某山區(qū)鐵路隧道工程地質(zhì)綜合勘察與施工驗(yàn)證分析

曹波

摘??要：近些年，高速鐵路隧道修建積累了豐富的勘察設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，而山區(qū)隧道的勘察一直是困擾業(yè)界的難題。通過對(duì)比分析，隧道區(qū)物探的異常和區(qū)域地質(zhì)資料的可溶巖分布應(yīng)高度引起項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的警惕，應(yīng)進(jìn)行更加詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查、加密布置勘探孔、采用不同方法的物探驗(yàn)證和深孔鉆孔等手段進(jìn)行驗(yàn)證，施工時(shí)更加重視超前水平鉆和地質(zhì)雷達(dá)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。通過總結(jié)提煉了勘察與施工配合的相關(guān)內(nèi)容，提升了我院山區(qū)鐵路勘察的方法和經(jīng)驗(yàn)，更好地指導(dǎo)施工期隧道地質(zhì)配合。

關(guān)鍵詞：山區(qū)鐵路??隧道勘察??圍巖劃分??施工驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U452.1

Analysis?of?Comprehensive?Exploration?and?Construction?Verification?of?Engineering?Geology?of?a?Mountain?Railway?Tunnel

CAO?Bo

（China?Railway?Shanghai?Design?Institute?Group?Co.，?Ltd.，?Shanghai，?200070?China）

Abstract：?In?recent?years，?the?construction?of?high-speed?railway?tunnels?has?accumulated?rich?experience?in?exploration，?design?and?construction，?and?the?exploration?of?mountain?tunnels?has?always?been?a?difficult?problem?that?troubles?the?industry.?Through?comparative?analysis，?project?leaders?should?be?highly?alert?to?the?anomaly?of?geophysical?prospecting?in?the?tunnel?area?and?the?distribution?of?soluble?rocks?in?regional?geological?data，?carry?out?more?detailed?geological?exploration，?infill?the?layout?of?exploration?holes，?and?use?the?different?methods?of?geophysical?verification，?deep?hole?drilling?and?other?means?to?verify，?and?they?should?pay?more?attention?to?advanced?geological?prediction?such?as?advanced?horizontal?drilling?and?geological?radar?during?construction.?By?summarizing?and?refining?the?relevant?content?of?exploration?and?construction?coordination，?our?institute?has?improved?the?methods?and?experience?of?railway?exploration?in?mountainous?areas?to?better?guide?the?geological?coordination?of?tunnels?during?construction.

Key?Words：?Mountain?railway;?Tunnel?survey;?Surrounding?rock?classification;?Construction?verification

在鐵路建設(shè)中，由于我國(guó)的勘察、設(shè)計(jì)和施工相對(duì)分立，勘察與設(shè)計(jì)的協(xié)同，勘察與施工的相互驗(yàn)證均存在諸多壁壘，造成勘察技術(shù)的積累發(fā)展險(xiǎn)阻重重[1-2]。山區(qū)鐵路隧道勘察因其地質(zhì)條件復(fù)雜，更加依賴施工期的驗(yàn)證分析來積累勘察經(jīng)驗(yàn)和提升勘探水平[3]。

山區(qū)鐵路勘察主要通過區(qū)域地質(zhì)分析、地質(zhì)調(diào)繪、鉆探挖探、巖土試驗(yàn)、綜合測(cè)井、電法物探等進(jìn)行綜合勘察[4]?？瓦\(yùn)專線山區(qū)隧道要特別重視隧道口圍巖落石的勘察，為運(yùn)營(yíng)期安全提供堅(jiān)固保障，通過葉瓊瑤的理論分析炭質(zhì)巖的勘察，為該隧道物探低阻異常給出新思考，綜合物探鉆探等手段，類比普式塌落拱的理論引入拱頂圍巖性質(zhì)劃分圍巖等級(jí)，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和施工期掌子面開挖核查，進(jìn)行施工期圍巖的核查修正[5]。通過施工驗(yàn)證對(duì)比積累豐富的勘察經(jīng)驗(yàn)。

1??工程概況

隧道位于安徽省黃山市黟縣譚口村北側(cè)約1.7?km的自在谷處，隧道呈北北東向由北向南穿山而出。隧道起訖里程為DK113+765～DK115+000，總長(zhǎng)度為1?235?m，底板標(biāo)高252.219?m山衍生山體，地勢(shì)起伏較大，山體高程252～420?m，最大高差約160?m。山體為一單斜構(gòu)造，南、北側(cè)坡較陡。隧道山體表層植被茂密，覆蓋層較薄，植被以竹林、青松及低矮灌木為主。

