综合地质勘察方法在受推覆构造影响隧道工程中的应用及研究

郑晔

综合地质勘察方法在受推覆构造影响隧道工程中的应用及研究

郑晔

（福建省交通规划设计院，福州350004）

摘要在收集石林隧道工程勘察、设计和施工相关资料的基础上，分析研究了推覆构造对该隧道工程的灾害形成机制，阐明了以工程地质测绘、物探、钻探、孔内测试和取样试验等手段为主的综合勘察方法对查明该类型隧道的地质条件的重要性，为将来类似隧道工程勘察设计及建设提供参考依据。

关键词隧道工程地质条件推覆构造综合地质勘察方法应用

0　引言

推覆构造是由侧向应力挤压作用形成的缓倾角断裂构造，一般是由（逆）冲断层及其上盘推覆体和下盘组合而成。（逆）冲断层总体倾斜平缓，常呈上陡下的铲状或下陡上缓的倒铲状，也可呈陡、缓相间的台阶状。上盘为由远距离（数千米至上百千米）推移而来的外来缓岩块，称推覆体。下盘为较少位移的原地岩块。其在福建省区域范围内广泛发育。当公路、铁路以隧道形式穿过受推覆构造影响的区域时，可能会遇到各种危害：例如坍塌、冒顶、涌水、突水、突泥和衬砌、底板不均匀沉降等，严重影响隧道的施工安全，造成巨大的经济损失。

1　工程概况

石林隧道位于福建省永安市大湖镇境内，设计为双洞分离式隧道。隧道单洞设计净宽12.52m。左洞桩号为ZK13+840～ZK16+715，长2875m；右洞桩号为YK13+ 865～YK16+730，长2865m；进出口均采用削竹式洞门。

隧道场址区属构造侵蚀中低山地貌，地形呈波状起伏，高差较大，切割较深；进洞口自然山坡坡度约5～15°，处于坡麓坡积缓坡地带，自然山坡稳定；出洞口自然山坡坡度约30～40°，自然山坡稳定；洞身最高点海拔1003.4m，洞身地表地势较为陡峻，沟堑较发育，主要为洞身处NW向二条沟谷，宽度较小，但切割较深且较长，呈V型，两条较大沟谷的地表水均较丰富，进、出口地表沟内地表水勘察期间不发育；沿线均为山地，地表植被发育，出洞口段局部有竹林、桔子林，其余均为林地。

测区属亚热带东南季风气候，受季风影响，温和潮湿、雨量充沛，四季较分明，春季阴寒细雨连绵，夏季炎热多大雨，秋季晴朗多雷阵雨，冬季寒冷有霜冻，山区多见短期积雪。本区多年平均降水量为1683.9mm，多年平均气温19.1℃；最高气温为40.6℃；极端最低气温为-9.5℃，年蒸发量约为1333.0mm，霜期平均约为50～100天/年，3-6月为雨季，7～9月为中雨季，10月至次年2月为旱季，11～12月为最旱季。风向春末至初秋多东南风，其余时间多为西北风［1］。

该隧道分两个阶段进行勘察，初步设计阶段采取了以工程地质测绘、综合物探（浅层地震法和大地电磁法两种手段）为主，结合钻探（5个）、孔内测试和取样试验等勘察手段。初勘成果验证了该隧道走廊带在区域地质上存在的褶皱和推覆构造的形态和位置。施工图设计阶段在进一步核实初勘成果的基础上加密工作量，采取了钻探（钻孔14个，其中深孔5个）、孔内测试、抽水试验和综合物探为主，结合补充工程地质测绘、取样试验等手段，进行综合工程地质勘察。

2　地质与地质构造

隧道区域在大地构造上处华南褶皱系东部、闽西南坳陷带北缘。三级构造为胡坊-永定隆起中段，大田-龙岩坳陷带北东部。共有加里东、华力西-印支、燕山、喜马拉雅四个构造旋回。

隧道走廊带内存在有大型区域推覆构造，其位于坑边复式向斜西北翼与李坊-魏坊斜歪倒转复式背斜西南翼之间。推覆体为奥陶系（O）及不整合于其上的上泥盆统（D3）及早石炭统（C1）地层，出露原地岩系为下石炭统林地组（C1l）地层。推覆体断面即小桦上-凉山北东向掩逆断层F5（位于隧道里程YK16+244），该断层在走向、倾向上均具强烈的波状弯曲，地表总体走向北东，倾角40～50°，向深部倾角可能变缓。断层上盘奥陶系（O）地层原走向北西向岩层被扭曲成与断面一致的北东向，并向南东方向逆冲，断层下盘为上泥盆统（D3）砂岩、砂砾岩，由于上盘的大规模推移挤压，原组成坑边复式向斜北西翼外侧的这套地层向北西方大规模倒转。上曹-岭头断裂F4（位于隧道进口段）为推覆体次级断面，将原上泥盆统（D3） 及早石炭统（C1）的地层，呈低缓角度向南东向远距离推掩至上石炭统船山组（C3c）和下二叠统栖霞组（P1q）之上。其深部可能与主干断面F5汇合。

