(fā)育，主要為灌木叢、農(nóng)用耕地及稻田，軸線地表高程在1 078.0～1 624.0 m之間，相對(duì)高差546.0 m。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)出露的地層自上而下分布為：

2.2.1 第四系（Q）

（1）坡洪積層（Q4pl+dl）：厚度0～3 m。為卵石土、圓礫等。零星分布于河谷、溝谷及谷地底部。

（2）殘坡積層（Q4el+dl）：厚度0～5 m。為含中密細(xì)角礫的紅黏土，局部偶夾碎石，零星分布于隧道區(qū)域地勢(shì)低洼地帶。在溶溝、溶槽、洼地區(qū)域內(nèi)集中分布，厚度相對(duì)較大。

2.2.2 奧陶系（O）

（1）十字鋪組、寶塔組（O2s+b）：厚度30～63 m。以深灰色、灰白色薄至中厚層狀灰?guī)r和白云巖為主，局部偶夾薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。位于線路左側(cè)，隧道未穿越該地層。

（2）湄潭組（O1m）：厚度50～360 m。薄至中厚層狀黃綠色頁(yè)巖為主，中部夾灰?guī)r，上部夾粉砂巖。呈帶狀分布在隧址區(qū)出口段。

（3）桐梓組、紅花園組（O1t+h）：厚度162～493 m。以深灰色薄至中厚層狀白云巖質(zhì)灰?guī)r為主，中部夾泥質(zhì)，頂部為灰?guī)r。呈帶狀分布至隧址區(qū)洞身段。

2.2.3 寒武系（∈）

婁山關(guān)群（∈2-3ls）：厚度639～1 060 m。為灰白色和淺灰色刀砍狀的薄至厚層狀白云巖。該地層占整個(gè)隧道區(qū)域地層的65%，分布在進(jìn)口至洞身段。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)屬揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地—黔北臺(tái)隆—遵義斷拱—畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)[1]。地質(zhì)構(gòu)造分布有褶皺和斷裂，有一條褶皺背斜和三條壓扭性斷裂通過(guò)。褶皺因斷裂構(gòu)造的影響，其展布方向和斷裂構(gòu)造方向基本一致。

2.3.1 褶皺—中樞背斜

位于隧道進(jìn)口前約1 km，背斜軸部沿北東32°方向延展，受魯班斷層的影響，向斜兩冀不對(duì)稱，北西冀陡斜，南東冀緩斜，背斜核部地層為（∈2-3ls）白云巖，兩翼由O1、O2-3、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖、泥巖。

2.3.2 斷裂

（1）魯班斷層。為壓扭性斷裂，位于茅臺(tái)向斜以東，線位通過(guò)區(qū)為南北走向，長(zhǎng)度大于40 km，傾角在60～78°，斷層兩盤地層為（∈2-3ls）白云巖及O1、O2-3灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖、泥巖。距隧道進(jìn)口約799 m。

（2）三羊坪斷層。為壓扭性斷裂，南北走向，長(zhǎng)度約8 km，傾向北西，傾角70°，兩側(cè)主要為寒武系、奧陶系地層，與其相平行的有洞門斷裂。位于隧道洞身段，穿越A3線隧道，未到K線隧道。

（3）洞門斷層。為壓扭性斷裂，南北走向，長(zhǎng)度約17 km，傾向北西，傾角75°～83°，兩側(cè)主要為寒武系、奧陶系地層。斷層兩側(cè)地表巖溶較發(fā)育，穿越A3線及K線隧道。

2.4 不良地質(zhì)

經(jīng)綜合勘察，場(chǎng)區(qū)不良地質(zhì)為巖溶，隧址區(qū)巖溶較發(fā)育，主要表現(xiàn)為地表巖溶及隱伏溶洞[2]。

2.4.1 地表調(diào)查結(jié)果顯示

隧址區(qū)巖溶較發(fā)育，巖溶發(fā)育規(guī)律為至南向北發(fā)育，巖溶洼地、落水洞集中在A3線走廊帶及其附近，對(duì)A3線隧道影響較大。地表巖溶對(duì)A3線隧道有影響的為Y2、Y3、Y4、Y8、Y9、Y11、Y12、Y13，對(duì)K線隧道有影響的為Y7、Y8。

2.4.2 物探測(cè)試成果顯示

（1）高密度電法測(cè)試：位于隧道進(jìn)出口，測(cè)試成果，僅局部有低阻異常，為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，位于隧道洞頂上方約30～45 m處，對(duì)隧道無(wú)影響，（2）大地電磁EH4：共布置3條測(cè)線，其中一條為沿隧道軸線貫通的DC1測(cè)線，另外兩條均為A3線與K線之間Y8巖溶洼地的洞身段橫測(cè)線。

①貫通隧道DC1測(cè)線：測(cè)試成果，有3處低阻異常，分別位于隧道洞身段ZK12+549～ZK12+871（YK12+564～

YK12+871）、ZK13+051～ZK13+305（YK13+028～YK13+280）段為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育破碎帶，YK13+355附近為斷層，均對(duì)隧道影響較小。

