蒙华铁路中条山隧道第三系地层工程地质特征研究

秦正贵,陈 勇

(1.中铁隧道勘测设计院，天津 300133; 2.中铁第一勘察设计院，陕西 西安 710043)

蒙华铁路中条山隧道第三系地层工程地质特征研究

秦正贵1,陈 勇2

(1.中铁隧道勘测设计院，天津 300133; 2.中铁第一勘察设计院，陕西 西安 710043)

由于对第三系地层的工程性质认识不足，国内经验表明在第三系地层中修建隧道具有很高的风险。结合蒙华铁路中条山隧道勘察设计实践，利用勘探、室内试验和原位测试等手段获取原始数据，总结研究认为中条山南麓第三系地层岩性可划分为中等胶结砾岩、弱胶结砾岩、弱成岩砂岩、半成岩泥岩和半成岩砂质泥岩，地层成岩程度低，暴露易风化，遇水易软化，泥岩和砂质泥岩具膨胀性，水文地质特征因岩性而异，隧道施工中容易出现塌方、大变形和突水涌砂，基底需慎重处理，否则在铁路运营期容易出现翻浆冒泥。

中条山隧道；第三系地层；洪积扇；工程地质特征；水文地质特征

0 引言

随着我国建设事业的不断发展，越来越多的工程项目要在第三系地层中修建。兰渝铁路等工程实践表明，由于对此类地层工程性质认识不足，造成了很多损失，因此对此类地层的工程性质研究是很有意义的。辜明清等[1]对第三系砾岩的工程地质问题进行了分析；闫泉峰等[2]对第三系砾岩的水文地质特征进行了研究；张绍民[3]对第三系地层承载力进行了研究；闫宇等[4]认为对上第三系地层岩性可分为岩类、软岩-硬土和硬土类；张一等[5-6]认为上第三系地层成岩时间短,岩、土性质并存,是介于岩石与土之间的过渡性地层，水文地质特征有其特殊性，差异性大；张启龙等[7]对西宁盆地第三系地层分布特征、岩性特征以及化学成分进行探讨,分析了地面工程及地下工程的地基稳定性、边坡稳定性、地下洞室稳定性的影响因素；张晓宇[8]对西宁地区第三系泥岩夹石膏岩地层从膨胀性、溶蚀性、软化特征、崩解性、承载力、腐蚀性等方面进行了研究；赵清泊[9]、陈德彪[10]结合兰渝铁路胡麻岭隧道等工程实践，对第三系砂岩地层施工形成的松动圈大小、蠕变等工程性质进行了分析研究；欧尔峰等[11]结合梁家山隧道工程对天水地区的第三系泥岩进行了特性研究。上述研究分析使人们对第三系地层特点有了一定的认识，但均具有较强的地域特点。

蒙华铁路中条山隧道在山西运城境内下穿中条山，该隧道长约18.4 km，出口段约有3.7 km下穿中条山南麓第三系上新统(N2)洪积扇地层，该地层具有成岩程度低、工程性质差等第三系地层普遍特征，因为其洪积而成，工程地质和水文地质更是具有其独特性质。在前期勘察设计阶段，对该套地层工程地质特征进行详细研究，希望能对中条山隧道顺利贯通起到基础性作用，并为类似工程积累经验。

1 区域地质特征

区域上，测区属于山西断陷南部的运城“多”字型构造带(见图1)。中条山西南段隆起主要展布在夏县—平陆以西的基岩出露地带，长约80 km，宽10～14 km，其北侧受中条山北麓断裂控制，与运城凹陷断层接触，其南侧受中条山南麓断裂控制，与灵宝凹陷断层接触(见图2)。

F1—韩城断裂；F2—峨嵋台地北缘断裂；F3—峨嵋台地南缘断裂；F4—中条山北麓断裂；F5—中条山南麓断裂；F6—华山山前断裂；F7—温塘断裂新构造分区；Ⅰ1—罗云山隆起；Ⅰ2—中条山隆起；Ⅰ3—华山隆起；Ⅱ1—河津断陷；Ⅱ2—峨嵋台地隆起；Ⅱ—3运城断陷；Ⅱ4—灵宝断陷。