2???工程地質(zhì)特征2.1???地形地貌????擬建隧道所處地貌為構(gòu)造低山，屬黃山衍生山體，地勢(shì)起伏較大，山體高程252～420?m，最大高差約160?m。山體為一單斜構(gòu)造，南、北側(cè)坡較陡。隧道山體表層植被茂密，覆蓋層較薄，植被以竹林、青松及低矮灌木為主。

2.2??地層巖性

隧址區(qū)依據(jù)鉆探和地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比分析，表層為第四系全新統(tǒng)殘坡積土，下伏基巖主要為寒武系下統(tǒng)荷塘組（∈1h）炭鈣質(zhì)泥巖、震旦系上統(tǒng)皮園村組（Z3p）硅質(zhì)巖、震旦系中統(tǒng)蘭田組（Z2ln）頁巖、震旦系中統(tǒng)休寧組（Z2x）粉砂巖。施工期揭露的震旦系上統(tǒng)雷公塢組（Z3l）炭質(zhì)灰?guī)r。

2.3?地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，造成本區(qū)褶曲、斷裂，抬升、凹陷交錯(cuò)。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造、山脈走向總體呈北東及北北東向。構(gòu)造發(fā)育程度由西北向東南逐漸趨弱。巖漿活動(dòng)也呈漸弱趨勢(shì)。近代各構(gòu)造單元均呈緩慢隆起趨勢(shì)。

隧址于DK114+550處存在一處逆斷層，DK114+555～DK114+575為斷層影響帶，影響帶內(nèi)巖體破碎富水，圍巖穩(wěn)定性差，洞體施工開挖易發(fā)生涌水、坍塌現(xiàn)象。該斷層為該區(qū)域的主干構(gòu)造，其周圍巖體都受其剪切擠壓影響，周邊巖體均受斷層構(gòu)造影響而巖體較為破碎。

2.4?水文地質(zhì)

隧址區(qū)進(jìn)口處有一處名為虞山溪的山間溪流，上游連通宏村的奇墅水庫，下游匯入橫河。隧道底板標(biāo)高均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歷史河流水位，對(duì)隧道工程幾無影響。本區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和巖溶水。隧道山體由泥、頁巖組成，巖石較致密，裂隙不發(fā)育，滲透性弱，除斷裂破碎帶處導(dǎo)水溝通形成儲(chǔ)水空間富含地下水，其余地段地下水一般不發(fā)育且含水層之間水力聯(lián)系較差。分布于巖溶中的地下水極易引起隧道的突水突泥。

3??勘探方法

3.1??區(qū)域地質(zhì)資料收集與分析

通過對(duì)1∶200?000屯溪幅地質(zhì)圖、1∶50?000蘭田幅地質(zhì)圖、《安徽省黃山市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告》等資料的收集和分析，明確了隧址區(qū)分布的主要巖性是炭鈣質(zhì)泥巖、頁巖、硅質(zhì)巖，局部分布有灰?guī)r，存在一處逆斷層，未見滑坡等其他不良地質(zhì)發(fā)育。

3.2??遙感解譯

通過搜集遙感圖像和航空衛(wèi)片，解譯分隧址區(qū)地形陡峭，植被茂密，在里程DK114+550處推測(cè)發(fā)育有一處逆斷層，斷層及影響帶約20?m，斷層走向?yàn)镹64°W，斷層長(zhǎng)度約2?000?m，初步推斷為逆斷層。

3.3??區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪

對(duì)隧址區(qū)周邊約2?km范圍的地形地貌、巖性、褶皺、構(gòu)造及斷層等進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，對(duì)重要的地貌、巖性分界、斷層界限、水文泉和危巖落石等進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)描述并建立觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)約35處有效觀測(cè)點(diǎn)，并清理繪制至隧道工程地質(zhì)平面圖上作為勘探的重要依據(jù)。

3.4??地球物理勘探

勘察階段沿隧道軸線布置1?258?m的物探測(cè)線，通過大地電磁法以電阻率的差異來劃分地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造、并根據(jù)電阻率值的大小以及展布形態(tài)來判釋地下地質(zhì)體空間分布。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和地球物理理論反演分析成圖。

3.5??鉆探及原位測(cè)試

由物探成果知DK114+070～DK115+000段視電阻率很低，初步推測(cè)部分地段是因?yàn)楹繋r影響，部分是因?yàn)閿鄬蛹绊搸r巖體破碎影響。擬在隧道物探異常段布置2處鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，具體如圖1所示。

