川陕界—达州高速公路金竹山隧道工程地质分析.pdf

2011年第3期西南公路XINANGONGLU川陕界—达州高速公路金竹山隧道工程地质分析王军谢盛嘉程强（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院成都610041）【摘要】万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路金竹山隧道，隧址区位于两大构造体系的复合部位，地质构造复杂，工程地质条件同样相当复杂，涉及岩溶及岩溶突水、煤层与瓦斯、断层破碎等主要工程地质问题，通过总结该隧道勘察过程中的经验与不足，对今后在此类复杂地质条件下的长大隧道工程地质的勘察工作具有借鉴作用，对设计提供真实、可靠的地质依据。【关键词】金竹山隧道；工程地质条件；工程地质问题；综合勘察+【中图分类号】U452.11【文献标识码】B0引言330m，隧址区地层岩性自三叠系中统巴东组～侏罗系下统白田坝组地层均有出露，地形地貌主要受地万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路是层岩性和地质构造控制，沟谷纵横且深切，地形陡西部大通道包头至北海公路的重要组成部分，是连峻，峰峦起伏，区内植被茂密（见图1）。接我国西北与西南地区的重要干线。路线起于陕西境内的巴山乡两岔河河口，穿大巴山隧道进入四川境，经万源市、宣汉县，止于达州市徐家坝，接已通车的达渝高速公路。路线总体走向呈北东至南西向，全长146km。金竹山隧道位于万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路K64km附近，全长2.63km，隧址区穿越三叠系中统～侏罗系下统的多套地层，并处于北东与北西向构造的复合部位，地质构造强烈，工程地质条件、水文地质条件复杂，涉及岩溶及岩溶突图1金竹山隧道地貌水、煤层与瓦斯、断层破碎带等主要工程地质问1.2地质构造特征题，工程地质勘察难度极大。本文从工程地质综合区域上测区处于扬子准地台北东缘，与秦岭地勘察的角度入手，对隧址区工程地质条件及主要工槽褶皱带为近邻，自南西而北东跨越四川台坳与龙程地质问题进行了详尽的论述，以期为此类复杂地门山——大巴山台缘坳陷两个二级构造单元及川中质条件下的长大隧道工程地质的勘察工作提供些许台拱、川北台陷川东陷褶束、大巴山陷褶束等三级参考。构造单元。多时期不同方向的构造活动，形成了测区内活动期不尽相同而以北西向及北北东向构造为1隧址区工程地质条件概述主体的众多地质构造。1.1地形地貌金竹山隧道位于NW向构造南西侧的固军坝复背金竹山隧道位于四川省宣汉县新华镇和万源市斜北西倾伏端，NE向构造黄金口背斜于隧道进口段铁矿乡交界地段，为越岭隧道。隧址区为呈北西～与固军坝背斜呈大角度相接，并与NW向构造复合、南东向展布的构造溶蚀、剥蚀低中山地形，地貌最叠加，构造迹线转为NNE，形成较为复杂的构造地高点为金竹，海拔标高1060.30m，隧道最大埋深带，其上横跨了一组次级背、向斜，沿轴部发育了12 2011年第3期西南公路XINANGONGLU王军，谢盛嘉，程强：川陕界～达州高速公路金竹山隧道工程地质分析一条次级断裂（F1）（见图2）。2隧道勘察关键地质问题及分析川陕界—达州高速公路金竹山隧道工程地质分析2.1地质构造与地层问题金竹山隧道轴线地处NW向构造固军坝复背斜与NE向构造黄金口背斜两大构造体系的复合部位，受王军谢盛嘉程强两大构造体系的影响，在隧址区形成了一系列次级（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院成都610041）构造体系，地质构造及地层问题相当复杂。