黎城至霍州高速公路太岳山隧道工程地质特性及围岩稳定性评价

赵 梦

（甘肃省地质矿产勘查开发局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020）

1 工程概况

太岳山隧道地理位置在山西省霍州市李曹镇杨家庄村和临汾市古县北平镇之间，隧道的洞身横穿太岳山脉南段（平遥宝塔山为北段、介休绵山为中段、霍州霍山为南段）主脊，为越岭型隧道。隧道采用左右分离设计，左右线都为特长隧道。左线洞体的全长是11.15km，右线洞体的全长是11.18km。

2 工程地质特性

2.1 地形地貌

拟建隧道自南东向北西横穿太岳山主脊，所凿穿的山体峰连叠嶂，山势陡峻险要，地形起伏极大，侵蚀冲沟十分发育，地形非常破碎，地貌形态复杂多变。以太岳山主脊为界的东南部山势相对略显和缓，主脊西北部山势险峻挺拔，穿越喀斯特侵蚀中起伏中山区和构造剥蚀中起伏中山区两大地貌单元。

2.2 地质构造

隧址区位于Ⅳ级构造单元太岳山坳缘翘起带，在喜山期有不同的发展和继承。区内共发育29条断层，其中破碎带宽度大于100m 的断层5 条，占总数的17.2%，破碎带宽度为50～100m 的断层9 条；占总数的31.0%；破碎带宽度小于50m 的断层15 条，占总数的51.7%。在这些断层中F29、F52距拟建隧道较远，对隧道围岩稳定性影响较小；F55断层虽距拟建隧道出口约60m，但其为霍山大断裂，该断裂是一条深大断裂，自晚新生代以来继承活动显著，对断块活动具有控制作用。第四纪期间的水平位移幅度达数千米，新构造运动强，对隧址区场地稳定性有较大影响；其余断层破碎带及其影响范围均对拟建隧道围岩稳定性均有较大影响。

隧址区共发育3 条褶皱，分别穿越了拟建隧道，明显控制了不同时代地层及地貌单元的分布，其核部破碎带对拟建隧道围岩稳定性均有一定影响。

隧址区主要发育5 组节理。J1：走向为5°，倾向为95°∠85°，岩性为白云质灰岩、白云岩，节理线密度约10条/m，间距8～12cm，结合一般—差，节理贯通性一般，可见延伸长度2～4m，张开度1～5mm，节理面粗糙，大部分无充填，局部白云岩岩屑充填。J2：走向为280°，倾向为190°∠77°，岩性为白云质灰岩、白云岩，节理线密度约8 条/m，间距15～20cm，结合一般—差，节理贯通性一般，可见延伸长度1～2m，张开度1～4mm，节理面粗糙，多无充填，局部白云岩岩屑充填。J3：走向为70°，倾向为160°∠85°，岩性为黑云角闪片麻岩，节理线密度约8 条/m，间距15～20cm，结合一般—差，节理贯通性一般，可见延伸长度1～3m，张开度1～2mm，节理面粗糙，多无充填，局部片麻碎屑充填。J4：走向为23°，倾向为113°∠80°，岩性为白云岩，节理线密度约6 条/m，间距15～20cm，结合一般—差，节理贯通性一般，可见延伸长度1～2m，张开度1～3mm，节理面粗糙，多无充填，局部为泥质或白云岩岩屑充填。J5：走向为84°，倾向为174°∠77°，岩性为黑云角闪片麻岩，节理线密度约4 条/m，间距20～30cm，结合一般—差，节理贯通性一般，可见延伸长度1～3m，张开度1～2mm，节理面粗糙，多无充填，局部为泥质或片麻碎屑充填。

隧址区主导节理走向为北北东向，倾角主要集中在77°～85°范围内，隧道洞轴线走向为311°。J2、J3及J5节理与隧道洞轴走向小角度相交，对隧道洞壁不利，J1、J4节理与隧道洞轴走向大角度相交，对隧道洞壁影响较小。节理及层面组合切割的块体，在隧道两壁均有倾向洞身的结构面，易出现掉块或坍塌现象。

2.3 地层岩性

隧址区地层结构复杂，由新至老依次有：第四系全新统晚期冲洪积物（Q42al+pl）、中更新统冲洪积物（Q2al+pl）；奥陶系中统下马家沟组下段（O2x1）、下统亮甲山组（O1l）；寒武系上统凤山组（Є3f）、上统崮山组（Є3g），中统张夏组（Є2z）、中统徐庄组（Є2x）；中元古界长城系霍山组（Pt2h）；中下太古界霍县群大南坪组（Ar1-2dn）、安子坪组（Ar1-2a）、黄梁组（Ar1-2h）等。

