黎城至霍州高速公路太岳山隧道工程地質(zhì)特性及圍巖穩(wěn)定性評價

趙 夢

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)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(zhèn)楊家莊村和臨汾市古縣北平鎮(zhèn)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(shè)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(zhì)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(fā)育，地形非常破碎，地貌形態(tài)復(fù)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(qū)和構(gòu)造剝蝕中起伏中山區(qū)兩大地貌單元。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于Ⅳ級構(gòu)造單元太岳山坳緣翹起帶，在喜山期有不同的發(fā)展和繼承。區(qū)內(nèi)共發(fā)育29條斷層，其中破碎帶寬度大于100m 的斷層5 條，占總數(shù)的17.2%，破碎帶寬度為50～100m 的斷層9 條；占總數(shù)的31.0%；破碎帶寬度小于50m 的斷層15 條，占總數(shù)的51.7%。在這些斷層中F29、F52距擬建隧道較遠(yuǎn)，對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較??；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(jì)期間的水平位移幅度達(dá)數(shù)千米，新構(gòu)造運動強，對隧址區(qū)場地穩(wěn)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(wěn)定性均有較大影響。

隧址區(qū)共發(fā)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(wěn)定性均有一定影響。

隧址區(qū)主要發(fā)育5 組節(jié)理。J1：走向為5°，傾向為95°∠85°，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，節(jié)理線密度約10條/m，間距8～12cm，結(jié)合一般—差，節(jié)理貫通性一般，可見延伸長度2～4m，張開度1～5mm，節(jié)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(zhì)灰?guī)r、白云巖，節(jié)理線密度約8 條/m，間距15～20cm，結(jié)合一般—差，節(jié)理貫通性一般，可見延伸長度1～2m，張開度1～4mm，節(jié)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(jié)理線密度約8 條/m，間距15～20cm，結(jié)合一般—差，節(jié)理貫通性一般，可見延伸長度1～3m，張開度1～2mm，節(jié)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(jié)理線密度約6 條/m，間距15～20cm，結(jié)合一般—差，節(jié)理貫通性一般，可見延伸長度1～2m，張開度1～3mm，節(jié)理面粗糙，多無充填，局部為泥質(zhì)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(jié)理線密度約4 條/m，間距20～30cm，結(jié)合一般—差，節(jié)理貫通性一般，可見延伸長度1～3m，張開度1～2mm，節(jié)理面粗糙，多無充填，局部為泥質(zhì)或片麻碎屑充填。

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

2.3 地層巖性

隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由新至老依次有：第四系全新統(tǒng)晚期沖洪積物（Q42al+pl）、中更新統(tǒng)沖洪積物（Q2al+pl）；奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組下段（O2x1）、下統(tǒng)亮甲山組（O1l）；寒武系上統(tǒng)鳳山組（?3f）、上統(tǒng)崮山組（?3g），中統(tǒng)張夏組（?2z）、中統(tǒng)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(zhì)及特殊巖土

隧址區(qū)沒有特殊巖土，影響隧道圍巖穩(wěn)定性的不良地質(zhì)主要是巖溶。隧址區(qū)廣泛出露奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r、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(qū)碳酸鹽巖分布地段發(fā)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(xiàn)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(zhì)純層厚的白云巖、石灰?guī)r等中尤為發(fā)育。巖溶的發(fā)育對隧道圍巖穩(wěn)定有一定影響。

2.5 水文地質(zhì)條件

太岳山隧道隧址區(qū)及洞體內(nèi)的主要含水層有如下三個：強—中風(fēng)化裂隙帶含水層與斷層構(gòu)造破碎帶含水體富水性較好，屬于中—強富水性含水層，根據(jù)鉆探揭示資料，風(fēng)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(qū)體積最大的含水層，因此也是隧址區(qū)最主要的含水層，但本類含水層主要分布于隧址區(qū)地勢較高的分水嶺附近，在隧道洞體范圍內(nèi)無分布，故對隧道洞體而言，屬于影響最小的含水層。斷層構(gòu)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(fā)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(fēng)化—微風(fēng)化變質(zhì)巖裂隙巖體含水層厚度較大，裂隙發(fā)育一般，尤其與強—中風(fēng)化裂隙帶巖體的裂隙率相比，相差101～103數(shù)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(nèi)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(zhì)巖區(qū)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(zhì)巖區(qū)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(gòu)造具有較明顯的阻水作用。從隧道范圍泉點性質(zhì)看，以寒武系底部與區(qū)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(qū)域水文地質(zhì)單元有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、變質(zhì)巖類裂隙水、構(gòu)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(zhì)特征