图1地震构造简图

Fig.1 Diagram of seismic tectonic zone

图2 中条山构造图

灵宝凹陷沉积了巨厚的第四系堆积物，最大厚度超过1 000 m，但在其北侧的中条山南麓，第四系堆积物厚度仅100～200 m，越靠近山区越薄，其下潜伏第三系上新统(N2)地层。该第三系地层为洪积扇，沿中条山南麓北北东向延伸，长数十km，宽仅仅数km。洪积扇坡度大约5%，具有较好的分选性，靠近山区以粗颗粒砾岩为主，向南逐渐过渡至洪积扇前缘细颗粒的泥岩，洪积期次多，具成层构造。中条山基岩区地下水从北侧高处对其侧向补给，向南至洪积扇前缘受隔水层阻挡，从而形成一个斜坡承压水构造。

2 地层岩性及其工程地质特性

中条山隧道勘察期间，沿着隧道线路，在大约3.7 km宽的第三系洪积扇范围内，施作了26个地质深孔。大部分钻孔采用双管取芯工艺，岩芯采取率较高。

钻探揭露的第三系洪积扇地层岩性及其工程性质详细分类见表1。

总体上看，沿洪积扇纵向，中等胶结砾岩主要分布在紧靠中条山一带，地势高，往南是弱胶结的砾岩，夹弱成岩砂岩，再往南是弱胶结砾岩与砂质泥岩犬牙交错的过渡地段，在洪积扇最前沿是半成岩的泥岩。沿洪积扇横向，中条山相邻冲沟发育的洪积扇交错搭接。

3 水文地质特征

第三系洪积扇地层北靠中条山寒武系中统张夏组(∈2z)石灰岩地层，接触带石灰岩岩溶弱至中等发育，岩体强风化，砾岩呈散体碎石土状，因此接触带是有利的地下水渗流通道。中条山基岩区地势高，地下水在重力作用下通过接触带向低处第三系洪积扇地层源源不断地补给，在洪积扇前缘受阻，因此形成一个斜坡承压水构造(见图3)。根据实际测量，承压水主要含水层为砾岩和砂岩，由于多期次洪积造成地层垂直向的成层结构，承压水在垂直向具有分层特征，越靠近底下的含水层承压水水头越高，承压水综合水头一般可高出地面或接近地面，水力坡度在4%～10%。

表1 地层岩性及工程地质性质特性分类表Table 1 Classification of strata lithology and engineering geological characteristics

图3 中条山承压水构造简图

为查明地层渗透性，在多个地质钻孔和水文钻孔中施作套管护壁、分层定水位抽水试验。地质模型采用无限含水层中承压完整井定水位抽水非稳定流模型[12]，计算公式如下：

(1)

式(1)表明在无限含水层中定水位抽水，出水量会逐渐减少。

对式(1)进行改写：

(2)

T=0.183/(sn)；a=0.445r210m/n。

(3)

根据式(3)求得导水系数T后，除以含水层厚度M就可得地层渗透系数K。

SDZ-1和SDZ-2是专门的水文孔，孔径300 mm，套管护壁，套管内径为209 mm，套管与地层之间水文试验深度填塞滤料，其余深度采用黏土等材料封隔。在所有抽水试验中，这2个水文孔的数据最为稳定可靠，图4—7是这2个水文孔抽水实验的计算图。由图4—7可以看出，随着时间的延长，定水位抽水出水流量是逐步减少的，实测数据可比较好地拟合成直线，符合无限承压含水层单井定水位非稳定流抽水模型理论预测。

图4 SDZ-1抽水试验图(降深22.93 m)Fig.4 Water pumping test of SDZ-1 borehole (drawdown 22.93 m)

