【正文】 山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 1 第一章 緒論 工程概述及工程與水文地質(zhì)特征 工程概述 圓梁山深埋特長隧道是渝懷線的關(guān)鍵性控制工程 ， 隧道全長 11068m。隧道進口位于細(xì)砂車站懷化端，車站伸入隧道 949m，出口緊鄰炭廠河一號大橋。隧道地處渝、鄂、黔三省市毗連地區(qū)，為川東褶皺山地與鄂西山地、貴州高原的接觸帶，屬中、低山地形。主要發(fā)育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂、向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育較多橫張斷裂。地貌形態(tài)明顯受構(gòu)造和巖性控制，具帶狀展布特征，以褶皺構(gòu)造為骨架，形成北北東向山脈和縱向河谷相間。隧道穿越烏江水系與沅江水系的分水嶺 —— 武陵山脈。地形條件十分困難，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，該隧道被稱為國內(nèi)隧道設(shè)計、施工禁區(qū)。該工程主要工程地質(zhì)問題有：巖溶涌（突）水、高水壓、高應(yīng)力及煤層瓦斯，其中巖溶、高壓富水地質(zhì)是最為關(guān)鍵的問題。 [1] 水文、氣象特征 本區(qū)水系基本呈格子狀水系，主河流大多沿北北東向發(fā)育。背、向斜中的可溶巖地塊中多為各自封閉的巖溶洼地，難以形成較大的地表徑流。本區(qū)河流除細(xì)紗河屬于烏江水系外，其余均屬沅江水系，兩者分水嶺位于毛壩向斜西翼標(biāo)高 1350m 以上的長條形山地。本區(qū)氣候溫和，具有春雨、夏旱、秋綿、冬干的特點，多年平 均氣溫 ℃，最高溫度 ℃，最低氣溫 ℃。多年平均降水量 ，且分布不均勻，主要集中在 8 四個月，占年降雨量的 %，各月降雨量、氣候的垂直分帶較明顯，隨海拔高度的增加年平均氣溫降低、雨量增加。 地層巖性 本區(qū)廣泛分布巨厚層的海相地層，出露最老的地層為桐麻嶺背斜軸部的寒武系中統(tǒng)高臺組，最新為毛壩向斜部的三疊系下統(tǒng)嘉陵江組，中間缺失整個石炭系、志留系中、上統(tǒng)和泥盆系中、下統(tǒng)。本區(qū)出露地層由新至老分述如下。工程地質(zhì)狀況如圖 1所示。 （ 1）三疊系（ T） ①嘉陵江 組（ T1j）：灰色薄層至中厚層狀泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r，未見頂，與下伏地層整合接觸。屬 V 級次堅石。 ②大冶組（ T1d）：厚 378m，按其巖性可分為三段。大冶組一段（ T1d1）：灰綠色薄層山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 2 狀泥巖夾泥灰?guī)r，底部的黃綠色水云母粘土巖與下伏地層分界，整合接觸，厚 17m，屬Ⅳ級軟石。該段在走向上分布不穩(wěn)定，在向斜東翼杉木坳至茨竹壩變薄至尖滅。二段（ T1d2）：上部為淺灰色厚層狀鮞?；?guī)r及生物碎屑灰?guī)r，厚 326m，屬 V級次堅石。三段（ T1d3）：紫紅色薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r及灰?guī)r，厚 34m，屬Ⅳ級軟石。 （ 2）二疊系（ P） ①長興組（ P2c）：灰、深灰色中至厚層狀燧石結(jié)核灰?guī)r，局部地段成為白云巖化的生物灰?guī)r，厚 52m，與下伏地層呈整合接觸，屬 V 級次堅石。 ②吳家坪組（ P2w）：上部為深灰、灰黑色薄至中厚層狀灰?guī)r與硅質(zhì)灰?guī)r不等厚互層；中、下部為厚 5～ 10m 灰黑色薄層含炭泥巖及煤層（厚 ～ ）、鋁土質(zhì)泥巖，含較多黃鐵礦結(jié)核，底界面凹凸不平，厚 84m，與下伏地層呈假整合接觸，屬Ⅳ級軟石～Ⅴ級次堅石。 ③茅口組（ P1m）：淺灰、灰色厚層狀灰?guī)r，含少量燧石結(jié)核，下部為灰黑色中厚層狀瀝青質(zhì)灰?guī)r，含透鏡狀有機質(zhì)泥巖及燧石結(jié)核 ，俗稱“眼球狀灰?guī)r”，厚 249m，與下伏地層呈整合接觸，屬 V級次堅石。 ④棲霞、梁山組（ P1l+q）：灰、深灰色中厚層狀灰?guī)r與灰黑色瀝青質(zhì)泥巖，厚 183m，屬 V 級次堅石。底部梁山組厚 ， （ 3）三疊系（ D） 本區(qū)內(nèi)殘留上統(tǒng)水車坪組（ D3s）：厚 40m，屬Ⅳ級軟石，與下伏地層呈假整合接觸。巖性由上至下分別為：灰、黃色中厚層狀灰?guī)r，黃綠、紫紅色泥巖，底部為厚 灰白色厚層狀細(xì)粒石英巖狀砂巖。 （ 4）志留系（ S） 志留系在中部為黃綠色，紫紅色薄層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，下部為灰綠色薄至中厚層狀粉砂巖與砂質(zhì)泥巖 不等厚互層，底部為黃綠色、黑色粉砂質(zhì)頁巖，厚 1960m，與下伏地層呈整合接觸，屬Ⅳ級軟石。 （ 5）奧陶系（ O） ①奧陶系中、上統(tǒng)（ O2+3）：由上至下分別為黑色薄層狀頁巖、深灰色含泥灰?guī)r（瘤狀灰?guī)r），灰色中厚層狀龜裂紋灰?guī)r，下部為灰、灰綠色瘤狀灰?guī)r，厚 75m，與下伏地層呈整合接觸，屬Ⅳ級軟石～ V級次堅石。 ②大灣組（ O1d）：上部為灰綠色薄層狀粉砂巖夾鈣質(zhì)泥巖；中部為紫紅色薄至中厚山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 3 層狀泥灰?guī)r；下部為灰綠色、紫紅色薄層狀鈣質(zhì)泥巖，厚 145m，與下伏地層呈整合接觸，屬Ⅳ級軟石。 ③紅花圓、分鄉(xiāng)及南津關(guān)組（ O1n+f+h）：上部灰至深灰色厚層狀結(jié)晶灰?guī)r；中部為灰綠色薄層狀灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖互層；下部為灰色中至厚層狀灰?guī)r，含白云質(zhì)及燧石結(jié)核；底部為厚 30～ 40m 灰色厚層狀生物碎屑灰?guī)r，含較多介殼化石，厚 254m，與下伏地層整合接觸，屬 V級次堅石。 （ 6）寒武系（∈） ①毛田組（∈ 3m）：灰色中厚狀含白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，上部夾竹葉狀灰?guī)r及燧石結(jié)核；具渦卷狀構(gòu)造，底部具假鮞狀結(jié)構(gòu)，厚 190m，與下伏地層整合接觸，屬 V級次堅石。 ②耿家店組（∈ 3g）：灰色中至厚層狀結(jié)晶白云巖，細(xì)至中晶結(jié)構(gòu)，砂狀斷口，下部含灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r ，厚 333m，與下伏地層整合接觸，屬 V級次堅石。 ③平井組（∈ 2p）：灰色薄至中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，常具渦卷狀構(gòu)造，偶見豹皮狀構(gòu)造，底部為黃色薄層狀泥質(zhì)白云巖夾鈣質(zhì)泥巖，厚 373m，與下伏地層整合接觸，屬 V 級次堅石。 ④高臺組（∈ 2g）：零星出露于背斜軸部，本區(qū)內(nèi)未見底，巖性為灰色中厚層狀白云巖，屬 V 級次堅石。 地質(zhì)構(gòu)造 本區(qū)構(gòu)造單元屬揚子準(zhǔn)地臺東南部的上揚子臺坳，為川東陷褶束之秀山穹褶束與黔江凹褶束結(jié)合部。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂，次級褶皺不發(fā)育，僅在桐麻嶺背斜西翼發(fā)現(xiàn)一 次級褶曲，向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育較多橫張斷裂。 