红岩寺隧道工程地质勘察成果总结

第39卷，第6期公路工程Vo1．39，No．620I4年12月HighwayEngineeringDec．，2014红岩寺隧道工程地质勘察成果总结昌志军，朱冬林(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430052)[摘要】拟建的红岩寺隧道是一座特长公路隧道，构造发育，处于灰岩区，且隧道与暗河基本上处于同一高程，故隧道开挖过程中可能出现突水突泥、塌方等工程事故。在勘察工作中充分分析总结了区域地质及现场地质调查资料、岩溶水文地质调查研究资料、钻孔勘探及试验资料、EH4电磁勘探成果资料及地应力测试资料，形成了工程地质勘察报告。该报告为隧道设计提供了必需的参数；对围护方案提出了建议；对可能突水突泥及塌方的段落做出了预测。【关键词]岩溶区；公路隧道；地质勘察[中图分类号】U451．2【文献标识码】A[文章编号]1674一O6lO(2Ol4)06—0349—06TheSummaryoftheGeologicalSurveyofHongyanTempleTunnelCHANGZhijun，ZHUDonglin(CCCCSecondHighwayConsultantsCo．Ltd，Wuhan，Hubei430052，China)[Abstract]Hongyantempletunnelisasupperlongexpresswaytunnel，whichisinthelimestoneareawithcomplexgeologicalstructuredeveloped．Thetunnelisatthesameelevationwiththeunder-groundriver，SOtheremightbewaterandmudbursting，andcollapseduringtunnelexcavation．Wehaveanalyzedandsummarizedtheregionalgeologyandsiteinvestigationdata，thekarsthydrogeologicalinves-tigationandresearchdata，theboreholeexplorationandtestdata，EH4electromagneticprospectingachievementandgroundstresstestdata，andfinallypreparedthegeologicalsurveyreport．Thisreportprovidesthenecessaryparametersforthetunneldesign，givessuggestionsontheshieldschemesandpre—dictsthesectionswherewaterandmudburstingandcollapsemighthappen．[Keywords]karstarea；expresswaytunnel；geologicalsurvey向和横向布置浅层震探及深层EH4电磁测线，以测1工程概况定隧址围岩弹性纵波速，探测山体有无断层异常带，红岩寺隧道是在建的湖北省保康至宜昌高速公并配合钻孔划分隧道土石及风化带界线。工程地质路襄阳段的一座分离式隧道，根据施工图设计，左线调绘采用1：2000航测地形图为底图，重点对地起讫桩号ZK14+962一ZK21+640，长6678m；右层、岩性、不良地质体和地层分界线展开调查和测线起讫桩号YK14+915一YK21+661，长6746m，绘，并绘制工程地质平面图。属特长隧道，最大埋深约655．6m。