图5 SDZ-1抽水试验图(降深52.75 m)Fig.5 Water pumping test of SDZ-1 borehole (drawdown 52.75 m)

图6 SDZ-2抽水试验图(降深37.95 m)Fig.6 Water pumping test of SDZ-2 borehole (drawdown 37.95 m)

图7 SDZ-2抽水试验图(降深57.63 m)Fig.7 Water pumping test of SDZ-2 borehole (drawdown 57.63 m)

在SDZ-1抽水试验中，含水层为弱胶结砾岩，计算渗透系数为0.16～0.20 m/d，中等胶结砾岩渗透性要小，可取0.10～0.15 m/d。在SDZ-2抽水试验中，含水层为30 m弱胶结砾岩夹5 m厚的粉细弱成岩砂岩，计算的综合渗透系数为0.54 m/d，采用厚度加权平均，求取的弱成岩砂岩渗透系数为2.04～2.44 m/d。含水层水平渗透系数推荐值见表2。

表2含水层渗透系数推荐值表
Table 2 Recommended values of permeability coefficient of water-containing strata m/d

弱成岩砂岩中等胶结砾岩弱胶结砾岩2．00～2．500．10～0．150．15～0．20

4 主要风险及建议措施

隧道建设中，存在的主要风险及建议措施如表3所示。

5 结论与讨论

1)中条山南麓第三系上新统(N2)洪积扇地层可细分为中等胶结砾岩、弱胶结砾岩、半成岩的砂质泥岩和泥岩，砾岩中夹弱成岩砂岩透镜体，这些地层普遍具有成岩程度低、暴露易风化及遇水易软化的特点，砂质泥岩和泥岩属膨胀岩。在隧道施工中容易出现突水涌砂、塌方和大变形等问题，运营期间可能出现基底翻浆冒泥。应采取超前预加固，超前支护，严控施工用水，减少基底扰动，完全清除基底虚渣，基底加固，尽早封闭成环及预留变形量等措施，安全贯通此段。

表3 隧道建设存在的主要风险及建议措施Table 3 Main risks in tunnel construction and their countermeasures

2)中条山南麓第三系上新统(N2)洪积扇地层中含承压水，补给源为中条山基岩裂隙水，自北向南水力坡度为4%～10%，砾岩和弱成岩砂岩为主要含水层，砾岩水平渗透系数为0.10～0.20 m/d，弱成岩砂岩水平渗透系数为2.00～2.50 m/d。

3)本区第三系地层与其他地方第三系地层的一个重要区别在于含高承压水，这个特点导致隧道施工中会遇到更大的困难。如采用矿山法施工，必须先排水泄压。考虑到地层渗透性较差和环境保护的要求，排水的目的主要是泄压，而不是疏干整个含水层。要实现限量排水、有效泄压，是否需要设置泄水洞，设置泄水洞的效果，或者仅仅依靠掌子面超前泄压孔或地面降水等措施，尚需要进一步研究。

[1]辜明清,纪洪华.第三系砾岩建筑拱坝的工程地质问题分析与评价[J].四川水力发电,2001,20(4): 36-38,97.(GU Mingqing,JI Honghua.Engineering geology analysis and assessment on arch dam conglomerate of tertiary period[J].Sichuan Water Power,2001,20(4): 36-38,97.(in Chinese))

[2]闫泉峰,曹国华,徐拴祥.巨厚第三系砾岩的水文地质特征及突水防治途径[J].山东煤炭科技,2004(1): 18-19.(YAN Quanfeng,CAO Guohua,XU Shuanxiang.The hydrogeologic feature of great thick third gravel rock and its proventive way[J].Shandong Coal Science and Technology,2004(1): 18-19.(in Chinese))

[3]张绍民，路新景，张一，等.西霞院电站厂房地基上第三系地层承载力确定[J].人民黄河,2006,28(2): 71-73.(ZHANG Shaomin,LU Xinjing,ZHANG Yi,et al.The foundation bearing capacity of the tertiary strata on Xixiayuan powerhouse[J].Yellow River,2006,28(2): 71-73.(in Chinese))