同时，【摘要】万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路金竹山隧道，隧址区位于两大构造体系的复合隧址区构造及地层方面的专门研究相对较少，这也部位，地质构造复杂，工程地质条件同样相当复杂，涉及岩溶及岩溶突水、煤层与瓦斯、断层破碎等主要为本隧道的地层及构造研究带来了极大的困难。工程地质问题，通过总结该隧道勘察过程中的经验与不足，对今后在此类复杂地质条件下的长大隧道工程首先，在地层研究的基础上，对区域的构造体地质的勘察工作具有借鉴作用，对设计提供真实、可靠的地质依据。系进行现场的确认，追索其构造形迹的空间展布；图2隧址区构造纲要简图【关键词】金竹山隧道；工程地质条件；工程地质问题；综合勘察+其次，对于隧道附近的次级构造进行横向多点穿越【中图分类号】U452.11【文献标识码】B1.3水文地质条件和纵向的逐条追索；最后，对这些次级构造与区域场地位于中河和其一级支流泥溪河间的分水岭构造进行综合分析，进而建立并逐步完善隧道区地地块内，属中河水文单元，根据地形地貌和地质构质构造框架。造及地层岩性的控水作用，以及地下水的补给、径0引言330m，隧址区地层岩性自三叠系中统巴东组～侏罗历时六个多月的野外调绘，完成各种比例尺调流、排泄特征，隧址区大致划分为如下三个次级水系下统白田坝组地层均有出露，地形地貌主要受地2绘合计约25km，实测地层剖面约3500m；物探工作万源（陕川界）至达州（徐家坝）高速公路是文地质单元，分别为稻子河次级水文地质单元、侯层岩性和地质构造控制，沟谷纵横且深切，地形陡采用高密度电法完成测线2850m，其成果图如图4所西部大通道包头至北海公路的重要组成部分，是连家沟次级水文地质单元及宗厂沟次级水文地质单元峻，峰峦起伏，区内植被茂密（见图1）。示。工程地质钻探在物探及地质调绘的基础上布接我国西北与西南地区的重要干线。路线起于陕西（见图3）。场地地下水类型主要有松散层孔隙水、设，对重点构造部位、煤层等进行专门钻探，完成境内的巴山乡两岔河河口，穿大巴山隧道进入四川基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水三个大类。河溪泥钻探10余孔，共计1000余米。基本确定了金竹山隧境，经万源市、宣汉县，止于达州市徐家坝，接已河道区的构造框架——NW向构造固军坝复背斜与NE向通车的达渝高速公路。路线总体走向呈北东至南西夏子家沟大垭构造黄金口背斜两大构造体系的复合部位，受两大向，全长146km。泥溪河店子亲沟河田沟构造体系的影响，在隧址区形成了一系列次级构造沟厂烂金竹山隧道位于万源（陕川界）至达州（徐家子1050梨树垭铁矿格乡金竹山沟厂亲侯子元单级次沟侯河体系，其中包括梧桐坪背斜（位于固军坝复背斜SE坝）高速公路K64km附近，全长2.63km，隧址区穿越亲厂家次沟(泥溪沟家级河)单次元侧）、付家湾向斜（发育于梧桐坪背斜与固军坝复沟三叠系中统～侏罗系下统的多套地层，并处于北东级沟大单路元背斜间，为与梧桐坪背斜平行展布的同一组次级褶与北西向构造的复合部位，地质构造强烈，工程地河皱），以及发育于场地内的6条断层，均表现为压扭质条件、水文地质条件复杂，涉及岩溶及岩溶突图1金竹山隧道地貌中图3金竹山隧道水系及水文地质单元划分图性的逆冲断裂构造（见图5）。水、煤层与瓦斯、断层破碎带等主要工程地质问1.2地质构造特征题，工程地质勘察难度极大。本文从工程地质综合区域上测区处于扬子准地台北东缘，与秦岭地勘察的角度入手，对隧址区工程地质条件及主要工槽褶皱带为近邻，自南西而北东跨越四川台坳与龙程地质问题进行了详尽的论述，以期为此类复杂地门山——大巴山台缘坳陷两个二级构造单元及川中质条件下的长大隧道工程地质的勘察工作提供些许台拱、川北台陷川东陷褶束、大巴山陷褶束等三级参考。