进洞口洞门拟2工程地质条件采用端墙式，出洞口洞门拟采用削竹式，单洞净空(宽×高)：10．25×5．0m。2．I地形地貌隧址工程地质详勘采用了工程地质调绘、钻探、隧道区微地貌属构造剥蚀侵蚀中山地貌，海拔地震勘探、EH4电磁法、地应力测试、声波测井、室高程约为540．0—1314．0m，拟建隧道穿越数座山内岩土试验以及利用初勘资料等综合勘察方法。详体，经过区域地表地形整体起伏大，地形陡。但K16勘在隧址区布置9个钻孔，洞口孑L2个，洞身孑L7+300一K19+200段地形相对起伏小，排水不很通个，孔号是SZK43～49及SZK201～202，利用初勘孔畅，发育溶蚀洼地。所跨山体系南北分水岭，地表水CZK104、CZK107—108及CZK363—364。分别从纵往南流入沮河，}[人长江；往北流入桂河，汇入汉江。[收稿日期]2013—11—15[作者简介】昌志军(1975一)，男，湖北仙桃人，工程硕士；主要从事工程地质勘察工作。 350公路工程39卷2．2地层岩性(T。d)灰岩；二叠系龙潭组(P：1)页岩；茅口组(P。m)根据地质调绘及钻孑L等勘察手段得出，隧址区灰岩；栖霞组(Ptq)灰岩；志留系砂帽组(ss)粉砂揭示出三叠系嘉陵江组(T。j)白云质灰岩；大冶组岩；罗惹坪组(S。lr)页岩。岩性特征见表l。表1地层岩性特征表TableILayers’properties2．3地质构造～2km的断裂带组成。断裂切割二叠系、三叠系和2．3．1褶皱白垩系，形成了控制远安地堑的西侧断裂带。该断区内高速公路沿线褶皱构造发育，褶皱轴向主裂呈北西向展布，向北延入后坪尖灭，向南延出区要见有北西向、近东西向展布。与红岩寺隧道密切外，线路区内长约25km，为逆断层，产状60～90。相关的褶皱构造为聚龙山一肖家堰复向斜。该复向／_50—80。。地貌上沿断裂带普遍见由远安地堑所斜区域上由冲子向斜、袁家庄子背斜、响水寺向斜所形成的负地形，断裂沿线断层陡崖和断层三角面发组成，轴线呈近东西一北西西向，核部由三叠系组育。该断裂与红岩寺特长隧道的K15+900～K19+成，两翼地层为二叠系及志留系，该向斜北翼局部呈500段小角度斜交。倒转状。与本隧道基本正交，影响带包括整个隧道，断裂带与复向斜基本正交，造成断层两盘地层核部大概在K15+500一K19+900间。隧道K15一大范围错动，最大错动距离达400余m。受断层及K19处横切复向斜轴部，轴部地层陡立，倾角多在复向斜影响，隧道沿线地层变化频繁，由断裂带派生60。一85。，两翼地层倾角多在30。～50。。出的分支断层常见。隧道岩层进洞口处产状350。2．3．2断裂／_47。；出洞口处产状353~／_36。，洞身段产状变化项目区内断裂构造发育，主体构造规模巨大，多大，且倾角陡。呈北西向和北东向展布，次级断裂亦很发育。与红3岩溶与水文地质条件岩寺隧道密切相关的断裂如下：-①聚龙山一板桥断裂(F1)。①F．断层的岩溶水文地质性质。该断裂呈北西向展布，贯穿全区，西自七里沟经野外调查，F．断层东西两盘发生平移错动，(区外)进于线路区，线路在K10一K12段斜切该断其地层平移距离大于2km。从而使F．断层东西两层，向南东延至南漳县板桥后尖灭。区内长约20余侧的两大岩溶水系统的共同边界南北两侧均为碎屑km，西北段发育于古生代地层内，东南段切割二叠岩(志留系巨厚砂页岩)隔水边界，其隔水性及阻水系、三叠系，显示向北东倾斜的逆断层，产状40～性是不容置疑的。通过详细岩溶水文地质调查，发60。／_50—70。。遥感图像上显示线性负地形，线性现F断层西盘的岩溶泉水均出露在F。断层西侧，构造清楚，形态规则而呈北西向展布的断层三角面如响水瀑泉，石灰洞地下河均出露在F．