华南某山区铁路隧道工程地质条件浅析

武　君

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

1　概述

该隧道位于广东省西部山区，隧道总长5.4 km，为深埋隧道，最大埋深465 m。

该隧道位于中低山区，沟谷发育，地形起伏大，植被茂密，山坡自然坡度20°～50°，坡面多种植杉树及桉树，进出口部分地段已开垦为果园，最大相对高差502 m。

本区属亚热带半湿润气候区，气候温和湿润，阳光充足，雨量充沛，4～9月降水集中。据云浮市气象资料：年平均气温21.5 ℃，极端最高气温39.1 ℃，极端最低气温-1.3 ℃，年平均降水量1 598 mm，年最大降水量2 138.8 mm，年最小降水量881 mm，年平均蒸发量1 442.4 mm，年最大蒸发量1 685.8 mm。年平均风速1.2 m/s(主导风向NE10°)，最大定时风速17.3 m/s，最大瞬时风速23.3 m/s；本区无霜冻期。

隧址区地震动峰值加速度采用0.05 g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。地震动反应谱特征周期采用0.35 s。

2　工程地质特征

根据区域地质资料，结合钻探揭示的岩性判断，该隧道穿过的地层主要有第四系残坡积层、石炭系下统页岩，奥陶系中下统千枚岩、石英砂岩、页岩和砂岩及燕山期花岗斑岩。

综合物探解析，区域地质资料，调绘资料及钻探、试验资料分析，本隧道穿过9条断层，均为北东向。其中：F1为清水塘断层、逆断层，F2为佛子前断层，F4为悦城断层、正断层，F9为都骑断层、正断层，F3、F5、F6、F7、F8为次生断裂。该隧道总体构造形迹以断层为主，褶皱次之，如图1所示。

图1　隧道工程地质示意

3　水文地质特征

该地区雨量充沛，隧道洞身地表发育深切沟谷，多常年流水，并形成各种小瀑布，流量较大，雨季水量增加。据调查，洞身附近的沟谷出露泉水。

本隧道地下水主要接受大气降水入渗补给、地表沟水入渗补给和基岩裂隙水侧向补给，地下水的补给来源充足。隧道出口端分布多条北东向的断层破碎带及其影响带、多条花岗斑岩侵入接触带，岩层较为破碎，裂隙发育，为地下水的富集及径流提供了较好的空间和通道。断层对地下水的赋存及径流有明显的控制作用；花岗斑岩侵入体具有一定的阻水作用，使地下水排泄不畅，水压上升。从勘探资料分析，钻孔内地下水多具有承压性。隧道洞身地段的地下水主要为基岩裂隙水，出口端多具承压性。根据本区地下水质分析，本隧道出口段内的基岩裂隙水具H1级硫酸盐侵蚀，其余地段地下水对混凝土无侵蚀性。

4　工程地质条件分析

4.1　隧道进出口工程地质条件分析

隧道进口岩性主要为粉质黏土、全—强风化页岩，隧道出口岩性为硬塑状粉质黏土及全风化花岗斑岩；土层及全风化层结构松散，边坡稳定性差，在地表水作用下，边坡易产生崩塌，施工过程中建议加强防排水及支护措施。

4.2　地应力分析

通过位于隧道DK339+896左8 m、孔深423.20 m的深孔SSZ-8内采用水压致裂法进行的地应力测试得出：①最大水平主应力值为10.23～21.36 MPa，洞身附近的最大水平主应力约为21 MPa；最小水平主应力值为6.65～13.78 MPa，洞身附近的最小水平主应力约为14 MPa；用上覆岩层容重(约为2.65 g/cm3)估算的垂直主应力约为11 MPa。②洞身附近三向主应力值的关系为SH>Sh>Sv，地应力特征以构造应力作用为主，三向主应力具有随深度增加而增大的趋势，这一结果反映的是钻孔周边的现今应力状态。③洞身附近的最大水平主应力优势方向为北西西向(N61°～72°W)，与隧洞轴线走向夹角较小，有利洞室围岩的稳定。

依据文献[1]的判定标准，钻孔处隧道洞身附近具有高—极高地应力，隧道埋深大于350 m的地段DK339+220～DK340+440长1 200 m，亦存在高—极高地应力的问题。但实测最大水平主应力方向与隧道轴线方向夹角较小，最大水平主应力对隧道的稳定性影响较小，加之该隧道地下水较为发育，硬质岩只存在发生轻微岩爆的可能，软质岩存在隧道断面收敛变形严重及片帮的可能性。

