西(安)成(都)铁路客运专线棋盘关隧道地质特征分析与评价

孙成智

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



西(安)成(都)铁路客运专线棋盘关隧道地质特征分析与评价

孙成智

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：西成客运专线棋盘关隧道地处地质条件复杂的大巴山地中山区,是西成客运专线贯通川陕的重要控制性工程,隧道区内褶皱、断裂构造发育,通过的灰岩、砂岩、砾岩区裂隙水发育,为中-强富水区域,地质条件复杂。通过对隧道区域内进行大面积的地质调绘,采用综合勘察手段,详细查明隧道地质条件,同时,对隧道区内地质条件进行特征分析及对隧道设计的地质条件进行评价,提出设计施工措施建议。

关键词：西成客运专线；铁路隧道；工程地质；水文地质；设计评价

1概述

西成客运专线棋盘关隧道位于陕川交界处，黄坝驿乡东南侧，下穿京昆高速公路，隧道洞身地处大巴山低中山区，经白家沟穿越牢固关，在棋盘关关沟出洞，隧道全长9.22 km，最大埋深约435 m，“V”字形侵蚀沟谷发育，地势陡峭，是西成客运专线进入四川省境内的控制性工程[1]。

隧道洞身主要穿越志留系下统的页岩，奥陶系中上统的灰岩夹页岩、页岩夹灰岩，奥陶系下统砂岩夹砾岩等地层，洞身位于地震烈度七度区，褶皱、断裂构造[2]、地下水发育，地质条件非常复杂。自2009年5月以来，通过对隧道洞身进行大面积地质调绘，并结合钻探、V8物探探测及实验测试等综合勘察手段，查明了隧道洞身的地质特征及力学性质，采用综合分析方法[3]，为隧道设计提供了翔实的地质数据和充分可靠的地质评价。

2隧道工程地质特征分析

2.1地层岩性

(1)志留系下统(S1)

(2)奥陶系中上统(O2+3)

灰岩夹页岩(O2+3Ls+Sh)：条带状分布于隧道洞身靠近进出口部分。灰岩，紫红色、灰白色，隐晶质结构，块状构造，泥、钙质胶结，泥质含量较高，层理较发育，层间结合力一般，节理较发育，岩溶弱发育-发育；页岩，黄绿色，浅灰色，页理发育，层间结合力较差，层状构造，岩体局部揉皱发育，节理较发育。以上两种岩性为软硬岩相间，以灰岩为主，局部夹有白云岩。层理产状：进口端，N60°～80°W/20°～34°N；出口端，N50°～84°W/3°～32°S。

(3)奥陶系下统(O1)

(4)构造岩

碎裂岩(Cru)：分布于断层带内，原岩为奥陶系下统砂、砾岩，鳞片状、碎屑状，散体结构[4]。

2.2地质构造(图1)

(1)褶皱构造

区内发育有钢厂～黄坝驿倾伏背斜，隧道在其西北端翼部通过，随背斜的倾伏，本段岩层在黄坝驿以西产状多变，且奥陶系中上统地层逐渐封闭，在地层封闭地带常伴有次一级褶皱，且由东到西，褶皱由开阔变为狭长。该背斜轴部成北东东～南西西向，向西倾伏，倾伏角7°～10°(由东向西变大)，由震旦，寒武，奥陶，志留，二叠系等地层组成，背斜南翼为小李家坝～龙头山向斜的部分北翼(即从李家坝～石马山～带)的产状一致，倾角略大，为40°～10°，北翼产状倾向北～北西355°，倾角40°～20°。

(2)断裂构造

隧道洞身在DK337+030～DK337+080附近通过西沟正断层，断带物质以碎裂岩为主，该断裂构造出露于牢固关附近，切割震旦、寒武、奥陶、志留系地层，并切割北北东断层，在曹家坝附近，破碎带宽达70 m，带内物质以碎裂岩、断层角砾为主，断层泥少见，断层面倾向东，倾角近直立，经物探验证在牢固关-四坪里一线断层带宽度达40～70 m。

(3)节理

图1　棋盘关隧道地质纵断面

由于隧道所在区域内褶皱、构造较为发育，现场观测岩体岩层产状多变，岩体普遍发育3～4组密集节理，节理裂隙发育，且在褶皱的核部位置，有节理密集带分布。

2.3不良地质

隧道区内灰岩地段，经调查发现，局部发育有溶隙、溶孔，岩溶发育程度轻微，但因岩溶分布的不规则性，岩溶水沿地层层理及节理裂隙渗流[5]，岩溶对隧道工程施工影响较大。

2.4特殊岩土

隧道进出口表层覆盖粉质黏土及洞身穿越页岩，均具有膨胀性，膨胀土具弱-中等膨胀性；页岩具弱膨胀性。

3隧道水文地质特征分析

隧道隧址区地下水的形成、分布受地形地貌、岩性、构造、植被、降水量等多种因素控制和影响，特别是在构造、岩溶作用下，岩溶发育带、断层碎裂带、岩性接触带、节理密集带等，为地下水贮存和运移创造了良好的地质条件。隧道区内地下水赋存类型主要有碳酸盐岩岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水。