构造单元。多时期不同方向的构造活动，形成了测区内活动期不尽相同而以北西向及北北东向构造为图4金竹山隧道构造物探成果图1隧址区工程地质条件概述主体的众多地质构造。2.2水文地质结构特征及水患分析有弱透水或相对隔水的泥、页岩类影响，使该类地1.1地形地貌金竹山隧道位于NW向构造南西侧的固军坝复背（1）水文地质结构特征：金竹山隧道水文地质下水具有层间性。此类地下水含水层水量受构造部金竹山隧道位于四川省宣汉县新华镇和万源市斜北西倾伏端，NE向构造黄金口背斜于隧道进口段结构特征主要受地层岩性控制，对于基岩孔隙、裂位、岩性特征、露头高程、溪沟切割制约而不同。铁矿乡交界地段，为越岭隧道。隧址区为呈北西～与固军坝背斜呈大角度相接，并与NW向构造复合、隙水，其主要赋存于须家河组（T）、白田坝组其中须家河组一、三、五段和白田坝组以薄～中层3xj南东向展布的构造溶蚀、剥蚀低中山地形，地貌最叠加，构造迹线转为NNE，形成较为复杂的构造地（J）的砂岩、粉砂岩的孔隙、裂隙中，因岩层产状状泥、页岩等软质岩类为主，透水性差，地下水较1b高点为金竹，海拔标高1060.30m，隧道最大埋深带，其上横跨了一组次级背、向斜，沿轴部发育了自金竹山至出口段多呈单斜形态，受各组地层中夹贫乏；须家河组二、四段以厚层状的砂岩为主，地1213 西南公路F11、20°T2b巴东组T3xj须家河组上、下亚段J1b白田坝组河流地层分界线背斜向斜逆断层及编号图5金竹山隧道构造纲要图下水较丰富。对于岩溶水，其中巴东组一、三段岩水涌出。性以灰岩、含泥灰岩为主，夹泥灰岩，地下水主要断层破碎带集中涌水。隧址区地质构造复杂，赋存于溶洞、溶隙、溶孔中，其水文地质结构主要断裂构造发育，隧道通过F2～F6等断层，并且可能还受岩溶发育形态和发育强度控制；巴东组二段有一些次级断层，断层带形成密集节理含水带和导水（T2）因该地层中的灰岩、泥灰岩多呈薄层状夹于带，施工开挖揭示可能有集中涌水，并且由于岩体破2b页岩、泥岩中，地表岩溶呈埂状，地下岩溶以溶碎，容易产生较大规模的塌方。以隧道左线为例，对孔、溶隙为主，发育差，地下水贫乏，其水文地质隧道水患灾害作出分段预测评价如表1所示。表1金竹山隧道集中涌水灾害分段分析评价表结构主要受控于浅表层的风化裂隙和断裂构造的影响。围岩段落主要集中涌水灾害类型重点防范的段落位置备注进口～主要为断层破碎带集中涌F2断层附近2（2）隧道集中涌水灾害类型及水患分析：岩溶T2b泥页岩LK63+067水，容易产生大的塌方为主段管道集中涌水。隧址区巴东组地层岩溶中等发育，LK63+067～可溶岩岩溶管道集中涌侯家沟浅埋段、可溶岩1地层中有小型岩溶管道，且隧道通过位置为水平循T2b灰岩，LK63+660段水，并可能伴有泥质物和非可溶岩界面附近，顶部角砾质涌出同时灰岩段应加强超前岩段环带，因此在可溶岩段掘进过程中若遇到小型岩溶地质预报2管道，则可能遇到集中涌水灾害，并可能伴有管道LK63+660～小型溶蚀孔洞，危险性T2b泥页岩LK63+855段不高为主段中泥质物质涌出，应重点防范。岩溶管道集中涌水3LK63+855～可溶岩岩溶管道集中涌可溶岩和非可溶岩界面T2b灰岩、最危险段落为可溶岩与非可溶岩界面附近和侯家沟LK64+160段水，并可能伴有泥质物附近，同时灰岩段应加泥灰岩段质涌出强超前地质预报浅埋段。LK64+160～砂砾岩含水带和泥页岩泥页岩与砂砾岩接触带T3xj砂砾岩类裂隙带集中涌水。