2.4 不良地质及特殊岩土

隧址区没有特殊岩土，影响隧道围岩稳定性的不良地质主要是岩溶。隧址区广泛出露奥陶系灰岩、泥灰岩、白云岩等碳酸盐岩，岩溶类型是裸露型，主要是近代岩溶。隧址区碳酸盐岩分布地段发育溶洞、坑槽等喀斯特地貌。在一些钻孔中亦揭示了溶洞、溶隙、溶孔等岩溶现象，溶洞在垂向上具分带性和成层性，横向上具分选性，一般在多组裂隙交接处、断裂破碎带附近和粒粗质纯层厚的白云岩、石灰岩等中尤为发育。岩溶的发育对隧道围岩稳定有一定影响。

2.5 水文地质条件

太岳山隧道隧址区及洞体内的主要含水层有如下三个：强—中风化裂隙带含水层与断层构造破碎带含水体富水性较好，属于中—强富水性含水层，根据钻探揭示资料，风化裂隙带含水层厚度一般在30～60m，分布较为广泛，面积较大，是隧址区体积最大的含水层，因此也是隧址区最主要的含水层，但本类含水层主要分布于隧址区地势较高的分水岭附近，在隧道洞体范围内无分布，故对隧道洞体而言，属于影响最小的含水层。断层构造破碎带含水体倾向延伸较深，含水层厚度较大，走向长度较长，裂隙发育，断层富水性也较好，对洞体影响最大。故属于影响最大的含水层。中风化—微风化变质岩裂隙岩体含水层厚度较大，裂隙发育一般，尤其与强—中风化裂隙带岩体的裂隙率相比，相差101～103数量级，加上岩体埋深相对较深，岩体在上覆后岩体的巨大压力下，裂隙闭合较好，裂隙内空隙较小，富水性也较弱。

从钻探的含水层水位埋深看，地下水变化很大，变质岩区地下水位最高点约为1600m，地下水位最低点约为1080m，高差约520m。变质岩区的地下水潜水位线与总趋势与隧道地表分水岭起伏变化大体相似。显示分水岭以东向东径流排泄，分水岭以西则向出口方向径流排泄。从局部看，洞体水位倾在逆断层带上盘水位抬升，说明了该断层构造具有较明显的阻水作用。从隧道范围泉点性质看，以寒武系底部与区域隔水边界之间的Q35断层泉由于受断层F35逆断层的逆冲阻隔，径流通道受阻，地下水位抬升，Q35断层泉在F35逆断层带切割沟谷边坡时，自断层上盘附近溢流而出。

隧址周边的区域水文地质单元有松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、变质岩类裂隙水、构造裂隙水四种。左幅洞体计含水段长度为9530m，非含水段长度1620m，洞体正常涌水量为16679.05m3/d，最大涌水量为37191m3/d，每米平均最大涌水量q0=3.34m3/（d·m）；右幅洞体计含水段长度为9530m，非含水段长度1650m，洞体正常涌水量为16624.55m3/d；最大涌水量为36949m3/d，洞体每米平均最大涌水量q0=3.30m3/（d·m）。

2.6 洞体围岩工程地质特征

本隧道围岩由岩质围岩组成，洞体围岩K133+770～K136+540、ZK133+835～ZK136+590 段由奥陶系亮下统亮甲山组（O1l），寒武系上统凤山组（Є3f）、中统张夏组（Є2z）、徐庄组（Є2x）灰岩、白云岩、页岩以及白云质灰岩等碳酸盐岩与断层破碎带组成，白云岩、白云质石灰岩和灰岩是一种相对坚硬的岩石，页岩属于软弱岩石，整体为相对坚硬的岩类和软岩，强—中风化，节理裂隙发育—较发育，岩体是破碎—较破碎，裂隙是镶嵌碎裂—碎裂结构，围岩稳定性较差，开挖引起中—大塌方；断层破碎带主要由碎石和断层泥组成，结构面混乱，岩体极破碎，结构零散，围岩稳定性差，开挖时易产生坍塌。K136+540～K136+890、ZK136+590～ZK136+940中元古界长城系霍山组（Pt2h）砂岩组成，属坚硬岩，微风化，节理裂隙不发育，岩体较完整，呈厚层状结构，围岩自稳能力较强，稳定性较好。K136+890～K144+950、ZK136+940～ZK144+985 段由中下太古界霍县群黄梁组（Ar1-2h）、安子坪组（Ar1-2a）及大南坪组（Ar1-2dn）混合岩化黑云角闪斜长片麻岩等变质岩和断层破碎带组成，属较硬岩—坚硬岩，强—微风化，节理裂隙很发育—不发育，岩体破碎—较完整，结构呈碎块状—块状，大部分地段围岩自稳能力差，开挖容易产生中—大塌方，部分段落围岩自稳能力较强，稳定性较好；断裂破碎带主要是角砾，结构零散，围岩稳定性差。地下水中可能出现突水或大突水现象。综合评价，该隧道场区工程地质条件复杂。

3 工程地质综合评价

3.1 隧址区域稳定性和适宜性评价

隧址区断裂活动处于相对稳定的状态。该区地壳部分具有基底和覆盖层的双层结构，部分沉积覆盖层被完全侵蚀，仅存在结晶基底。该区域地壳应为相对稳定区域，基本适宜拟建工程的建设。不稳定因素主要是新裂陷盆地边缘的活动断裂和地震活动。