[4]闫宇,宋岳.中国部分地区上第三系工程地质性质及岩性定名[J].资源环境与工程,2008,22(2): 183-187.(YAN Yu,SONG Yue.Neogene engineering geology properties and lithology definition in some areas of China[J].Resources Environment & Engineering,2008,22(2): 183-187.(in Chinese))

[5]张一,常福庆,闫长斌.西霞院工程上第三系地层水文地质特征[J].资源环境与工程,2009,23(5): 554-557.(ZHANG Yi,CHANG Fuqing,YAN Changbin.Hydrogeological characteristics of upper tertiary system strata in Xixiayuan project[J].Resources Environment & Engineering,2009,23(5): 554-557.(in Chinese))

[6]常福庆,张一,李林民.西霞院工程上第三系地层工程地质分类初步探讨[J].资源环境与工程,2009,23(5): 649-652.(CHANG Fuqing,ZHANG Yi,LI Linmin.Preliminary discussion on engineering geological classification of upper tertiary strata in Xixiayuan engineering [J].Resources Environment & Engineering,2009,23(5): 649-652.(in Chinese))

[7]张启龙,杨刚.西宁盆地第三系地层对工程的影响[J].铁道勘察,2010,36(1): 31-33.(ZHANG Qilong,YANG Gang.Influence of the tertiary in Xining basin on engineering [J].Railway Investigation and Surveying,2010,36(1): 31-33.(in Chinese))

[8]张晓宇.西宁地区第三系地层岩土工程特性及影响[J].铁道工程学报,2012(8): 20-23.(ZHANG Xiaoyu.Geotechnical engineering properties and impact of tertiary strata in Xining[J].Journal of Railway Engineering Society,2012(8): 20-23.(in Chinese))

[9]赵清泊.胡麻岭隧道斜井富水粉细砂地层松动圈测试与围岩压力计算[J].现代隧道技术,2012,49(4): 17-21.(ZHAO Qingbo.Loose rock zone measurements and rock mass pressure calculations for a saturated fine silt stratum[J].Modern Tunnelling Technology,2012,49(4): 17-21.(in Chinese))

[10]陈德彪.兰渝铁路胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验研究[J].隧道建设,2013,33(8): 659-663.(CHEN Debiao.Test research on creeps of tertiary weak sandstone: Case study on Humaling tunnel on Lanzhou-Chongqing railway [J].Tunnel Construction,2013,33(8): 659-663.(in Chinese))

[11]欧尔峰,梁庆国,鲁得文,等.天水第三系泥岩地球化学特性研究：以梁家山隧道开挖岩样为例[J].地球科学进展,2013,28(3): 398-406.(OU Erfeng,LIANG Qingguo,LU Dewen,et al.A study of geochemistry of tertiary mudstone in Tianshui:A case study of Liangjiashan tunnel[J].Advances in Earth Science,2013,28(3): 398-406.(in Chinese))

[12]陈崇希,林敏.地下水动力学[M].武汉: 中国地质大学出版社,1999.(CHEN Congxi,LIN Min.Dynamics of groundwater[M].Wuhan: Chinese Geology University Press,1999.(in Chinese))

2014中国隧道与地下工程大会(CTUC2014)暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十八届年会会议总结

中国土木工程学会隧道及地下工程分会副理事长

蒋树屏

尊敬的各位专家、代表：

下午好！这次大会即将完成各项议程，请允许我代表分会对这次会议进行总结。

2014年初冬之际，我们在美丽的杭州召开了2014中国隧道与地下工程大会(CTUC2014)暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十八届年会。这次会议由中国土木工程学会隧道及地下工程分会主办，由浙江大学城市学院、杭州市城市建设发展有限公司等承办，杭州市地铁集团有限责任公司等12家单位协办，还得到国际隧协(ITA)、杭州市人民政府、省科协等的支持。在此，受理事长委托，我代表分会向为大会提供帮助的各单位表示衷心的感谢！