依據(jù)地質(zhì)調(diào)繪成果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和物探成果資料，綜合分析擬布置了4處勘探點(diǎn)，共計(jì)280?m?？碧娇變?nèi)進(jìn)行了簡(jiǎn)易的提水試驗(yàn)并取代表性巖樣進(jìn)行巖石試驗(yàn)。查明巖性分界、沿線巖性，斷層發(fā)育，驗(yàn)證了一處物探低阻區(qū)。基本查明了隧道洞身區(qū)的巖體類型、硬度、完整性等，劃定了斷層影響帶范圍等。

4??勘察期圍巖劃分

4.1??劃分原則

隧道的圍巖分級(jí)劃分主要通過巖石的堅(jiān)硬程度和巖體的完整度確定基本的圍巖級(jí)別，再通過對(duì)地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力進(jìn)行修正；對(duì)比物探成果進(jìn)行綜合研判，同時(shí)考慮構(gòu)造及斷層影響和塌落拱因素確定圍巖分級(jí)[6-7]。

4.2??圍巖分級(jí)

隧道以寒武系炭鈣質(zhì)泥巖、震旦系硅質(zhì)巖、頁巖和粉砂巖為主，巖體軟硬巖分布各半，發(fā)育有一處斷層，隧道埋深相對(duì)較低，總體來看圍巖等級(jí)以Ⅳ和Ⅴ級(jí)為主，局部隧道埋深較大且以硬質(zhì)硅質(zhì)巖段適當(dāng)劃分出Ⅲ級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)階段劃分出Ⅴ級(jí)圍巖304?m，Ⅳ級(jí)圍巖671?m，Ⅲ級(jí)圍巖260?m，具體詳見表1。

5??超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

DK114+064～DK114+099段3種方法顯示了不同的地質(zhì)情況。超前水平鉆孔顯示鉆進(jìn)勻速，有突進(jìn)，返渣為灰黑色炭質(zhì)灰?guī)r，含水，水量較大。TSP該段縱波、橫波速度值較前值整體抬升，密度及靜態(tài)楊氏模量等力學(xué)參數(shù)也整體升高，反射界面相對(duì)較少。推斷該段圍巖完整性情況較掌子面段稍微變好，圍巖為節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，地下水弱發(fā)育。地質(zhì)雷達(dá)顯示電磁波能量團(tuán)分布較均勻，波形較雜亂，反射波同相軸清晰且較為連續(xù)推測(cè)該段可能存在巖性過渡帶巖體破碎圍巖穩(wěn)定性差，地下水發(fā)育，呈線狀流水。

以上3種方法揭示本段地質(zhì)情況較差，勘察設(shè)計(jì)階段圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，綜合判斷給出圍巖建議類別為Ⅴ類。施工開挖時(shí)DK114+069段顯示有一處溶腔，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段及時(shí)查清了巖性，準(zhǔn)確推測(cè)了前方地質(zhì)情況給出可靠圍巖建議。

6??施工期圍巖核驗(yàn)

山區(qū)鐵路隧道由于地質(zhì)條件復(fù)雜，受構(gòu)造應(yīng)力作用和施工開挖擾動(dòng)影響，僅靠初步設(shè)計(jì)階段將圍巖劃分清楚確有困難，仍需在施工期進(jìn)行配合施工從而對(duì)圍巖再度修正。

DK114+039～DK114+069段掌子面前方發(fā)育一處從左上角至右下角斜向貫穿的半充填溶洞，充填物為碎石與軟塑狀黏性土。如圖2所示，隧道拱頂至右邊墻輪廓線以外充填物流出后形成環(huán)向長(zhǎng)度11～12?m，徑向深度0.8～3.2?m的空腔，富水且流水量為40～90?m?/h，此處圍巖等級(jí)由Ⅳ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)。

DK114+069～DK114+099段掌子面拱部發(fā)育一處半充填溶洞，如圖3所示，充填物為碎石屑與軟塑狀黏性土，溶腔內(nèi)充填物滑塌后在隧道拱頂至左邊墻輪廓外形成縱向長(zhǎng)度（2～3?m）×環(huán)向長(zhǎng)度（4～6?m）×徑向深度（3～4?m）的空腔。超前水平鉆施鉆過程中有突進(jìn)現(xiàn)象，孔壁呈碎裂結(jié)構(gòu)，有溶隙出水點(diǎn)，推測(cè)巖體極破碎，前方存在溶蝕松軟堆積物，富水且水量為45～95?m?/h。此處圍巖等級(jí)由Ⅳ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)。