隧址区碎屑岩段为LK64+720段隔水带界面附近的集中附近；F4断层带附近涌水，并且泥页岩容易砂砾岩含水带和泥页岩隔水带互层结构，且深部砂产生较大规模的塌方岩裂隙水往往具有承压性，因此揭穿泥页岩和砂岩泥页岩与砂砾岩接触带T3xj、J1bLK64+720～同上附近；出口界面，可能遇到一定规模的集中涌水灾害，并且软断层破碎带；倒转背斜轴部附近弱泥页岩易于发生规模较大的塌方，应重点防范。砂岩中也存在裂隙发育含水带，开挖后可能有股状2.3煤层采空与瓦斯问题分析14 西南公路王军，谢盛嘉，程强：川陕界～达州高速公路金竹山隧道工程地质分析（1）煤层采空与瓦斯特征：金竹山隧道含煤地在隧址区工程地质调绘的基础上对隧道附近范层为侏罗系白田坝组和三叠系须家河组，其中J2、围内的所有生产煤、铁矿井、废弃老窑进行了全面1bT5、T3、T1段为含煤段，区内含煤地层属区域性的煤层与瓦斯专项调查；3xj3xj3xj含煤较差的地区，含煤层数少，厚度小，厚度变化结合调绘及物探成果，对煤系地层的重点部位大，属不稳定煤层，但隧址区洞身段有多个老窑，布设钻探，当揭露到勘察范围内的相关煤层时，采其分布高程不等，均沿地表露头平硐掘进，存在小取孔内原状煤样，进行瓦斯现场解析和室内解析，范围的采空现象，但开采深度和高度均不大。金竹山进而评定瓦斯等级和瓦斯含量。隧道煤层瓦斯气体主要以吸附状态和游离状态赋存于综合分析，对所有资料进行综合分析研究，确定煤层、炭质泥岩和围岩裂、孔隙中。其局部构造挤压隧道瓦斯等级及预测瓦斯工段，并建议预防措施。破碎带，次级小背斜顶部等均有局部瓦斯聚集的条（3）隧道瓦斯预测评价：经综合研究，评价金件，故瓦斯问题不容忽视。竹山隧道为低瓦斯隧道，隧道各含煤段地段为低瓦（2）勘察解决方法：煤层瓦斯问题作为金竹山斯工区，其余地段为不含瓦斯段。最终利用隧道隧道工程地质勘察的重点之一，为确保勘察质量，左、右线纵断面图，结合围岩级别划分段落，将隧对煤层瓦斯进行了专题研究，具体研究内容如下：道含瓦斯段（以左线为例）预测及防治措施建议见收集隧道区外围有关煤矿矿区资料、开采煤层表2。近年相关测试资料及瓦斯等级鉴定资料；F11、20°T2b巴东组T3xj须家河组上、下亚段J1b白田坝组河流地层分界线背斜向斜逆断层及编号表2金竹山隧道瓦斯分段预测表图5金竹山隧道构造纲要图里程桩号含瓦斯预测及预防建议下水较丰富。对于岩溶水，其中巴东组一、三段岩水涌出。左泥岩、粉砂岩，夹炭质泥岩及煤线。含瓦斯等有害气体，属低瓦斯工区段。需加强通风，及时支护防坍塌防瓦斯集聚，建议工LK64+142～LK64+167作面采用防爆电气设备。性以灰岩、含泥灰岩为主，夹泥灰岩，地下水主要断层破碎带集中涌水。隧址区地质构造复杂，洞赋存于溶洞、溶隙、溶孔中，其水文地质结构主要断裂构造发育，隧道通过F2～F6等断层，并且可能还LK64+167～LK64+590以厚层状中粒砂岩为主，夹细砂岩及粉砂岩，偶夹泥岩及煤线。有时夹不稳定煤透镜体，局部含瓦斯等有害气体。需加强通风。泥岩、粉砂岩，夹炭质泥岩及煤线。含瓦斯等有害气体，属低瓦斯工区段。需加强通风，及时支护防坍塌防瓦斯集聚，建受岩溶发育形态和发育强度控制；巴东组二段有一些次级断层，断层带形成密集节理含水带和导水LK64+590～LK64+626议工作面采用防爆电气设备。（T2）因该地层中的灰岩、泥灰岩多呈薄层状夹于带，施工开挖揭示可能有集中涌水，并且由于岩体破2b为F4断层带，岩石破碎，节理裂隙发育，由于断层导通了含煤地层段，构造裂隙中可能有瓦斯逸出或涌出,属低瓦斯工区段。LK64+662～LK64+692需加强通风，及时支护防坍塌防瓦斯集聚，建议工作面采用防爆电气设备。页岩、泥岩中，地表岩溶呈埂状，地下岩溶以溶碎，容易产生较大规模的塌方。以隧道左线为例，对左LK64+692～LK65+013以厚层状中粒砂岩为主，夹细砂岩及粉砂岩，偶夹泥岩及煤线。有时夹不稳定煤透镜体，局部含瓦斯等有害气体。