这次会议，有4位院士出席，参会人员达615人，规模空前。分会会刊《现代隧道技术》以增刊的形式为大会出版了论文集，收录论文81篇，内容涉及综述与探讨、研究与分析、计算与监测、规划与设计、施工技术等方面，内容丰富。

孙钧院士、王梦恕院士、郑颖人院士等中外62位专家学者在会上作了精彩的报告演讲，特别是孙院士作的《近海隧道工程耐久性问题》、王院士作的《隧道及地下工程的现状和未来》、郑院士作的《普氏压力拱理论的局限性》、洪开荣作的《我国隧道及地下工程技术的发展与展望》、陈韶章作的《港珠澳大桥沉管隧道与沉管隧道技术的发展》、章立峰作的《杭州市地下空间发展展望与研究》等报告演讲既高瞻远瞩，又脚踏实地；既是理论引领，又是工程使然，与会者收获颇丰。

这次会议前夕，分会还举办了“隧道与地下工程技术”高级培训班，参加培训的工程技术人员和研究生达200多人，历时1.5 d。蒋树屏主讲的《隧道建设中的灾害防治技术对策》和《城市地下(道路)立交设计施工关键技术》、朱合华主讲的《隧道及地下空间火灾安全技术与应用》和《数字隧道技术开发》、仇文革主讲的《隧道及地下工程全寿命周期设计理念与方法》、黄宏伟主讲的《隧道及地下工程健康检测与监测》、陈馈主讲的《盾构法隧道施工风险与对策》、彭立敏主讲的《城市轨道交通工程修建技术》等讲座报告立足工程和前沿，通俗易懂，内容丰富。学员们普遍反映良好，希望今后继续面向基层工程技术人员，办好培训。

会议前夕，《隧道建设》杂志理事会举行了三届二次理事会议。该刊物自2013年变更为月刊以来，出版周期加快，为理事单位服务的版面更多，从封面到内页，从论文到消息，刊载各理事单位的报道增多了，服务质量进一步提高。同时，该刊始终坚持为促进隧道与地下工程领域的技术进步服务，为读者和作者服务的办刊宗旨，影响力在同类期刊中名列前茅。会上该杂志主编作了工作报告，代表们发言踊跃，很有内涵，编委会主任王梦恕院士对如何办好杂志、推动科技进步作了重要指示。

会议期间，国际隧协(ITA)主席、副主席等人员与部分中国企业举行了座谈会，就如何将ITA的成果与资源服务于中国隧道企业，如何与中国企业互动，共同推动世界隧道事业发展进行了有益的座谈，严金秀、郭陕云、蒋树屏、白云等分会有关领导参加了座谈，从一个侧面推动了国际合作，为企业走出国门做了有益的工作。

同志们，学术交流始终是学会的主要工作、主旋律。通过学术交流，推动科技进步，提高工程水平。这次学术交流，从建设程序讲，涉及到构想、规划、设计、施工、检测和运营；从建设领域讲，涉及到铁路、公路、市政、水电、矿山、国防等；从建设工法讲，涉及到钻爆法、盾构法和沉管法；从工程理论讲，涉及到结构耐久性、隧道数字化、坍塌机理、强度折减等；从工程技术讲，涉及到围岩稳定、复杂结构、防水排水、注浆加固、支护方法、超前探测、工程装备、通风照明、防灾救援、风险管控等。

这次会议在杭州召开，与会者分享了《杭州地铁工程概况及工程难点》、《杭州紫之隧道工程关键技术研究》、《杭州软土浅埋有害气体地层地铁修建技术》、《杭州火车东站枢纽地下空间开发应用》、《钱塘江深基坑承压水综合治理技术》、《杭州环城北路大盾构施工技术》等10多个报告演讲，杭州建设者的辛勤劳动、聪明智慧和技术开发能力给听讲者留下了深刻印象，赢得了大家的敬意。