DK114+099～DK114+264段揭示巖性為強(qiáng)～弱風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖，局部夾全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，巖層傾角12°～15°，傾向掌子面左側(cè)，薄～中厚層狀，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，節(jié)理裂隙密集發(fā)育，充填鈣質(zhì)粉末及巖屑，左部及拱頂巖體呈散塊狀，有溶隙或裂隙水流出。此處圍巖等級(jí)由Ⅳ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)。

DK114+264～DK114+354段掌子面揭示巖性主要為強(qiáng)～弱風(fēng)化硅質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖，巖質(zhì)為較硬、較軟巖互層，圍巖整體較破碎，薄～中厚層狀，部分為薄層碎裂狀，主要巖層傾角約38°～23°，傾向掌子面左前方，可見揉皺、擠壓現(xiàn)象，節(jié)理裂隙發(fā)育，粗糙張開型，充填軟泥、鈣質(zhì)粉末，主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，掌子面整體濕潤(rùn)，局部可見淋雨?duì)罴吧倭抗蔂畛鏊?。此處圍巖等級(jí)由Ⅲ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)。

DK114+354～DK114+524段掌子面揭示巖性主要為強(qiáng)～弱風(fēng)化硅質(zhì)巖，巖質(zhì)以較硬巖為主，圍巖整體較破碎，部分為壓裂碎塊狀較軟巖，薄～中厚層狀，傾向掌子左前方，節(jié)理裂隙發(fā)育，潮濕張開型，且豎向節(jié)理密集，充填鈣質(zhì)粉末，部分為寬張風(fēng)化裂隙夾軟泥，拱頂出現(xiàn)環(huán)向斷續(xù)掉空，地下水較發(fā)育，掌子面可見線狀、淋雨?duì)畛鏊?。此處圍巖等級(jí)由Ⅲ級(jí)變更為Ⅳ級(jí)。

施工過程中進(jìn)行圍巖的修正，總變更長(zhǎng)度為485?m，占隧道總長(zhǎng)的34.4%，其中Ⅲ級(jí)減少260?m，Ⅳ級(jí)減少55?m，Ⅴ級(jí)增加315?m。最終Ⅴ級(jí)圍巖619?m，Ⅳ級(jí)圍巖616?m，Ⅴ∶Ⅳ=50.1%∶49.9%。具體詳見表2。

7??結(jié)語

山區(qū)鐵路隧道勘察應(yīng)特別重視區(qū)域地質(zhì)分析，對(duì)于有泥巖、頁巖和可溶巖分布的地段，應(yīng)通過地質(zhì)調(diào)查和鉆探查明分布范圍和工程性質(zhì)。

對(duì)于物探低阻異常區(qū)，應(yīng)引起高度重視，多布置橫斷面詳加分析，采用多種物探方法相互驗(yàn)證。

對(duì)于物探異常、區(qū)域分析存在軟巖和可溶巖的山區(qū)鐵路隧道，除常規(guī)的驗(yàn)證物探鉆孔外還應(yīng)加密布置勘探孔，查清物探異常原因和軟巖、可溶巖分布范圍和工程性質(zhì)。

勘察階段確有困難無法詳加查清的地質(zhì)問題，應(yīng)該按不利條件劃分圍巖等級(jí)；施工階段應(yīng)密切關(guān)注超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，及時(shí)修正施工期圍巖分級(jí)。

參考文獻(xiàn)

• 劉猛.高速鐵路隧道勘察鉆探與物探綜合應(yīng)用分析[J].鐵道勘察，2021（2）：63-66.
• 陳偉.杜宇本.蔣良文.云南地區(qū)鐵路隧道地質(zhì)勘察技術(shù)探討[J].成都：高速鐵路技術(shù)，2021，12（6）：37-41.
• 朱江.特長(zhǎng)鐵路隧道東茗隧道綜合勘察[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（1）：129-130.
• 余京.劉家富.池福豐.等.綜合測(cè)井技術(shù)在鐵路隧道勘察中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2018（2）：54-57.
• 周鳳璽.邵彥平.甘東彪.基于廣義非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論的隧道塌落拱分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2020（4）：33-34.
• 國(guó)家鐵路局.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范：TB?10012-2019[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2020.
• 國(guó)家鐵路局.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程：TB?10027-2022[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2022.