本隧道圍巖由巖質(zhì)圍巖組成，洞體圍巖K133+770～K136+540、ZK133+835～ZK136+590 段由奧陶系亮下統(tǒng)亮甲山組（O1l），寒武系上統(tǒng)鳳山組（?3f）、中統(tǒng)張夏組（?2z）、徐莊組（?2x）灰?guī)r、白云巖、頁巖以及白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖與斷層破碎帶組成，白云巖、白云質(zhì)石灰?guī)r和灰?guī)r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(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育—較發(fā)育，巖體是破碎—較破碎，裂隙是鑲嵌碎裂—碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)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(jié)構(gòu)面混亂，巖體極破碎，結(jié)構(gòu)零散，圍巖穩(wěn)定性差，開挖時易產(chǎn)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(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，呈厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力較強，穩(wěn)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(zhì)巖和斷層破碎帶組成，屬較硬巖—堅硬巖，強—微風(fēng)化，節(jié)理裂隙很發(fā)育—不發(fā)育，巖體破碎—較完整，結(jié)構(gòu)呈碎塊狀—塊狀，大部分地段圍巖自穩(wěn)能力差，開挖容易產(chǎn)生中—大塌方，部分段落圍巖自穩(wěn)能力較強，穩(wěn)定性較好；斷裂破碎帶主要是角礫，結(jié)構(gòu)零散，圍巖穩(wěn)定性差。地下水中可能出現(xiàn)突水或大突水現(xiàn)象。綜合評價，該隧道場區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

3 工程地質(zhì)綜合評價

3.1 隧址區(qū)域穩(wěn)定性和適宜性評價

隧址區(qū)斷裂活動處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。該區(qū)地殼部分具有基底和覆蓋層的雙層結(jié)構(gòu)，部分沉積覆蓋層被完全侵蝕，僅存在結(jié)晶基底。該區(qū)域地殼應(yīng)為相對穩(wěn)定區(qū)域，基本適宜擬建工程的建設(shè)。不穩(wěn)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(jìn)出口邊坡穩(wěn)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(zhèn)楊家莊村南側(cè)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(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層的產(chǎn)狀是347°∠39°，巖層屬于同向斜坡，組合不利。由于巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，傾角大，在工程開挖擾動條件下，容易發(fā)生坍塌、小面積坍塌和沿結(jié)構(gòu)面滑塌?？傮w評價：霍州端入口邊坡穩(wěn)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(zhèn)二道河村西南側(cè)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(wěn)定狀態(tài)。洞口仰坡、邊坡地層由第四系中更新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）黃土（粉質(zhì)粘土）及奧陶下統(tǒng)亮甲山組（O1l）白云巖組成。

Q2al+pl黃土（粉質(zhì)粘土）在降雨的時候，有可能產(chǎn)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??；O1l白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕明顯，巖體破碎，巖層的產(chǎn)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(jié)理裂隙發(fā)育，在工程開挖擾動條件下也可能發(fā)生碎落、小范圍內(nèi)坍塌等，總體評價：沁源端洞口邊坡穩(wěn)定性差。

3.3 隧道洞體圍巖穩(wěn)定性評價

本隧道為巖質(zhì)隧道，按公路隧道巖質(zhì)圍巖分級方法的相關(guān)規(guī)定，依據(jù)圍巖定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行圍巖基本質(zhì)量分級，按圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]進(jìn)行修正分級。結(jié)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(fēng)化，節(jié)理裂隙很發(fā)育—發(fā)育，巖體破碎—較破碎，呈碎裂狀—鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；斷層破碎帶多呈角礫狀、碎塊狀，局部發(fā)育斷層泥。地下水出水狀態(tài)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(wěn)能力為完全無自穩(wěn)性，斷層破碎帶段落完全無自穩(wěn)性。

Ⅳ級圍巖由白云巖、片麻巖、斷層破碎帶等組成，受風(fēng)化、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，節(jié)理裂隙發(fā)育—很發(fā)育，巖體破碎—較破碎，圍巖以鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。隧道開挖過程中洞體跨度大于5～9m時，圍巖自穩(wěn)能力為不穩(wěn)定，可發(fā)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(fēng)化，鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體較破碎—較完整，圍巖以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。隧道開挖過程中洞體跨度7～14m 時，圍巖自穩(wěn)能力為可暫時穩(wěn)定，可發(fā)生小—中塌方，亦可能開挖過程中有巖爆發(fā)生，成洞性較差。

3.4 隧道施工期巖爆預(yù)測分析

依據(jù)擬建隧道高程的地應(yīng)力回歸分析結(jié)果，對本隧道施工期發(fā)生巖爆的可能性進(jìn)行了預(yù)測，硬質(zhì)脆性巖類的圍巖，對于硬脆性巖石，施工期間發(fā)生中等巖爆至強烈?guī)r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(hù)措施。在軟巖地區(qū)，隧道開挖的主要問題是圍巖位移大，成洞性差，應(yīng)該加強地質(zhì)預(yù)測以及圍巖臨時支護(hù)。

4 結(jié)論

隧址區(qū)地形地貌復(fù)雜，隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，無特殊巖土分布，巖溶是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的主要不良地質(zhì)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)綜合分析認(rèn)為隧址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜。建議隧道設(shè)計時注意相應(yīng)的抗震設(shè)防問題，應(yīng)加強對洞體封堵水和排水設(shè)計，封排結(jié)合，以堵為主，并確定好基準(zhǔn)，做好監(jiān)測，真正落實好大堵小排。