大尖山隧道主要工程地质问题及防治措施分析

金 晨 成词峰 孙 宝

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.云南省建筑科学研究院，云南昆明 652003)

大尖山隧道位于新建呼和浩特至张家口快速铁路河北省张家口市怀安县与内蒙古兴和县交界处，为西洋河与东洋河流域的分水岭，隧道穿越低中山区，全长10 450 m，最大埋深280 m，进口路肩高程1 093 m，出口路肩高程1 259.3 m。该隧址为一倒转背斜，断裂构造较发育，隧道与多条断层相交。受构造的影响，岩体完整性较差，地质条件较复杂，施工存在较大的地质风险。通过地质调绘、钻探和物探等综合勘察方法查明地质条件[1］，对存在的工程地质问题的全面分析，为该隧道设计及施工提出合理的建议，减轻隧道建设的地质风险，对隧道工程的决策、设计和施工具有十分重要的意义[2］。

1 自然地理概况

1.1 地形地貌

隧道穿越低中山区，地面高程在1 280～1 760 m之间，相对高差约480 m，山坡自然坡度较陡，纵向自然坡度为30°～50°，横向自然坡度为 10°～20°，进出口山体相对较低。洞身所在山体冲沟发育，山峰迭起，整个山体山脊与冲沟交错，地形起伏较大，植被覆盖率较低。

1.2 气象特征

线路通过地区属中低纬度、暖温带亚湿润气候区，气候适宜，四季分明，雨量充沛。春天干燥多风，夏季炎热多雨，秋天秋高气爽，冬日则寒风凛冽。极端最低气温－33.0℃，极端最高气温33.0℃;年平均降水量425.7 mm，年平均蒸发量1 850.2 mm;瞬时最大风速22.0 m/s，主导风向为北西向;季节最大冻土深度1.38 m。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

根据现场调绘，隧道进出口覆盖有第四系全新统风积砂质黄土，隧道出口段位于侏罗系砂岩夹泥岩，其余大部分段落均为太古界麻粒岩，各地层的主要特征简要叙述如下[3］。

(1)第四系上更新统洪坡积(Q3pl+dl)砂质黄土:黄色、褐黄色，稍湿，稍密，垂直节理发育。

(2)侏罗系中期(J2)砂岩夹泥岩:表层为强风化细粒结构、泥质结构，部分地段夹砾岩，岩体成薄层状及中后层状产出，泥质胶结，成岩作用差，层理不易量取。

(3)太古界(Arm)麻粒岩:黄褐色为主，表层为强风化，岩体裂隙较发育，片麻状、片状、块状构造，岩层产状在进口段为 N65°E/60°S;中间段为 N86°W/89°N;靠近出口一侧为倒转产状N40°E/17°S。

2.2 地质构造

根据区域地质资料，大尖山整体为一倒转背斜构造，轴线走向为N85°W，整体倾倒向北方，轴面倾向南。约在线路ICK70+500之后老地层压覆于新岩层之上，中间产状有变化，隧道后半段岩层产状为倒转产状。该段线路走向为N44°W，线路与背斜轴向约成40°夹角横穿背斜山体。

ICK70+400处发育正断层。断层上下盘岩性均为麻粒岩，下盘产状为 N86°W/∠89°N，上盘产状为N40°E∠17°N，破碎带宽度约 50 ～100 m，走向 N70°W/∠60°N。线路与断层夹角约35°穿过该断层，在断层破碎带中的长度约80 m。

ICK74+200处发育一区域性逆断层，断层上盘为麻粒岩，下盘为泥岩夹砂岩，下盘泥岩砂岩由于表层风化严重，成岩作用较差，无法量取，上盘产状为N55°E∠48°S，破碎带宽度约 50 ～100 m，断层走向 N55°E∠53°S。线路与断层夹角约64°穿过该断层，在断层破碎带中的长度约70 m。

2.3 水文地质

隧道所在山体上方深切冲沟发育，部分冲沟内可见地表径流，水量小，由泉水及大气降水补给。雨季冲沟内有洪水。

松散堆积层中的孔隙水主要赋存于沟谷地段的第四系残坡积层中及全风化层，受大气降水补给，水位及水量随季节变化较大，沿残坡积层中的孔隙与基岩面向下渗流及排泄。

太古界麻粒岩受构造影响，岩体完整性为较完整－较破碎，富水性一般，断层破碎带及个别节理裂隙发育段富水。部分冲沟内有泉水出露，冬季水量较小，多为下降泉。

3 主要工程地质问题

3.1 围岩失稳

隧道围岩受构造影响，节理裂隙发育，经地质调查，局部节理密度达8～10条/m，泥质充填。采用极射赤平投影法进行分析评价块体的稳定性，由图1～图4可得，节理面将围岩分割成块体，经开挖扰动、卸荷后形成不稳定的块体，易向隧道内滑落。四面体状危岩块体的失稳方式主要为直接塌落、沿单面滑动和沿双面滑动[4］。