3.1地表水

隧道区内地表水主要为沟内常年流水，水量丰富，且雨季水量增加显著。隧道顶部及附近较大的沟谷有张家沟、大河坝、粗石沟、大干沟、何家坟沟等，据调查，其流量为678～20 029 m3/d(表1)。水质分析结果显示，地表水水化学类型主要为HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na+K·Ca，矿化度小于0.5 g/L，pH值>7，呈弱碱性，水质良好。

表1　河谷流量量测及径流模数计算

3.2地下水类型及补、径、排特征

隧道区地下水主要为碳酸盐岩岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水，赋存于灰岩、砂岩、砾岩中。受各地层岩性、地质构造和地形等条件差异的影响，地下水的富水性很不均衡，在岩溶发育的石灰岩及裂隙、层理发育的砂砾岩地区，入渗储存条件较好，地下水较丰富；而页岩分布区，由于岩体裂隙不发育或被挤密充填，贮水空间非常有限，透水和储存条件较差，地下水贫乏。据地表测流计算，地下水径流模数变化在89.41～583.6 m3∕d·km2。

区内地下水的补给来源主要是大气降水，次为地表水。地下水的径流状态主要受地形地势的控制，一般由分水岭向河谷方向运移，即沿山坡向就近沟谷排泄，基本上与地表水流方向一致，径流排泄是该区地下水的主要排泄方式。由于地势起伏较大，水力坡度大，地下水的径流较短，水交替循环迅速，溶滤作用强烈而矿化作用微弱。

3.3深孔勘探试验

在隧道洞身地段共对3个深钻孔进行了抽、提水试验，计算主要参数见表2。

表2　钻孔抽提水试验参数及渗透系数计算

3.4富水性分析

根据大面积的水文地质调查及水文地质测试和地下水水径流模数计算，结合地形地貌、地层岩性、地质构造特征，将隧址区地下水富水性分为3个区。

(1)裂隙孔隙弱富水区

主要分布在隧道进口一带页岩地层及砂砾岩地段，单位最大涌水量904.2～4 579.6 m3/d·km，受本区构造影响，节理裂隙发育、岩体较破碎，不同岩性接触带及层间是地下水主要富集区，隧道开挖过程中可能产生一定量涌水。

(2)碳酸盐岩岩溶裂隙中等富水区

主要分布在DK341+100～DK341+955段灰岩发育地段，岩溶弱发育。赋存岩溶裂隙水，其发育程度受构造控制明显，灰岩与其他岩性接触带可形成阻水型的富水构造，裂隙、岩溶发育地段，地下水富集。单位最大涌水量4 781.5 m3/d·km。

(3)碳酸盐岩岩溶裂隙强富水区

主要分布在DK332+850～DK334+000段灰岩发育地段，岩溶弱发育。赋存岩溶裂隙水，其发育程度受构造控制明显，灰岩与其他岩性接触带可形成阻水型的富水构造，裂隙、岩溶发育地段，地下水富集。单位最大涌水量16 714.4 m3/d·km。

3.5隧道涌水量预测

该隧道涌水量预测主要采用地下水动力学法、地下径流模数及降水入渗法进行预测，经综合分析，采用表3预测结果。采用降水入渗法对不同岩性地层单位长度涌水量进行计算，结果见表4。

4隧道设计地质条件评价

4.1隧道洞身岩体力学参数评价

通过对隧道地表裸露岩体及洞身深钻孔岩石取样

表3　隧道分段涌水量预测结果

注：qo为隧道单位长度可能最大涌水量；qs为隧道单位长度正常涌水量；Qo为隧道可能最大涌水量；Qs为隧道正常涌水量

表4　降水入渗法预测不同岩性单位长度涌水量结果

进行物理力学试验，结合岩体受构造影响程度、节理发育程度等因素，并结合隧道开挖后因渗流路径的增加、水力坡度的改变将影响围岩的含水状态，并直接导致围岩力学性质弱化，稳定性大大降低[6]。综合考虑，隧道洞身各岩性主要物理力学参数如表5所示。

表5　隧道洞身各岩性主要物理力学参数

4.2隧道设计地质条件评价

(1)突、涌水(泥)

根据区内水文地质调查中对地表水及地下水的情况调查，地表沟内水量较大，为充足的地下水补给来源，地下局部地段地下水发育，主要富存于褶皱破碎带、断层带、岩性接触带、长大密集节理带、灰岩段落岩溶发育地段及部分隧道浅埋地段中，这些部位岩体节理、裂隙发育，基岩裂隙水、构造裂隙水、岩溶水较发育，产生突、涌水(泥)的可能性较大，尤其断层带物质挤压破碎严重，施工中极易会出现突水现象[7]。根据V8显示，本隧道洞身在DK334+800～DK338+140范围内为低阻带，为富水地段，隧道施工中发生突涌水的可能性较大。