②洞身段橫測(cè)線DC2、DC3：測(cè)試成果，低阻異常帶均在A3線隧道頂部，為巖體裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育破碎帶，而K線隧道巖體連續(xù)完整。

3 場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)特征

3.1 地下水類型

隧道區(qū)內(nèi)巖性分布主要為碳酸鹽巖可溶巖，次為碎屑巖，根據(jù)隧道區(qū)域的地層巖性、巖體層位的組合特征、地下水賦存條件和埋藏深度、地下水水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水的類型劃分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水，場(chǎng)區(qū)以碳酸鹽巖巖溶水為主[1]。

3.2 含水巖組富水特征

3.2.1 碳酸鹽巖巖溶水

碳酸鹽巖巖溶水依據(jù)含水介質(zhì)的組合、地下水的水動(dòng)力特征，將碳酸鹽巖巖溶水細(xì)分為碳酸鹽巖溶隙水和溶洞水兩個(gè)亞類。

（1）碳酸鹽巖裂隙—溶隙水。該巖溶水亞類在場(chǎng)區(qū)主要賦存于白云巖∈2-3ls中，巖溶發(fā)育程度為強(qiáng)發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，縱橫交織，呈網(wǎng)狀，巖體較破碎。含水介質(zhì)以網(wǎng)狀交織溶蝕裂隙為主，出露的泉水流量一般2.2～3.3 l/s，最大達(dá)10.4 l/s，可富水性極強(qiáng)，出露的泉點(diǎn)的如S10（8.7～9.5 l/s）、S6（3～5 l/s）、S7（2～3 l/s）、S5（1～2 l/s）。鉆孔揭露的地下水穩(wěn)定水位埋藏較深，地下水水力坡度較大。

（2）碳酸鹽巖溶洞—溶洞水。該巖溶水亞類在場(chǎng)區(qū)主要賦存于P1m、S1l+s、O1t+h、O1m、和O2+3白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r地層中，灰?guī)r層控性好，但夾泥巖。含水層富水性不均勻，含水介質(zhì)以小溶洞為主，水量較為豐富，富水性強(qiáng)，常見(jiàn)的如S11（2～3 l/s）、S12（5～8 l/s）。地下水以帶狀和條狀分布，多在隧道出口段的酸草河一帶出露，鉆孔揭露的地下水穩(wěn)定水位埋藏較深，地下水水力坡度較大。

3.2.2 基巖裂隙水

該含水巖組賦存于砂巖和泥巖中，該地層局部偶夾灰?guī)r，但灰?guī)r夾層較薄，泉水分布少，且流量小，一般0.3～0.5 l/s，可富水性弱～中等。地下水運(yùn)移延展較差，多呈近源分散排泄。

3.2.3 第四系松散層孔隙水

第四系松散層孔隙水主要賦存于覆蓋層內(nèi)，集中在山間洼地和寬緩斜坡下部的溝谷邊緣地帶，富水性差，受降雨影響較大，水量貧乏，對(duì)隧道影響較小。

3.3 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征

3.3.1 地下水補(bǔ)給

（1）地下水補(bǔ)給源。隧道區(qū)內(nèi)地形起伏大，周邊河流均位于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高之下，因此，大氣降水為場(chǎng)區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，且隧道區(qū)域內(nèi)巖性以白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r為主，均為可溶巖，地表發(fā)育的溶蝕洼地、落水洞較多，巖溶發(fā)育程度為較發(fā)育，透水性極高，為大氣降水垂向補(bǔ)給創(chuàng)造了有利的條件。

（2）補(bǔ)給形式。就該區(qū)而言，因場(chǎng)地為可溶巖區(qū)域，且地表巖溶較為發(fā)育，大氣降水滲入含水層的通道，根據(jù)巖溶的發(fā)育程度，可將場(chǎng)區(qū)劃分為裂隙系統(tǒng)和落水洞系統(tǒng)兩類，其補(bǔ)給方式，對(duì)應(yīng)為分散和集中補(bǔ)給[3]。

1）分散補(bǔ)給。由各地質(zhì)歷史時(shí)期不同序次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成的裂隙，通過(guò)后期地下水的溶蝕、侵蝕而在巖體內(nèi)形成的網(wǎng)狀裂隙系統(tǒng)及溶孔等，是大氣降水滲入含水層的主要通道，由于其具有平面分布廣、分散的特點(diǎn)，大氣降水補(bǔ)給時(shí)，含水層是以分散滲入的形式對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給。

2）集中補(bǔ)給。分布在場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育程度極發(fā)育的區(qū)域及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，特別在兩條斷層之間，是由地表巖溶洼地及落水洞組合形成的導(dǎo)水系統(tǒng)通道，直接灌入地下補(bǔ)給地下水，其特點(diǎn)是集中和迅速，且流量大。