在地表 DK352+710～ DK355+600 為二疊系（ P）、三疊系下統(tǒng)（ T1）可溶巖地層構(gòu)成的毛壩向斜地段， DK351+465～ DK352+710 和 DK355+600～ DK357+820 為泥盆系（ D）、志留系（ S）非可溶巖地層構(gòu)成的翼部地段， DK357+820～ DK362+530 為寒武系（∈）、奧陶系（ O）可溶巖地層構(gòu)造的桐麻嶺背斜地段， DK358+750～ DK358+900 為耿家店組（∈ 3g）可溶巖地層構(gòu)成的冷水河淺埋段，此段隧道埋深約 150～ 180m。 測區(qū)內(nèi)斷裂主 要為 NNE 向的縱向斷裂和 NWW 向的橫向斷裂，形成了燕山期。測區(qū)內(nèi)共有 13 個斷層，其中桐麻嶺背斜區(qū) 3 條，毛壩向斜區(qū) 10 條，除 F F F F0 F02為走向逆斷層，具壓性特征外，其余均為橫向斷層，具張扭特性。 山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 4 山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 5 隧道通過地帶巖溶和巖溶水發(fā)育分布特征 （ 1）毛壩向斜通過地帶巖溶和巖溶水 隧道穿越毛壩向斜富水區(qū)長度 2200m，通過泥盆系（ D3S）中厚層灰?guī)r、泥巖，二疊系棲霞、梁山組（ P1l+q）中厚層灰?guī)r與泥巖互層，二疊系茅口組（ P1m）厚層灰?guī)r，二疊系吳家坪組（ P2w）中厚層灰?guī)r、中下部含炭 泥巖及煤層（厚 ～ ）。向斜翼部最大埋深 780m，核部最小埋深 550m。該段正常涌水量 55000m3/d，最大涌水量 83000m3/d，特大暴雨之后，可達 20xx00m3/d。毛壩向斜與區(qū)域主要構(gòu)造形跡的產(chǎn)狀一致，其南段呈北北東向，而向北漸變?yōu)楸睎|向，總體形貌呈向北西凸出的弧形。兩翼為下古生界，核部為上古生界中古生界，核部向斜的形態(tài)呈長舟形狀。南北長 65km，東西寬 2～ ；平面形態(tài)呈“ S”狀；總體走向為北東～南南西向；兩端分別向北東和南南西方向揚起。 （ 2）冷水河淺埋段巖溶和巖溶水 DK358+750～ DK358+900 段為∈ 3g可溶巖地層構(gòu)成的冷水河淺埋段，此段隧道埋深約150～ 180m 左右。 ∈ 3g地層因冷水河河谷深切，風(fēng)化與卸荷回彈致使淺部 0～ 75m 段裂隙相當(dāng)發(fā)育，通過地表河水動態(tài)觀測，表明冷水河在隧道通過地帶存在滲漏。該段正常涌水量 10000m3/d，最大涌水量 15000m3/d。從位于背斜西翼冷水河邊 Ddzy5鉆孔的鉆探結(jié)果來看，地下水具承壓性，水頭高出孔口 （海拔高程 ），淺部比深部巖溶發(fā)育。 淺部（ 75m 以上）巖溶發(fā)育以溶蝕裂隙及蜂竄狀溶孔為主。溶蝕裂 隙多為直立的溶蝕裂隙與沿層面發(fā)育的溶蝕裂隙，地下水為巖溶孔隙～裂隙水，巖石滲透性較好（ k∈ 3g淺 =）；深部（ 100m 以下）巖溶發(fā)育較差，以孤立的溶孔為主。而且不連續(xù)，偶見蜂窩狀溶孔，見少量溶蝕裂隙；地下水主要賦存于溶孔中，巖層滲透性較淺部差（ k∈3g深 =）。 （ 3）桐麻嶺背斜核部巖溶和巖溶水 桐麻嶺背斜區(qū)在本區(qū)內(nèi)為四周被地表水系所切割的單獨水文地質(zhì)單元，地下水為寒武、奧陶系下統(tǒng)的巖溶水。 DK357+655～ DK358+750 地段屬奧陶系中、上統(tǒng)（ Q2+3）、下統(tǒng)的大灣組 （ Q1d）、紅花圓和分鄉(xiāng)及南津關(guān)（ O1n+f+h）、寒武系上統(tǒng)的毛田組（∈ 3m）、耿家店組（∈ 3g）等以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主構(gòu)成的桐麻嶺背斜西翼部分，其預(yù)測正常涌水量為 4300m3/d，最大涌水量為 6450m3/d。 