层西侧。和花边状褶曲极为清楚，具迭瓦状特征。在F断层沿线两侧灰岩接触地段，野外调查发②通城河断裂带(F2)。现F断层附近分布一个洼地(风垭洼地)和D14落该断裂始于后坪，经马良、通城河向南延出区水洞，雨季集水。对其漏水情况进行过观查，认为集外。基本与通城河相伴平行展布，系由一组宽约l水向五道峡方向排泄。 第6期昌志军，等：红岩寺隧道工程地质勘察成果总结35l为进一步研究F断层的隔水性，于2011年128km，地下河出露标高760～820m。月至2011年8月在在F。断层东侧100m附近施工b．石板沟一姚家湖泉子系统。一深孔，孔深435m，孔底标高602m。孔深在姚家湖泉出露于大冶组灰岩含水层，标高220m以上为三叠系大冶组灰岩，岩心采取率为959m，枯水流量5．3L／s，洪水期流量约30L／s左75％，主要发育溶孔、溶隙，未见溶洞，钻子L没发生漏右。石板沟为一干谷，平时无水，降雨后(日降雨水；372～435m为角砾石及糜棱岩带，胶结紧密，岩30mill以上)有表层泉及地表径流排泄。该泉域西芯采取率为75％，钻孔没发生漏水。该钻孔在整个部以F，断层为边界，南部以F，断层及P泥质页岩施工过程中，为清水钻进，终没有发现明显漏水现及泥灰岩为边界(实际为背斜轴部隆起)，北边界为象，保持孔口返水。终孔后经长时间观测，孔内水位志留系隔水层，东边界可能为地表一地下分水岭。稳定在深60～70nl左右，即标高960—970m，高于汇水面积7．5km，该泉出露标高较高，其原因可能F．断层东盘岩溶地下水位130m左右。是浅循环表层岩溶水。上述钻探结果表明，F．断层带尽管发育角砾岩根据此报告，涌水点及出水状态预测见表2。和糜棱岩，但胶结良好，岩溶不发育，特别是断层两表2涌水点及出水状态预测成果表Table2Theforecastofthewaterbursting’Ssectionandstatus侧地下水位高差达130m左右，说明断层具有隔水性及阻水性。因此，隧道设计方案完全布置在F．断层东侧，避开了五道峡岩溶水系统的富水带，对隧道避免大量涌水及保护五道峡环境都有重要意义。②岩溶水系统。本区形成典型的向斜岩溶水系统，通称为聚龙山一肖家堰岩溶水系统。巨厚的志留系碎屑岩构成系统的边界，三叠系一二叠系碳酸盐岩构成岩溶含水层组。从宏观上看这是一个巨型的岩溶水系统，但由于河流的切割和断层的阻隔，使其形成很多亚系统和子系统，对于隧道线路而言，F，断层东西两注：右线参照左线侧形成两个亚系统。F．断层西盘的岩溶地下水亚系统应该以最近4物探成果的五道峡为排泄基准，出露响水瀑泉、鱼钱洞泉(30～大地电磁测深法简称EH4，是通过接收大地天150L／s)、母猪潭流量10—60L／s。其边界条件然电场与天然磁场，通过探测计算其视电阻率的物为：五道峡为排泄边界，南边界为二叠系与志留系的交界面，为隔水边界，东边界为F．断层弱透水边界，探方法。根据接收到信号的频率高低，确定信号源所在深度，频率高则代表信号源近，即离地表较浅，上述区域汇水面积约11．5km，构成一个岩溶地下频率低则代表信号源近，即离地表较深；利用不同介水子系统，即靠近隧道线的响水瀑系统。该子系统质体具有不同导电率与导磁率原理，将地下不同介为隧道线路直接穿越的岩溶水系统，与隧道涌水关系最直接，响水瀑泉枯水流量40L／s左右，洪水期质体的电阻率分布情况反映出来。最大流量约150—200L／s，标高687m。EH4主要解决的地质任务如下：①研究深部构F．断层东侧的岩溶地下水亚系统可能分为2造，探测地壳和上地幔的电性结构；②探测盆地高个子系统。阻基底起伏和埋深，划定盆地范围及其次级构造单a．乌龙洞一青龙洞地下河子系统。