需加强通风。孔、溶隙为主，发育差，地下水贫乏，其水文地质隧道水患灾害作出分段预测评价如表1所示。含煤地层段，为泥岩、泥质砂岩，粉砂岩呈不等厚互层，夹炭质泥岩及煤线。含瓦斯等有害气体,属低瓦斯工区段。需加表1金竹山隧道集中涌水灾害分段分析评价表LK65+013～LK65+048结构主要受控于浅表层的风化裂隙和断裂构造的影洞强通风，及时支护防坍塌防瓦斯集聚，建议工作面采用防爆电气设备。响。围岩段落主要集中涌水灾害类型重点防范的段落位置备注LK65+160～LK65+218含煤地层段，为泥岩、泥质砂岩，粉砂岩呈不等厚互层，夹炭质泥岩及薄煤（<0.40m）。含瓦斯等有害气体,属低瓦斯工区段。需加强通风，及时支护防坍塌防瓦斯集聚，建议工作面采用防爆。进口～主要为断层破碎带集中涌F2断层附近2（2）隧道集中涌水灾害类型及水患分析：岩溶T2b泥页岩LK63+067水，容易产生大的塌方为主段白田坝组含煤地层段，为泥岩、泥质砂岩，粉砂岩呈不等厚互层，夹炭质泥岩及薄煤（<0.40m）。受构造影响严重，其间有两管道集中涌水。隧址区巴东组地层岩溶中等发育，LK65+240～LK65+360条逆断层从该段通过，岩层产状变化大，岩体破碎，含瓦斯等有害气体,属低瓦斯工区段。局部破碎带瓦斯可能涌出或聚集，为LK63+067～可溶岩岩溶管道集中涌侯家沟浅埋段、可溶岩1瓦斯重点防护段。需加强通风，及时支护防坍塌防瓦斯集聚，建议工作面采用防爆电气设备。地层中有小型岩溶管道，且隧道通过位置为水平循T2b灰岩，LK63+660段水，并可能伴有泥质物和非可溶岩界面附近，顶部角砾质涌出同时灰岩段应加强超前岩段环带，因此在可溶岩段掘进过程中若遇到小型岩溶地质预报3施工开挖情况2管道，则可能遇到集中涌水灾害，并可能伴有管道LK63+660～小型溶蚀孔洞，危险性T2b泥页岩LK63+855段不高为主段中泥质物质涌出，应重点防范。岩溶管道集中涌水LK63+855～可溶岩岩溶管道集中涌可溶岩和非可溶岩界面T3灰岩、最危险段落为可溶岩与非可溶岩界面附近和侯家沟2bLK64+160段水，并可能伴有泥质物附近，同时灰岩段应加泥灰岩段质涌出强超前地质预报浅埋段。LK64+160～砂砾岩含水带和泥页岩泥页岩与砂砾岩接触带T3xj砂砾岩类裂隙带集中涌水。隧址区碎屑岩段为LK64+720段隔水带界面附近的集中附近；F4断层带附近涌水，并且泥页岩容易砂砾岩含水带和泥页岩隔水带互层结构，且深部砂产生较大规模的塌方岩裂隙水往往具有承压性，因此揭穿泥页岩和砂岩泥页岩与砂砾岩接触带T3xj、J1bLK64+720～同上附近；出口界面，可能遇到一定规模的集中涌水灾害，并且软断层破碎带；倒转背斜轴部附近弱泥页岩易于发生规模较大的塌方，应重点防范。砂岩中也存在裂隙发育含水带，开挖后可能有股状2.3煤层采空与瓦斯问题分析1415 西南公路破碎带集中涌水是其水患的主要表现形式。（3）金竹山隧道煤层采空区对隧道无影响，隧道属低瓦斯隧道，相关瓦斯工段应采用相应的防范措施及实时监测，确保施工安全。（4）对于复杂地质条件下长大隧道勘察，综合工程地质勘察手段的运用显得极为重要，必须作到多种勘察手段互相验证，才能起到良好的勘察效果，达到勘察目的。（5）通过施工过程中的验证，在地质构造复杂背景下的隧道勘察不但需要综合的工程地质勘察手段，施工过程中的动态施工、动态设计亦是必不可少的条件。参考文献[1]四川省交通厅公路规划勘察设计研究院.万源(陕川界)～达州(徐家坝)高速公路施工图设计金竹山隧道工程地质勘察报告[R].2007.11[2]李广诚.浅论工程地质问题决策与方法[M].北京:地震出版社.2001.4～5[3]汪春桃等.宁杭高速公路工程地质条件综述[J].公路:2005.3:46～5516