3.3.2 地下水徑流及排泄特征

大氣降水為場(chǎng)區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，補(bǔ)給形式為通過(guò)地表形成的巖溶洼地、落水洞下滲注入，由于場(chǎng)區(qū)地層產(chǎn)狀較緩，地下水補(bǔ)給路徑較長(zhǎng)，因此，山體周圍泉點(diǎn)全年徑流，僅枯水期流量有所減小。地下水接受補(bǔ)給后，少量產(chǎn)生上層滯水，大部份以潛水形式賦存于碳酸鹽巖、碎屑巖地層中。

場(chǎng)地地下水因受到溶蝕及構(gòu)造影響，大氣降水經(jīng)地表滲入基巖裂隙及巖溶裂隙后，由高向低徑流，在隧道進(jìn)出口及隧道右側(cè)山體低洼處的溪溝或溝谷部位排泄。

3.4 地下水動(dòng)態(tài)和埋藏深度

地下水動(dòng)態(tài)變化較多樣，與地下水類型和賦存狀態(tài)有關(guān)。受降雨補(bǔ)給影響，區(qū)內(nèi)基巖裂隙水多呈突變交接，分布范圍和集水有限，地下水變化具季節(jié)性，水流量變

幅大，枯季水量明顯變小。碳酸鹽巖巖溶水一般具統(tǒng)一流場(chǎng)，補(bǔ)給途徑較長(zhǎng)，儲(chǔ)存條件較好，巖溶泉充水較均勻，變幅相對(duì)較小。

根據(jù)施工鉆孔實(shí)測(cè)的穩(wěn)定水位顯示，隧道進(jìn)口段CK1、CK2地下水穩(wěn)定水位為1 111.6～1 116.3 m，洞身段CK4地下水穩(wěn)定水位為1 294.1 m，洞身段CK5及出口段CK6、CK7、CK8均未見(jiàn)水位。隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高在1 078～1 118 m，隧道基本位于地下水位以下。

4 線路方案比選建議

4.1 線路方案比選原則

隧址選線就是從充分利用自然環(huán)境條件，規(guī)避建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)和減輕地質(zhì)災(zāi)害方面，選取一條技術(shù)方案上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，同時(shí)又能符合使用要求的隧道位置及線路，使建設(shè)工程發(fā)揮最佳整體效應(yīng)。

為此，該次工作的選線原則確定為：

（1）場(chǎng)區(qū)大部為可溶巖，在巖溶發(fā)育區(qū)，盡量選擇巖溶發(fā)育比較微弱的地段。

（2）盡可能避讓地質(zhì)構(gòu)造薄弱帶。

（3）盡可能避開(kāi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域[4]。

4.2 線路方案比選

擬建隧道共布置2條線位走廊帶，主要比選位于隧道洞身段巖溶發(fā)育區(qū)（三羊坪斷層～洞門斷層之間），A3線位于K線左側(cè)（如圖1）。

4.2.1 巖溶發(fā)育區(qū)

經(jīng)綜合勘察：隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律整體為至南向北發(fā)育，巖溶洼地、落水洞集中在A3線走廊帶及其附近，對(duì)A3線隧道影響較大。地表巖溶對(duì)A3線隧道有影響的為Y2、Y3、Y4、Y8、Y9、Y11、Y12、Y13，對(duì)K線隧道有影響的為Y7、Y8;經(jīng)綜合對(duì)比，K線優(yōu)越A3線，建議推薦K線。

4.2.2 斷層構(gòu)造帶

A3線穿越三羊坪斷層F1及洞門斷層F2，K線僅穿越洞門斷層F2，兩條斷層均為壓裂性斷層，斷層影響破碎帶寬度約10～20 m，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，斷層影響帶區(qū)域巖體破碎，隧道施工中，易產(chǎn)生因地質(zhì)構(gòu)造影響的施工風(fēng)險(xiǎn)，如坍塌和突泥突水等的危害。經(jīng)綜合對(duì)比，K線優(yōu)越A3線，建議推薦K線。

4.2.3 水文地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域

大氣降水為場(chǎng)區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，A3線及K線均位于場(chǎng)區(qū)地下水徑流區(qū)，但A3線地表巖溶洼地、落水洞較K線發(fā)育，隧道施工中發(fā)生涌水、突泥甚至冒頂?shù)任：Φ娘L(fēng)險(xiǎn)性比K線高，經(jīng)綜合對(duì)比，K線優(yōu)越A3線，建議推薦K線。

通過(guò)對(duì)隧道的工程地質(zhì)分析和評(píng)價(jià)，經(jīng)綜合對(duì)比，K線優(yōu)越A3線，建議推薦K線。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著高速公路建設(shè)質(zhì)量的不斷提高，交通行業(yè)得到迅速發(fā)展。但山區(qū)公路的地形與地質(zhì)條件日益復(fù)雜，各種高速公路控制性的構(gòu)建筑物，特別是大跨徑橋梁和長(zhǎng)大深埋隧道，在線位選擇中，應(yīng)從工程規(guī)模、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、環(huán)境影響、安全隱患、工程造價(jià)、施工工期、施工工藝等多方面綜合考慮。

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