图1　石林隧道区域构造图

3　水文地质条件

该隧道地下水按照其赋存介质，可分为基岩风化带孔孔隙-裂隙水、基岩构造裂隙水和碳酸盐岩溶水三种。基岩风化带孔孔隙-裂隙水主要赋存于基岩风化层的节理裂隙中，主要接受大气降水补给，富水性较差，流量随季节变化大，主要影响隧道进出洞口施工和近洞口段围岩的稳定。勘察期间进口段地下水高于隧道顶板，出口段地下水低于隧道顶板，但高于隧道底板。

该数据传输方法适用于各种电子提花机的主控系统，可以与当前采用ARM、FPGA芯片作为处理器的主控制器联合使用，不受帧数的限制.采用该方法对原有的控制系统进行二次开发，可灵活配置下位机接口板的个数，满足任何针数的提花工作要求.

基岩构造裂隙水主要赋存于导水性、富水性较好的破碎带及地层不整合接触带中，受大气降水及地表水下渗的补给，沿风化裂隙、构造裂隙顺山坡方向由高处向低处迳流，由溪沟和地形低洼处排泄，流量随季节变化小，泉流量常见值为0.01～0.184L/s。勘察期间洞身段地下水水位均高于隧道顶板。

碳酸盐岩溶水主要赋存于船山组灰岩中，受大气降水及地表水通过裸露区或覆盖区下渗补给，水量丰富，埋藏较浅，一般雨季泉流量增大，旱季地下水位下降。隧道进口段（约YK13+865～YK14+546）受其影响隧道施工时易发生涌喷等灾害。

图2　石林隧道EH-4物探解译纵断面图示意图

4　综合勘察方法的应用

4.1工程地质调绘及水文地质专项调查

在对区域地质资料的研判的基础上，对隧道进行1：5000的工程地质调绘，通过对基岩露头、岩性、岩层产状及不同段落的地下水的补给、径流和排泄方向的统计测量，初步查明隧道区的地质构造、地层岩性及水文地质特征。对后期的物探、钻探及孔内测试工作起到指导作用。

4.2综合物探

物探工作采用大地电磁法与浅层地震法相结合的手段。对覆盖层厚度、断裂带位置及富水带位置进行初步判定。

在初期对代表性岩石，测试了代表性电参数，为解译工作提供直接依据。在此基础上沿隧道轴线进行贯通大地电磁法物探，对进出口段落进行浅层地震法物探。分别进行岩面、岩性、构造带及富水带解译（见图2）。根据物探初步解译，一般电阻率值背景呈中低、极低或出现畸变的异常区域，除岩性特征不同和断层发育带外，应充分考虑存在岩溶水或基岩裂隙水发育带的可能性，后续勘察应针对异常区域加强工程地质测绘、水文专项调查及钻探验证。从而对物探成果进行进一步的合理解译。

4.3钻探、测试及试验

对前期测绘与综合物探成果进行综合分析，合理布设钻孔，孔内进行声波测试，选择部分钻孔进行水文试验，并取代表性岩土试样进行室内试验。查明并验证了孔位附近的地层岩性、岩性接触关系、岩土体界限、节理裂隙发育程度、断层破碎带特征等。通过上述情况，可直观掌握隧道走廊带的段地质情况。

5　勘察成果与工程问题的验证与分析

5.1综合勘察成果

通过分阶段合理有序的综合勘察，查明了石林隧道工程地质及水文地质条件。对多种勘察手段成果进行综合分析并得出结论。

（1）隧道区岩性复杂，区域上沉积岩地层因褶皱斜歪倒转，故出露次序为老地层在上，新地层在下，隧道穿越地层表层为厚层的坡-残积层，下伏基岩从进口至出口的地层关系为：石炭系林地组 （C1l）和船山组（C3c）、泥盆系桃子坑组（D3tz）、泥盆系天瓦岽组（D3t）、奥陶系魏坊群（O1wf）地层，由于受沉积环境的影响，各岩性变化规律性不强，并相互夹带。主要岩性有：进口段林地组 （C1l）石英砂岩、泥岩夹千枚岩下伏船山组 （C3c）灰岩；洞身段为泥盆系桃子坑组（D3tz）及天瓦岽组（D3t）石英砂岩、石英砂砾岩、砂岩及千枚状粉砂岩；出口段地层为奥陶系魏坊群（O1wf）变质砂岩、千枚状粉砂岩、泥岩，局部夹硅质条带，地层岩性软硬夹层或互层。进口段林地组产状主要为：345° ∠45°；洞身段桃子坑组地层产状为：315°∠35～45°、天瓦岽组地层产状：320～340°∠45～50°；出口段魏坊群地层产状：290°∠30°。岩层产状总体在进口段为反坡向或与坡向小角度斜交，出口段方向则为顺坡向或与坡向相近的斜交。

