某山区铁路隧道工程地质综合勘察与施工验证分析

曹波

摘  要：近些年，高速铁路隧道修建积累了丰富的勘察设计与施工经验，而山区隧道的勘察一直是困扰业界的难题。通过对比分析，隧道区物探的异常和区域地质资料的可溶岩分布应高度引起项目负责人的警惕，应进行更加详细的地质调查、加密布置勘探孔、采用不同方法的物探验证和深孔钻孔等手段进行验证，施工时更加重视超前水平钻和地质雷达等超前地质预报工作。通过总结提炼了勘察与施工配合的相关内容，提升了我院山区铁路勘察的方法和经验，更好地指导施工期隧道地质配合。

关键词：山区铁路  隧道勘察  围岩划分  施工验证

中图分类号：U452.1

Analysis of Comprehensive Exploration and Construction Verification of Engineering Geology of a Mountain Railway Tunnel

CAO Bo

（China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai， 200070 China）

Abstract： In recent years， the construction of high-speed railway tunnels has accumulated rich experience in exploration， design and construction， and the exploration of mountain tunnels has always been a difficult problem that troubles the industry. Through comparative analysis， project leaders should be highly alert to the anomaly of geophysical prospecting in the tunnel area and the distribution of soluble rocks in regional geological data， carry out more detailed geological exploration， infill the layout of exploration holes， and use the different methods of geophysical verification， deep hole drilling and other means to verify， and they should pay more attention to advanced geological prediction such as advanced horizontal drilling and geological radar during construction. By summarizing and refining the relevant content of exploration and construction coordination， our institute has improved the methods and experience of railway exploration in mountainous areas to better guide the geological coordination of tunnels during construction.

Key Words： Mountain railway; Tunnel survey; Surrounding rock classification; Construction verification

在铁路建设中，由于我国的勘察、设计和施工相对分立，勘察与设计的协同，勘察与施工的相互验证均存在诸多壁垒，造成勘察技术的积累发展险阻重重[1-2]。山区铁路隧道勘察因其地质条件复杂，更加依赖施工期的验证分析来积累勘察经验和提升勘探水平[3]。

山区铁路勘察主要通过区域地质分析、地质调绘、钻探挖探、岩土试验、综合测井、电法物探等进行综合勘察[4]。客运专线山区隧道要特别重视隧道口围岩落石的勘察，为运营期安全提供坚固保障，通过叶琼瑶的理论分析炭质岩的勘察，为该隧道物探低阻异常给出新思考，综合物探钻探等手段，类比普式塌落拱的理论引入拱顶围岩性质划分围岩等级，通过超前地质预报和施工期掌子面开挖核查，进行施工期围岩的核查修正[5]。通过施工验证对比积累丰富的勘察经验。

1  工程概况

隧道位于安徽省黄山市黟县谭口村北侧约1.7 km的自在谷处，隧道呈北北东向由北向南穿山而出。隧道起讫里程为DK113+765～DK115+000，总长度为1 235 m，底板标高252.219 m山衍生山体，地势起伏较大，山体高程252～420 m，最大高差约160 m。山体为一单斜构造，南、北侧坡较陡。隧道山体表层植被茂密，覆盖层较薄，植被以竹林、青松及低矮灌木为主。

2   工程地质特征2.1   地形地貌    拟建隧道所处地貌为构造低山，属黄山衍生山体，地势起伏较大，山体高程252～420 m，最大高差约160 m。山体为一单斜构造，南、北侧坡较陡。隧道山体表层植被茂密，覆盖层较薄，植被以竹林、青松及低矮灌木为主。

2.2  地层岩性

隧址区依据钻探和地质调查，结合区域地质资料对比分析，表层为第四系全新统残坡积土，下伏基岩主要为寒武系下统荷塘组（∈1h）炭钙质泥岩、震旦系上统皮园村组（Z3p）硅质岩、震旦系中统兰田组（Z2ln）页岩、震旦系中统休宁组（Z2x）粉砂岩。施工期揭露的震旦系上统雷公坞组（Z3l）炭质灰岩。

2.3 地质构造

隧址区域构造应力复杂，造成本区褶曲、断裂，抬升、凹陷交错。区域内构造、山脉走向总体呈北东及北北东向。构造发育程度由西北向东南逐渐趋弱。岩浆活动也呈渐弱趋势。近代各构造单元均呈缓慢隆起趋势。