元；③探测高阻层(如火成岩、碳酸盐岩、砾岩)覆盖该子系统西侧以Fl断层为界，为弱透水边界，区的下伏构造；④探测潜伏的火成岩体；⑤研究断东侧以深溪河为排泄边界，出露乌龙洞地下河和青裂和推覆构造的展布；⑥调查地热资源，研究与地龙洞地下河，枯水总排泄量为80L／s左右，洪水期热资源有关的岩浆活动。约1000L／s左右，其北边界为F，断层与二叠系龙沿隧道纵轴线布置了2条EH4纵线，沿调查区潭组一大隆组(P，l—d)的碎屑岩地层组成的陡峭的域断层带布置了2条横线。根据EH4高频大地电隔水边界，南边界为志留系碎屑岩地层，汇水面积磁勘探二维反演剖面来看，隧道电性判识主要情况 352公路工程39卷如下：工程性质较好，开挖自稳性能较好；①YK14+700一YK15+700段，围岩主要为强第⑦层，泥晶灰岩：深灰～灰黑色，厚层状，锤击一中风化志留纪砂页岩，电阻率较低，隧道进口段，声较脆，岩质较坚硬。工程性质较好，开挖自稳性能围岩岩体破碎，自稳能力差，侧壁和拱部易发生较大较好；的坍塌，应加强支护。第⑧层，粉砂岩：局部分布，粉砂质结构，岩质较②YK15+700一YK16+050段，围岩主要为强软，工程性质一般，开挖自稳性能一般；一中风化志留纪砂页岩，电阻率很低，岩体破碎。在第⑨层，页岩：灰一灰褐色，隧道两端分布，薄层洞身该段存在倾向小里程的低阻条带状异常，推断状构造，岩质软，岩体受构造影响破碎，倾角相对比为Fl断层构造异常反应，断层附近隧道围岩破碎，较缓，工程性质较差，开挖自稳性能较差。对工程有较大影响。根据钻探、地表调绘、工程物探成果，本隧道围③YK16+050一YK19+200段，围岩为二叠纪岩按定性与定量相结合的方法分段评价，分级采用一三叠纪灰岩，总体电阻率较高，围岩坚硬，岩体较现行《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)第3．6．完整；局部电阻率较低，可能围岩完整性较差，岩溶3—3．6．5条规定的围岩质量指标BQ值判别法。发育，详情见断面。靠近断层F2附近隧道围岩破6隧道开挖岩爆预测碎，对工程有较大影响。④YK19+200一YK19+900段，围岩为志留纪本隧道选择CZK364孔进行了地应力测试，测砂页岩，电阻率很低，岩体破碎。在洞身该段存在倾试孑L深435nl。测试数据见表3。向小里程的低阻条带状异常，推断为F2断层构造异①测试区域内最大水平主应力量值范围在2．8常反应，断层附近隧道围岩破碎，对工程有较大影—12．0MPa之间，最小水平主应力在2．1—8．8MPa响。之间，按岩石容重27．0kN／m计算，最大水平主应⑤YK19+900一YK21+700段，围岩为志留纪力测压系数(A=or／o-，)在O．8—1．7MPa之间。砂页岩，电阻率相对较低。在DK20+250一DK20+②图1为钻孔CZK364的实测最大、最小水平500、DK20+875一DK21+000两段存在低阻异常，主应力及自重应力随深度变化关系曲线。测试孔应推断隧道围岩破碎，对工程有较大影响。隧道出口力随深度变化关系曲线表明：应力量值基本上随深段，围岩岩体破碎，自稳能力差，应加强支护。度的增加而增加，深部岩体应力呈现or>or>^的特征，说明测试区域应力场以水平应为为主导。5岩土体工程地质特征及围岩等级划分最大水平主应力测压系数在浅部岩体相对较大，主第①层，覆盖层：洞口分布，系残坡积，母岩为页要是由于测试孔浅部受地形地貌的影响较大。岩，充填粘性土、角砾等，工程地质性质差，开挖需超③CZK364钻孔测试结果进行线性回归分析，前锚固；其最大、最小水平主应力与深度的关系式如下：第②层，白云质灰岩：灰色，中厚层状，锤击声较or日=0．0246H+0．96R=0．