4.3　隧道围岩分析

根据隧道通过围岩的埋深、岩性及其风化程度、岩体完整程度、节理裂隙、构造、地下水以及地应力等情况，采用文献[2]、[3]的划分标准，将本隧道围岩划分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，如图2所示。

图2　隧道围岩分级示意

根据隧道围岩分级情况可知，本隧道以Ⅲ级围岩为主，Ⅳ、Ⅴ级围岩次之，各级围岩所占比例如图3所示。

图3　隧道各级围岩占比

4.4　隧道涌水量预测

根据隧道的地形地貌、地层岩性、地质构造与水文地质情况，利用钻孔水文实验数据，分段对隧道进行涌水量计算，计算方法采用大气降水入渗法和地下水动力学法[4]、[5]，计算得隧道涌水量分布情况(如图4所示)。

图4　隧道涌水量分布示意

采用大气降水入渗法计算得隧道正常涌水量为5 238 m3/d、最大涌水量为10 476 m3/d；采用地下水动力学法计算得隧道正常涌水量为10 023 m3/d、最大涌水量为14 282 m3/d。综合以上两种计算方法，预测本隧道正常涌水量为10 023 m3/d，最大涌水量为14 282 m3/d。结合现场调查、钻探资料及区域资料综合分析可知，隧道进口地段涌水量较小，地下水不发育；隧道出口地段，特别是沟谷浅埋地段，岩体破碎，受构造影响，隧道开挖时突水可能性大。

4.5　隧道超前地质预报的重点地段及内容

本隧道地质条件复杂，应根据文献[6]进行超前地质预报，采用方法为TSP、地质素描、红外探测、超前地质钻探等。本文根据隧道实际情况，划分出以下5个超前地质预报的重点段落：①DK338+120～DK338+250段穿过沟心下方部位，地下水发育，避免突水现象发生；②DK339+906～DK340+011段穿过断层破碎带及其影响带，避免坍塌及突水；③DK340+011～DK340+111段穿过向斜核部，岩层平缓、节理发育，为储水构造，避免坍塌及突水现象发生；④DK340+341～DK340+446段穿过断层破碎带及其影响带，围岩较破碎，地下水发育，避免坍塌及突水现象发生；⑤DK340+700～DK342+787段穿过断层破碎带及其影响带，侵入岩接触带、物探异常带、富水段、浅埋及地表沟心段，围岩破碎，地下水发育，避免坍塌及突水现象发生。其中断层破碎带、侵入岩接触带、DK340+940～DK341+200强富水段、DK342+140～DK342+400强富水段、DK342+600～DK342+720强富水段必须采用超前地质钻探预报，避免突水现象的发生。

5　结论

(1)隧道穿越的地层比较复杂：穿过沉积及变质作用的砂岩、千枚岩，侵入活动形成的花岗斑岩。

(2)地质构造复杂，穿越北东向展布的断层束，共穿过约9条断层带、4条侵入岩接触带，岩层受构造影响强烈，节理裂隙发育，部分地段围岩稳定性差。

(3)地下水丰富，断层破碎带及侵入岩接触带裂隙的连通性较好，是地下水储藏的空间及径流的通道，特别是隧道出口段，钻孔揭示有承压水，水量较大，隧道施工中可能发生突水。

(4)隧道埋深大于350 m的地段长约1 200 m，存在高—极高地应力问题，但隧道走向与最大水平主应力方向近于平行，相当程度地化解了地应力对隧道的不利影响。

(5)设计及施工过程中应重视隧道进出口的排水、支护等问题。

(6)本隧道地质条件复杂，穿越多条断层破碎带、

侵入岩接触带、物探异常带、浅埋沟谷段、富水带等，岩体破碎，地下水丰富，设计及施工过程中必须重视超前地质预报工作。

(7)本隧道地下水丰富，部分地段围岩破碎，建议采取堵排结合的方案处理地下水，破碎地层中较大的地下水建议注浆固结封堵，完整地层中少量的水可排出隧道。

(8)施工时应做好DK339+220～DK340+440段的地应力监测工作。

[1]中华人民共和国水利部.GB50218—94工程岩体分级标准[S].北京：中国计划出版社，1995

[2]铁道第一勘察设计院.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007

[3]铁道第二勘察设计院.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[4]铁道第一勘察设计院.TB10049—2004铁路工程水文地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2004

[5]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册(修订版)[M].北京：中国铁道出版社，1999

[6]中国中铁隧道集团有限公司.铁建设[2008]105号铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008