3.2 隧道进出口边坡稳定性评价

（1）霍州端洞口。该洞口左右线洞口都位于霍州市李曹镇杨家庄村南侧550m 处斜坡上，坡向260°左右，左线洞口处坡角在20°～40°之间，右线洞口处坡角在25°～40°之间，隧道左右线洞口仰坡高约100.0～120.0m，洞口仰坡、边坡地层由太古界霍山群黄粱组（Ar1-2h）黑云角闪斜长片麻岩组成，节理裂隙发育，岩体破碎，岩层的产状是347°∠39°，岩层属于同向斜坡，组合不利。由于岩体破碎，节理裂隙发育，倾角大，在工程开挖扰动条件下，容易发生坍塌、小面积坍塌和沿结构面滑塌。总体评价：霍州端入口边坡稳定性较差。

（2）沁源端洞口。该洞口左右线洞口都位于古县北平镇二道河村西南侧270m处的热留河西岸斜坡上，坡向120°左右，左线洞口处坡角在25°～45°之间，隧道左右线洞口仰坡高约45.0～60.0m，左右线洞口位置所在斜坡在自然条件下均处于基本稳定状态。洞口仰坡、边坡地层由第四系中更新统冲洪积（Q2al+pl）黄土（粉质粘土）及奥陶下统亮甲山组（O1l）白云岩组成。

Q2al+pl黄土（粉质粘土）在降雨的时候，有可能产生小范围坍塌及滑塌，在工程开挖扰动条件下，上覆土沿基岩面整体滑动可能加剧；O1l白云岩，节理裂隙发育，溶蚀明显，岩体破碎，岩层的产状是223°∠10°，岩层属于反向斜坡，是有利组合，但是岩体破碎，而且节理裂隙发育，在工程开挖扰动条件下也可能发生碎落、小范围内坍塌等，总体评价：沁源端洞口边坡稳定性差。

3.3 隧道洞体围岩稳定性评价

本隧道为岩质隧道，按公路隧道岩质围岩分级方法的相关规定，依据围岩定性特征和岩体基本质量指标BQ进行围岩基本质量分级，按围岩基本质量指标修正值[BQ]进行修正分级。结果为左洞Ⅴ级围岩累计长度为2415m，占21.7%；Ⅳ级围岩累计长度为6770m，占60.7%；Ⅲ级围岩累计长度为1965m，占17.6%。右洞Ⅴ级围岩累计长度为2415m，占21.6%；Ⅳ级围岩累计长度为6805m，占60.9%；Ⅲ级围岩累计长度为1960m，占17.5%。

Ⅴ级围岩由白云岩、片麻岩、断层破碎带等组成，岩体强—中风化，节理裂隙很发育—发育，岩体破碎—较破碎，呈碎裂状—镶嵌碎裂结构；断层破碎带多呈角砾状、碎块状，局部发育断层泥。地下水出水状态为点滴状—涌流状出水，隧道开挖过程中洞体跨度大于3～6m 时，围岩自稳能力为完全无自稳性，断层破碎带段落完全无自稳性。

Ⅳ级围岩由白云岩、片麻岩、断层破碎带等组成，受风化、地质构造等因素影响，节理裂隙发育—很发育，岩体破碎—较破碎，围岩以镶嵌碎裂结构为主，局部呈碎裂状结构。隧道开挖过程中洞体跨度大于5～9m时，围岩自稳能力为不稳定，可发生中—大塌方。

Ⅲ级围岩由洞体围岩由黑云角闪斜长片麻岩组成，微风化，鳞片状变晶结构，片麻状构造，节理裂隙较发育，局部构造裂隙发育，岩体较破碎—较完整，围岩以块状结构为主，局部镶嵌碎裂结构。隧道开挖过程中洞体跨度7～14m 时，围岩自稳能力为可暂时稳定，可发生小—中塌方，亦可能开挖过程中有岩爆发生，成洞性较差。

3.4 隧道施工期岩爆预测分析

依据拟建隧道高程的地应力回归分析结果，对本隧道施工期发生岩爆的可能性进行了预测，硬质脆性岩类的围岩，对于硬脆性岩石，施工期间发生中等岩爆至强烈岩爆的可能性相对较高。因此，有必要选择合理的开挖方法，并在施工过程中采取必要的安全防护措施。在软岩地区，隧道开挖的主要问题是围岩位移大，成洞性差，应该加强地质预测以及围岩临时支护。

4 结论

隧址区地形地貌复杂，隧址区地层结构复杂，地质构造发育，无特殊岩土分布，岩溶是影响隧道围岩稳定性的主要不良地质，水文地质条件复杂，根据综合分析认为隧址区工程地质条件复杂。建议隧道设计时注意相应的抗震设防问题，应加强对洞体封堵水和排水设计，封排结合，以堵为主，并确定好基准，做好监测，真正落实好大堵小排。