隧址于DK114+550处存在一处逆断层，DK114+555～DK114+575为断层影响带，影响带内岩体破碎富水，围岩稳定性差，洞体施工开挖易发生涌水、坍塌现象。该断层为该区域的主干构造，其周围岩体都受其剪切挤压影响，周边岩体均受断层构造影响而岩体较为破碎。

2.4 水文地质

隧址区进口处有一处名为虞山溪的山间溪流，上游连通宏村的奇墅水库，下游汇入横河。隧道底板标高均远远高于历史河流水位，对隧道工程几无影响。本区地下水类型主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和岩溶水。隧道山体由泥、页岩组成，岩石较致密，裂隙不发育，渗透性弱，除断裂破碎带处导水沟通形成储水空间富含地下水，其余地段地下水一般不发育且含水层之间水力联系较差。分布于岩溶中的地下水极易引起隧道的突水突泥。

3  勘探方法

3.1  区域地质资料收集与分析

通过对1∶200 000屯溪幅地质图、1∶50 000兰田幅地质图、《安徽省黄山市地质灾害调查与区划报告》等资料的收集和分析，明确了隧址区分布的主要岩性是炭钙质泥岩、页岩、硅质岩，局部分布有灰岩，存在一处逆断层，未见滑坡等其他不良地质发育。

3.2  遥感解译

通过搜集遥感图像和航空卫片，解译分隧址区地形陡峭，植被茂密，在里程DK114+550处推测发育有一处逆断层，断层及影响带约20 m，断层走向为N64°W，断层长度约2 000 m，初步推断为逆断层。

3.3  区域地质调绘

对隧址区周边约2 km范围的地形地貌、岩性、褶皱、构造及断层等进行地质调查，对重要的地貌、岩性分界、断层界限、水文泉和危岩落石等进行详细地质描述并建立观测点，共计约35处有效观测点，并清理绘制至隧道工程地质平面图上作为勘探的重要依据。

3.4  地球物理勘探

勘察阶段沿隧道轴线布置1 258 m的物探测线，通过大地电磁法以电阻率的差异来划分地层岩性及地质构造、并根据电阻率值的大小以及展布形态来判释地下地质体空间分布。根据地区经验和地球物理理论反演分析成图。

3.5  钻探及原位测试

由物探成果知DK114+070～DK115+000段视电阻率很低，初步推测部分地段是因为含炭岩影响，部分是因为断层及页岩岩体破碎影响。拟在隧道物探异常段布置2处钻孔进行验证，具体如图1所示。

依据地质调绘成果，结合区域地质和物探成果资料，综合分析拟布置了4处勘探点，共计280 m。勘探孔内进行了简易的提水试验并取代表性岩样进行岩石试验。查明岩性分界、沿线岩性，断层发育，验证了一处物探低阻区。基本查明了隧道洞身区的岩体类型、硬度、完整性等，划定了断层影响带范围等。

4  勘察期围岩划分

4.1  划分原则

隧道的围岩分级划分主要通过岩石的坚硬程度和岩体的完整度确定基本的围岩级别，再通过对地下水状态、初始地应力进行修正；对比物探成果进行综合研判，同时考虑构造及断层影响和塌落拱因素确定围岩分级[6-7]。

4.2  围岩分级

隧道以寒武系炭钙质泥岩、震旦系硅质岩、页岩和粉砂岩为主，岩体软硬岩分布各半，发育有一处断层，隧道埋深相对较低，总体来看围岩等级以Ⅳ和Ⅴ级为主，局部隧道埋深较大且以硬质硅质岩段适当划分出Ⅲ级围岩，设计阶段划分出Ⅴ级围岩304 m，Ⅳ级围岩671 m，Ⅲ级围岩260 m，具体详见表1。

5  超前地质预报

DK114+064～DK114+099段3种方法显示了不同的地质情况。超前水平钻孔显示钻进匀速，有突进，返渣为灰黑色炭质灰岩，含水，水量较大。TSP该段纵波、横波速度值较前值整体抬升，密度及静态杨氏模量等力学参数也整体升高，反射界面相对较少。推断该段围岩完整性情况较掌子面段稍微变好，围岩为节理裂隙发育，岩体较破碎，地下水弱发育。地质雷达显示电磁波能量团分布较均匀，波形较杂乱，反射波同相轴清晰且较为连续推测该段可能存在岩性过渡带岩体破碎围岩稳定性差，地下水发育，呈线状流水。