（2）隧道区发育有5条构造带，1条节理裂隙密集带，力学性质主要为逆冲压性或压扭性。对该隧道围岩影响较大的为两条燕山早期断裂活动的大型推覆构造F4（近进口段） 和F5（近出口段），F4的产状平缓，岩石强烈挤压破碎，呈土状及碎块状，为林地组与船山组岩性界限；F5产状为315～330°∠45～60°，断层走向、倾向具强烈的波状弯曲，靠近断面岩石具强烈片理化，千枚岩化。

（3）根据专项水文地质调查及水文测试，对隧道的涌水量进行了预测。单洞正常涌水量约为4600m3/d，水量较大，主要汇集在隧道进出口、岩溶发育带、岩性接触带、节理裂隙及断层破碎带中，对进口段涌水量大的段落必要时应设井点降水。近进洞口段（里程约YK13+865～K14+546）岩溶水发育，单洞正常涌水量达540m3/d，可能发生集中涌突水等灾害。（4）隧道近进口段（里程约YK13+865～K14+546）为岩溶弱发育区，钻孔揭示溶洞、土洞大小为直径0.5～1.5m范围，对隧道围岩及路基稳定影响较大，建议根据溶洞大小、填充物及岩溶水发育情况，采用喷锚加固、回填、注浆、跨越通过及引排截流岩溶水等方法综合处理，且应在施工贯通后，进一步查明该段路基地下岩溶分布情况，若发育岩溶应及时处理。

5.2主要工程问题

隧道在里程约YK14+175～YK14+425、ZK14+135～ZK14+382的实际开挖过程中揭露为受平缓的推覆构造的断层破碎带F4和岩溶发育区影响的特殊地质路段。现场施工中地质揭露地层主要为黄、灰黄色软弱土层，基本无完整基岩出露，土石胶结性差，构造分层界限明显，开挖后易从分层面滑塌。施工过程中频繁出现突水、突泥甚至流沙等地质灾害［2］。

初期支护变形严重，现场出现混凝土初喷层开裂、剥落以及钢拱架压屈变形等现象，多处出现变形侵限，最大累计变形量达120mm。局部路段在仰拱施工后出现底鼓［3］。

5.3推覆构造对突水、突泥灾害的影响

对综合勘察成果与施工中出现的问题进行综合对比分析，施工中发生突水、突泥灾害路段，位处于查明的上曹-岭头推覆构造带F4影响区域范围内，对其影响主要表现在断裂带的力学特征方面。该断层形成于燕山早期，在后续南东向推覆力的作用下，将原上泥盆统（D3）及早石炭统（C1）的地层，呈低缓角度远距离推掩至上石炭统船山组（C3c）和下二叠统栖霞组（P1q）之上。在距离运动作用下，上下盘岩层挤压错动强烈，产生塑性变形，岩体破碎，为地表水的下渗，地下水赋存、径流提供良好的通道。断层下盘主要发育有船山组（C3c）灰岩，受其影响利于岩溶发育及地下水富集。故形成了对隧道穿越区突水、突泥孕灾的地质环境（见图3）。

6　结论

（1）在对石林隧道已开挖段典型突水、突泥地段的地质特征规律入手，重点对推覆构造带多期地质构造环境、地层岩性变化及水文地质环境进行阐述和分析。强调了推覆构造复杂性以及其对隧道工程的影响。

（2）对受推覆构造影响的类似隧道，区域上地质形成条件较复杂，地层变化规律性不强，应在对区域地质充分研究的基础上，采用工程地质调绘、综合物探、钻探、孔内测试及试验相结合的综合勘察手段，不能局限于单一勘察手段。

图3　石林隧道进口段地质纵剖面图

（3）综合勘察手段不是多种方法的简单重复、堆砌，而是在充分分析各种勘察资料基础上，相互验证，相互补充得出的成果结论。形成以地质调绘与水文专项调查为核心，与电法、地震波法、电磁波法为一体的综合物探方法互为验证，在此基础上合理布设钻孔，并进行孔内测试和室内试验，形成"体-面-线-点"式的综合勘察结果。在和后期施工中掌子面揭露的情况的对比结果验证了此方法的准确性。由此也进一步减少了单一勘察手段的盲目性，提高了预报精度 ［4］。是规避灾害风险的有效手段。

（4）隧道工程是条带状的地下工程，尤其在受推覆构造影响的复杂地质区域，存在诸多不确定地质因素，完全准确查明隧道工程地质条件、划分围岩级别及预测涌水量在实际上是做不到的。所以，隧道施工中应加强现场监控量测和超前地质预报工作。

参考文献

［1］福建省交通规划设计院.国家高速公路泉州至南宁福建省永安至宁化（闽赣界）高速公路两阶段施工图设计A2、A3合同段工程地质勘察报告［R］.2009.

［2］国家高速公路泉州至南宁福建省永安至宁化（闽赣界）高速公路两阶段施工图设计A2合同段石林隧道工程变更会议纪要.

［3］邓涛，黄明，詹金武，张文远，郑斌.石林隧道底鼓的特征与机理分析［J］.工程地质学报，2014，22（1）:174-175.

［4］徐颖，左昌群，陈志超，方晓睿.推覆构造带碳酸盐岩隧道突水机制及风险规避［J］.岩土力学与工程学报，2014，33（增1）：2887-2892.