(2)围岩失稳

褶皱破碎带、断层带、岩性接触带、长大密集节理、灰岩段落、岩溶发育地段及部分隧道浅埋地段，围岩岩体较破碎且富水，施工中可能会出坍塌、变形等围岩失稳现象。

(3)高地应力

隧道埋深大于300 m处于高应力状态，本隧道埋深较大，最大埋深近440 m，构造应力较为复杂，各向异性变化较大，隧道地应力值不可能完全符合地应力梯度公式，且同一岩性在不同区域抗压强度值也有较大差异。在隧道中，硬质岩层中可能发生岩爆，软质岩层中可能发生大变形[8]。

本隧道在DK336+400～DK338+115段埋深绝大部分在300～500 m，处于高应力状态。此处软岩在高地应力作用下，软岩大变形具有“变形快、变形量大且破坏严重、持续时间长”的基本特征[9]，设计中应采取合理措施，保证施工安全。

5设计及施工注意事项

(1)隧道进、出口页岩有顺层及坡面覆盖层问题，且岩体风化破碎，另外隧道地处秦巴山区，为生态保护区，隧道弃渣设计及施工中应做好坡面防护或加固措施，在进口坡面做好挡护及排水措施。

(2)在隧道通过褶皱核部、断层破碎带、岩性接触带、长大密集节理、灰岩段落岩溶发育地段及部分隧道浅埋地段、富水地段，易发生突涌水、坍塌变形，设计及施工中应做好超前支护措施且及时衬砌，对隧道的防排水，要做到“防、排、截、堵相结合，因地制宜”[10]。

(3)隧道洞身局部穿越页岩，具弱膨胀性，设计及施工中应做好页岩地段的防排水措施并做好施工用水管理，防止页岩由于受水浸泡强度降低而发生坍塌、变形。膨胀土具弱-中等膨胀性，设计及施工中应做好膨胀土地段的防排水措施并做好施工用水管理，防止膨胀土由于受水浸泡强度降低而发生坍塌、变形。

(4)隧道在埋深大于300 m地段存在高地应力问题，设计及施工中应注意，采取必要的主动卸能措施，确保隧道施工安全。且本隧道在DK338+450附近与高速公路隧道相交，洞顶离高速公路隧道底部约58 m，设计及施工中应采取切实有效的措施，确保西汉高速公路隧道的安全及高速公路上车辆行人的安全。

(5)由于岩溶具有隐蔽性和复杂性，现有勘探难以从地面完全查清隧道岩溶发育的具体里程段落、分布高程和溶洞规模，施工阶段在本隧道的灰岩夹页岩地段应加强超前预报，本着“地表和洞内相结合、构造探测和水探测相结合、长中短期分阶段预报相结合”的“三结合”原则，做到有疑必探、先探后掘”[11]，必要时动态设计。待隧道开挖后，对灰岩地段的隧道基底用物探、钻探的方法进一步查清基底以下的岩溶发育情况，对基底以下存在溶洞的，应做好回填处理措施，确保以后运营安全。

6结语

通过对西成客运专线棋盘关隧道进行详细的地质调查，采取浅孔、深孔勘探，辅以大地音频电磁法、瞬变电磁法、孔内CT等多种先进勘探方法[12]，并进行综合测试试验，取得了翔实的地质数据，通过对大量的地质数据进行分析，总结、评价出影响隧道设计、施工的地质问题，并提出了相应的设计、施工措施。

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[4]关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993：18.

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[10]赵勇.铁路隧道建设的几个问题[J].铁道标准设计，2004(7)：110-116.

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[12]吕小应，胡子平.宜万铁路工程特点难点分析及对策措施[J].铁道标准设计，2006(Z1)：70-72.

Analysis and Evaluation of Geological Characteristics of Qipanguan Tunnel on Xi’an-Chengdu Passenger Dedicated LineSUN Cheng-zhi

(China Railway First and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Qipanguan tunnel on Xi’an-Chengdu passenger dedicated line is located in Daba mountain area with complex geological conditions, and an important controlling project to connect Sichuan and Shaanxi. This area is characteristic of developed folds and faults with abundant with fissure water in limestone sandstone and Conglomerate zone, and classified as a medium to strong water-rich area. The extensive geological survey and comprehensive investigation of tunnel geological conditions lead to recommendations on the design and construction of the tunnel with the help of the analysis and evaluation of the tunnel geological conditions.

Key words：Xi～Chen passenger dedicated railway line: Railway tunnel; Engineering geology; Hydrogeology; Design evaluation

中图分类号：U238； U452.1+1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.030

文章编号：1004-2954(2015)05-0133-05

作者简介：孙成智(1979—)，男，工程师，2005年毕业于成都理工大学勘察技术与工程专业，工学学士，E-mail：99192051@qq.com。

收稿日期：2014-12-26； 修回日期：2015-01-05