以上3种方法揭示本段地质情况较差，勘察设计阶段围岩等级为Ⅳ级，综合判断给出围岩建议类别为Ⅴ类。施工开挖时DK114+069段显示有一处溶腔，超前地质预报手段及时查清了岩性，准确推测了前方地质情况给出可靠围岩建议。

6  施工期围岩核验

山区铁路隧道由于地质条件复杂，受构造应力作用和施工开挖扰动影响，仅靠初步设计阶段将围岩划分清楚确有困难，仍需在施工期进行配合施工从而对围岩再度修正。

DK114+039～DK114+069段掌子面前方发育一处从左上角至右下角斜向贯穿的半充填溶洞，充填物为碎石与软塑状黏性土。如图2所示，隧道拱顶至右边墙轮廓线以外充填物流出后形成环向长度11～12 m，径向深度0.8～3.2 m的空腔，富水且流水量为40～90 m?/h，此处围岩等级由Ⅳ级变更为Ⅴ级。

DK114+069～DK114+099段掌子面拱部发育一处半充填溶洞，如图3所示，充填物为碎石屑与软塑状黏性土，溶腔内充填物滑塌后在隧道拱顶至左边墙轮廓外形成纵向长度（2～3 m）×环向长度（4～6 m）×径向深度（3～4 m）的空腔。超前水平钻施钻过程中有突进现象，孔壁呈碎裂结构，有溶隙出水点，推测岩体极破碎，前方存在溶蚀松软堆积物，富水且水量为45～95 m?/h。此处围岩等级由Ⅳ级变更为Ⅴ级。

DK114+099～DK114+264段揭示岩性为强～弱风化炭质灰岩、硅质岩，局部夹全风化炭质泥岩，岩层倾角12°～15°，倾向掌子面左侧，薄～中厚层状，岩质较软，岩体破碎，节理裂隙密集发育，充填钙质粉末及岩屑，左部及拱顶岩体呈散块状，有溶隙或裂隙水流出。此处围岩等级由Ⅳ级变更为Ⅴ级。

DK114+264～DK114+354段掌子面揭示岩性主要为强～弱风化硅质岩、炭质泥岩，岩质为较硬、较软岩互层，围岩整体较破碎，薄～中厚层状，部分为薄层碎裂状，主要岩层倾角约38°～23°，倾向掌子面左前方，可见揉皱、挤压现象，节理裂隙发育，粗糙张开型，充填软泥、钙质粉末，主要结构面结合较差，掌子面整体湿润，局部可见淋雨状及少量股状出水。此处围岩等级由Ⅲ级变更为Ⅴ级。

DK114+354～DK114+524段掌子面揭示岩性主要为强～弱风化硅质岩，岩质以较硬岩为主，围岩整体较破碎，部分为压裂碎块状较软岩，薄～中厚层状，倾向掌子左前方，节理裂隙发育，潮湿张开型，且竖向节理密集，充填钙质粉末，部分为宽张风化裂隙夹软泥，拱顶出现环向断续掉空，地下水较发育，掌子面可见线状、淋雨状出水。此处围岩等级由Ⅲ级变更为Ⅳ级。

施工过程中进行围岩的修正，总变更长度为485 m，占隧道总长的34.4%，其中Ⅲ级减少260 m，Ⅳ级减少55 m，Ⅴ级增加315 m。最终Ⅴ级围岩619 m，Ⅳ级围岩616 m，Ⅴ∶Ⅳ=50.1%∶49.9%。具体详见表2。

7  结语

山区铁路隧道勘察应特别重视区域地质分析，对于有泥岩、页岩和可溶岩分布的地段，应通过地质调查和钻探查明分布范围和工程性质。

对于物探低阻异常区，应引起高度重视，多布置横断面详加分析，采用多种物探方法相互验证。

对于物探异常、区域分析存在软岩和可溶岩的山区铁路隧道，除常规的验证物探钻孔外还应加密布置勘探孔，查清物探异常原因和软岩、可溶岩分布范围和工程性质。

勘察阶段确有困难无法详加查清的地质问题，应该按不利条件划分围岩等级；施工阶段应密切关注超前地质预报工作，及时修正施工期围岩分级。

参考文献

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• 国家铁路局.铁路工程地质勘察规范：TB 10012-2019[S].北京：中国铁道出版社，2020.
• 国家铁路局.铁路工程不良地质勘察规程：TB 10027-2022[S].北京：中国铁道出版社，2022.