88，脆，岩质较坚硬。钻孔未见，仅地调见，倾角比较陡，^=0．0189H+0．69R=O．95。工程性质较好，开挖自稳性能较好；CZK364钻孔最大水平主应力方位为N14。E—第③层，灰岩：浅灰、肉红色，薄层状构造，夹中N27。E之间。厚层，岩质较坚硬，总体溶蚀发育。倾角大，工程地④根据地应力测试结果，最大水平主应力方向质性质较好，开挖自稳性能较好；与隧道轴线方向(约N10。W向)的夹角较小(约第④层，糜棱岩：成分为灰岩，岩体受构造影响、32。)，对隧道围岩的稳定性相对有利。挤压。岩质软，锤击易沿裂隙面断开，风干易散，工⑤本次岩爆分析从地应力角度着手，采用强度程性质较差；理论中普遍应用的Russenes判别法和Turchaninov第⑤层，页岩：局部分布，灰色，薄层状，岩质软。判别法进行定性或定量的综合评价。针对可能发生钻孔未见，仅地调见，倾角比较陡，工程性质较差，开岩爆的完整硬质脆性围岩，参考试验结果，取单轴饱挖自稳性能一般；和抗压强度Rc=50MPa。隧道施工开挖期岩爆预第⑥层，灰岩：深灰一浅灰色，厚层状，锤击声较测评价结果如表4所示。脆，岩质较坚硬。钻孔未见，仅地调见，倾角比较陡， 第6期昌志军，等：红岩寺隧道工程地质勘察成果总结353注：测试时地下水位约为35nl260m以上，可能发生中等岩爆。但因最大水平主应力，MPaO48l2l620应力方向与隧道轴线方向(约N10。W向)的夹角较小(约32。)，对隧道围岩的稳定性相对有利。7隧道进、出口工程地质评价15O7．1隧道进洞口工程地质评价进洞口洞门拟采用端墙式，其仰坡坡向358。，魁250聪开挖坡面为页岩，该类岩层具遇水软化、结构破拆等性质。出露岩体裂隙发育。岩层产状350。L47。，节理1产状85。60。，节理2产状230。77。，裂隙充填少量泥质，闭合性较差。仰坡开挖坡向和岩层倾向组合关系为顺层，仰坡开挖可能扰动失稳。仰坡开挖建议坡率1：1，防护措施宜采取挡墙+框架图1最大(小)水平主应力与孔深的关系曲线锚索+排水防护。进洞口右侧边坡开挖坡向88。，FigurelTherelationshipcurvebetweenhorizontalprimarystressandholedepth．节理1与其呈顺层关系，但节理倾角大，只需放缓坡率并采取坡面防护措施即可。右侧边坡开挖建议坡表4岩爆判别表(单轴饱和抗压强度取为50MPa)Table4Thejudgetableofrockoutburst率l：1．25，宜采取挡墙+坡面防护+排水防护。7．2隧道出洞口工程地质评价出洞口洞门拟采用端墙式，其仰坡坡向175。，开挖坡面岩性为页岩，该类岩层具遇水软化、结构破坏等性质。出露岩体裂隙发育。岩层产状353。／_36。，节理l产状285。88。，节理2产状214。L63。，裂隙充填少量泥质，闭合性较差。仰坡开挖坡向和岩层倾向组合关系为逆层，出洞口仰坡开挖综合以上结果，对于硬质脆性岩类地段的围岩，基本稳定，但由于节理倾角较大，需注意坡面防护。在隧道埋深小于175m时，施工期不会发生岩爆，埋建议仰坡开挖坡率为1：1，防护措施采取挡墙+坡深在175～260m范围，有可能发生弱岩爆，埋深在面防护+排水防护。出洞口左右侧边坡开挖深度较 354公路工程39卷浅，做常规坡面防护+排水即可。最大降水量)降水入渗法：Q=0×F×P／T8隧道洞身工程地质评价式中：n为降水入渗系数，系汇入率及入渗率的乘8．1围岩分段及评价积，根据地层情况取值；F为计算块段面积，km，从围岩分段主要依据地调成果、钻孔资料及岩石平面图中按汇水面积量取；P为多年日最大降水量，试验资料，参考地形地貌及物探成果资料，物探手段mm，本区取100mm；T为疏干天数，d。