图1 ICK67+650处结构面赤平投影

图2 ICK69+380处结构面赤平投影

洞身穿过正断层F1及逆断层F2，断层破碎带及影响带内岩体破碎，局部富水，如果施工措施不当，极易产生塌方等极端围岩失稳现象。

图3 ICK70+430处结构面赤平投影

图4 ICK71+920处结构面赤平投影

3.2 涌水突泥

根据现场调查，结合钻探资料及区域资料综合分析，预测隧道进口端及出口大部分地段在枯水季节处于贫水状态，隧道中间深埋段地下水相对丰富，隧道涌水量可能增加，甚至出现局部突水。

对于完整基岩段的涌水量，采用大气降水入渗法预测隧道涌水量。对于断层带的涌水量，采用断层钻孔抽水试验资料进行计算。

大气降水入渗法依据公式为

式中 α——降水入渗系数，取值0.10;

W——年降水量，取值394.7 mm;

A——隧道通过含水体地段的集水面积。断层带抽水试验依据水利水电钻孔抽水试验规程(SL320—2005)进行计算渗透系数[5］，并采用古德曼经验式计算断层带最大涌水量。分段评价结果如表1所示。

表1 隧道涌水量分段计算

3.3 边坡滑塌

进口段黄土和出口端第四系上更新统砂质黄土及侏罗系砂岩夹泥岩，岩土体结构松散，其自身强度低，抵抗外力破坏的性能差，稳定性差，开挖后应力重新组合，可能会出现围岩失稳现象及在地表水作用下边坡产生滑塌。

3.4 特殊岩土

隧道进出口段为砂质黄土，湿陷性为Ⅰ级非自重～Ⅱ级自重，且强度低。隧道在ICK74+310～76+200段为侏罗系砂岩夹泥岩的地层中，泥岩属膨胀岩，含蒙脱石等亲水物质，浸水易膨胀、软化，曝露易干缩、开裂，具有弱膨胀性。

4 工程措施及建议

(1)对该隧道可能发生的地质问题，如局部涌水突泥、局部坍塌等问题，开展施工地质超前预报与监测工作，应采取积极有效的防护措施，确保隧道施工及运营安全[6］。

(2)隧道进出口处属湿陷性黄土，应做好坡面防护，设计及施工中应对坡面加固并做好防排水措施后进洞，以确保施工顺利安全。

(3)隧道通过多条区域性断裂，隧道施工中可能发生突水、涌泥、坍塌等问题，设计及施工中应做好超前防护和防排水措施。并采取短开挖、强支护、及时衬砌的施工方式，确保施工安全[7］。

(4)重视环境地质问题，对隧道的弃碴要合理规划并进行围护处理，严禁乱弃乱堆，预防泥石流等地质灾害的发生，注意环境保护。

(5)在隧道施工中，遇不良地质时，应摆正施工安全和进度的关系，严格按制定的施工方案处理不良地质，不可盲目冒进[8］。

5 结束语

大尖山隧道工程规模大，地质条件复杂。针对隧道开展了以大面积地质调绘为主，综合物探、钻探为辅的综合地质勘察工作，基本查明了隧道的地质条件，为设计专业提供了所需的地质参数。由于地质条件在空间上的多变性、复杂性，应在施工中进行超前预报，如开挖过程中出现与勘察成果不符的情况，应根据施工开挖的围岩状况，及时合理的调整围岩级别，确保支护处理措施合理到位。

[1]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S］

[2]张志沛.常家山隧道的地质病害及防治对策研究[J］.西安科技大学学报，2006(6):189-193

[3]中铁工程设计咨询集团有限公司.大尖山隧道工程地质勘察报告[R］.北京:中铁工程设计咨询集团，2010

[4]杨小永，伍法权.隧道危岩块体稳定性的地质几何简明分析法[J］.岩土力学，2006(27):890-894

[5]SL320—2005 水利水电钻孔抽水试验规程[S］

[6]王进华.祁连山隧道工程地质勘察与评价[J］.铁道勘察，2009(6):56-59

[7]郭海满，刘成禹.龙厦铁路象山特长隧道主要工程地质问题研究[J］.铁道勘察，2009(3):24-28

[8]石新栋.圆梁山隧道主要地质问题及对策[J］.岩土工程界，2008(5):43-46