这次会议受到国际隧协的关注，主席和副主席等亲自到会祝贺，还奉献了《哥本哈根地铁的挑战和缓解风险的措施》、《软弱地层城市地铁车站、区间隧道和竖井的传统开挖》2个演讲报告，使大家足不出户就能了解到部分国际隧道技术现状，开阔了视野，增强了国际交流。

这次会议，分会所属的新设备新材料应用、隧道及地下空间运营安全与节能环保、防水排水、隧道掘进机、地下空间、隧道风险管理、设计与教育等7个专业委员会汇报了各自的工作情况，并简要综述了学术技术前沿发展状况，让与会者了解到各专委会的工作和专业发展情况，具有重要意义。大家希望进一步加强专委会工作，为工程服务。

这次会议正值分会理事会换届。会前召开了第八届分会理事会会议，八届理事会郭陕云理事长作了工作报告，得到了大家的充分肯定。至此，第八届理事会的工作就圆满结束了。期间，召开了第九届分会常务理事会议，大家对分会今后的工作进行了讨论，九届理事会唐忠理事长作了讲话，分会的事业发展、学术交流等工作可有很好的期望。

这次会议，内容非常丰富，思想非常开放，成果与经验非常卓著，同志们交流非常热烈，严谨与激情跃然，是一次非常成功的大会！ 同志们，我国山脉众多，阿尔泰山、天山、祁连山、阴山、贺兰山、喜马拉雅山、横断山、秦岭、大兴安岭、长白山、太行山、巫山、武夷山、雪峰山和南岭，以及青藏高原、内蒙高原、黄土高原和云南高原等巍巍群山和高地，形成了天然屏障；我国还是一个江河湖海宽阔众多的国家，这些大自然的天然屏障给人们的出行带来了困难，给各类建设增大了难度，也考验着建设者的能力和技术本领。同时，随着城乡统筹，城市规模日益扩大，地铁等市政建设方兴未艾。水电、矿山等旨在造福人民，也取得了瞩目的成就。这些崇山峻岭、离岸深水是我们隧道和地下工程人员的工作平台，既是挑战，又是机遇！为创造人们美好的生活环境，提供更安全、更环保、更节省的隧道与地下空间是我们的责任和任务，也是我们的追求！

成绩已成过去，从现在起，我们就要为2016年CTUC的召开做准备，祝愿各位在未来的2年里取得更多的成果、更大的成绩！

十八届年会即将闭幕，祝各位领导、专家、代表身体健康、工作顺利、阖家幸福！

谢谢大家！

2014-11-25

StudyonEngineeringGeologicalCharacteristicsofTertiaryStrataofZhongtiaoshanTunnelonMenghuaRailway

QIN Zhenggui1,CHEN Yong2

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China; 2.ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

It is believed that,due to the ignorance of the engineering geological characteristics of Tertiary strata,there are great risks in the construction of tunnels located in Tertiary strata.In the paper,the property of Tertiary strata are investigated by means of exploration,laboratory test and in-situ test,on basis of the investigation and design of Zhongtiaoshan tunnel on Menghua railway.Conclusions drawn are as follows: The Tertiary strata at the southern foot of Zhongtiaoshan mountain can be classified into moderately-cemented conglomerate,weakly-cemented conglomerate,weak-diagenetic sandstone,semi-diagenetic mudstone and semi-diagenetic sandy mudstone; The strata has such characteristics as low diagenesis degree,being easy to be weathered after exposure and being easy to be softened when water is encountered; the mudstone and sandy mudstone have swelling property; the hydrogeological characteristics of Tertiary strata depends on the lithology; collapse,serious deformation,water inrush and sand inrush are common risks during tunnel construction; the base ground of the tunnel should be carefully treated,otherwise floor mudding may occur during the operation of the tunnel.

Zhongtiaoshan tunnel; Tertiary strata; diluvial fan; engineering geological characteristics; hydrogeological characteristics

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.008

U 45

A

1672-741X(2014)12-1163-05