主要包括震探、声波测井及EH4电磁测量。本隧道隧址区内地表排水条件总体较好，但KI6+300方案划分33个围岩段，围岩级别Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V级。～K19+200段排水不是很通畅，且灰岩系非隔水地需要说明的是，以上评价基于现有的勘察资料，层，地表水发育，地下水局部发育，主要接受大气降隧道勘察由于受限于多因素，无法完全准确的评价雨沿岩层裂隙的补给。通过计算可知，由于上表计围岩情况，施工中应根据实际情况调整支护参数、支算的涌水量是该段的平均值，仅用于计算整体涌水护方案或掘进方案。量，由于裂隙分布的不均匀性，各小段围岩涌水量分8．2其它地质问题布也不均匀。进出口段由于节理裂隙发育，当遇强①勘察区二叠系栖霞组(P。q)底部炭质灰岩含降雨时，呈淋雨状可能性较大。薄层煤层；此外二叠纪龙潭组(P1)下部炭山湾段为1O结论页岩和炭质页岩夹煤线或薄煤层，厚度<5m或尖灭。隧址区存在小煤窑，但含碳量低，基本不具备商①隧址区域地层在自然状态下稳定；局部岩溶业开采价值，已被废弃。隧道开挖通过该地段时，为发育；且隧址区部分地层存在小煤窑，可能出现瓦斯防止瓦斯溢出引发安全事故，施工方应制定相关预溢出。此外未见其它影响隧道施工及运营安全的不案并采取相应防护措施。良地质现象。②三叠纪嘉陵江组(T，j)为灰色中一厚层白云②由于隧道构造发育，裂隙较多，加上地表汇岩夹微晶灰岩、膏溶角砾岩，尽管地调及钻孔中未见水作用，导致灰岩区局部岩溶发育。故本隧道安排膏溶角砾岩，但施工中可能揭示到。一旦揭示出膏了水文专题，对隧道区域进行大范围调查，结合钻孔溶角砾岩，需注意含石膏地层的地下水对混凝土的资料，评估隧道施工水风险级别及出现段落。侵蚀性。③进洞口仰坡开挖坡向和岩层倾向组合关系③由于构造发育强度大，围岩中页岩工程性质为顺层，仰坡开挖可能扰动失稳。其它边坡开挖比又相对较差，岩体中可能存在较多裂隙。裂隙带中较稳定。可能产生小股裂隙水及滴渗透水，尽管涌水量不大，④本隧道部分段落埋藏较深，地应力较大，开但对硐体稳定有影响，特别是隧道开挖后，长期暴露挖注意较硬岩的岩爆现象，软岩注意蠕动变形现象。不完成二衬，可能发生顶板岩体失稳，掉块塌方，破⑤隧址区地下水发育，施工建设可能对自然环坏初期支护。建议页岩段开挖后及时完成二衬，确境有影响。保施工安全。[参考文献]9隧道涌水量预测[1]湖北省地质矿产局．湖北省区域地质志[M]．北京：地质出版隧道涌水量预测极端复杂，是目前人们难以解社。1990[2]傅良魁．应用地球物理教程[M]．北京：地质出版社，1991．决的课题，预测方法和公式较多，常用的方法有地下[3]徐成进．隧道底部溶洞的处理及溶洞对隧道围岩稳定性影响水动力学法(如裘布依公式、柯斯嘉科夫公式等)，的研究[J]．公路工程，2011(1)：102—106．地下水均衡法(地下径流模数，大气降水渗入系数[4]黄仁东．基于熵权法和可拓学理论的隧道围岩质量评价[J]．法等)。本隧道系特长隧道，部分段落地表水排泄公路工程，2012(1)：139—143．条件差，岩溶发育，主要接受大气降雨沿岩层裂隙的[5]梅金华．复杂地质条件隧道坍塌原因分析及处治技术[J]．公补给。勘察中未进行钻孑L抽水试验。根据有关文献路工程，2011，(1)：97—101．【6]杜旒超．湖北省保康至宜昌商速公路襄阳段红岩寺隧道、尚家和工程经验，结合本区地层，地形地貌和地质构造条湾隧道岩溶水文地质专题研究报告[R]．桂林：中国地质科学件，本隧道涌水量预测采用降水渗入法。院岩溶地质研究所，2011．本次涌水量估算方法采取极限状态下(多年日