山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 6 DK358+750～ DK358+900 地段屬桐麻嶺背斜西翼寒武系耿家店組（∈ 3g）的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主的冷水河淺埋段，其預(yù)測正常涌水量為 10000m3/d，最大涌水量為 15000m3/d。 DK358+900～ DK359+925 地段屬桐麻嶺背斜核部西部寒武系耿家店組（∈ 3g）、平井組（∈ 2p）、高臺組（∈ 2g）以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主地段，其正常涌水量為： 6840m3/d，預(yù)測最大涌水量為 10300m3/d。 DK359+925～ DK360+675 地段屬桐麻嶺背斜核部西部寒武系平井組（∈ 2p）、高臺組（∈ 2g）以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主地段，其預(yù)測正常涌水量為 4890m3/d，最大涌水量為7350m3/d。 DK360+675～ 362+530 地段屬桐麻嶺背斜核部東部及東翼寒武系高臺組（∈ 2g）、平井組（∈ 2p）、耿家店組（∈ 3g）、毛田組（∈ 3m）及下奧陶（ O1n+f+h）以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主地層 的地段，其預(yù)測正常涌水量為 12100m3/d，最大涌水量為 18200m3/d。 （ 4）隧道涌水量及毛壩向斜區(qū)水壓預(yù)測 ①全隧道總涌水量預(yù)測 □全隧道正?？傆克繛椋? 104m3/d。 □全隧道正?？傆克繛椋? 104m3/d。 □特大暴雨之后，全隧道最大涌水量可能達 30 104m3/d以上。 ②毛壩向斜區(qū)水壓預(yù)測 根據(jù)深孔鉆探資料證實存在 P2w+c、 P1q+m 兩層呈壓水。相對于隧道洞身標(biāo)高而言，其靜水頭（ H）： P1q+m為 460m， P2w+c為 446m。這表明在隧道洞身處確實存在 P1q+m層段 和 P2w+c層段 的靜水壓力。 [3] 研究的必要性 國內(nèi)外在高水壓、富水、巖溶地層修建的隧道不多，施工技術(shù)并不成熟。 日本青函隧道全長 ，海底段長 ，埋深最淺處距海底 100m（此處海水深 140m），共有 10多條大斷層和 1000 多條小斷層，大斷層的影響大，近斷層處的破碎帶海水易灌入，施工過程中曾遇到四次大的突水、涌泥。例如： 1974 年 1 月 8 日，吉岡作業(yè)坑最大涌水量達 15840m3/d，采用注漿堵水法直接通過，處理時間為 362 天； 1976年 5 月 6 日，吉岡作業(yè) 坑又發(fā)生 100800 m3/d涌水，采用遇回導(dǎo)坑法通過，處理時間為162 天，給施工造成了很大損失。青函隧道的灌漿材料主要為礦渣膠體水泥和（ S）№ 1水玻璃漿，灌漿泵主要為雙液注漿泵，灌漿最高壓力為 8MPa 左右，基本上采用全孔一山東科技 大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 7 次性灌注，其完工時的漏水量為 45 m3/s，現(xiàn)在還有 28 m3/s，每年的排水費用高達 3000萬日元。 大瑤山隧道 F9 斷層（ DK4+600～ DK5+065）為區(qū)域性大斷層，其上盤為擠壓破碎富水的石英砂巖，地下水位高出洞頂 400m；下盤為強裂片理化、千枚化并受強烈切割的灰?guī)r；核心帶為 40m 寬的膨脹性斷層泥。 1988 年 6 月 11 日， DK4+850 處發(fā)生涌水，其正常涌水量為 15000～ 28000 m3/d，峰值涌水量高達 420xxm3/d。主要原因是，隧道內(nèi)地下水不僅以垂直巖溶管道形式和地面水有水力聯(lián)系，而且還通過各種裂隙、孔道使斷層上盤與下盤發(fā)生水力聯(lián)系。針對這一情況，在洞內(nèi)采用了周邊預(yù)注漿，徑向注漿和圍截堵水注漿等地層加固方法使隧道順利通過。但在運營過程中，隧道的 F9 斷層區(qū)域又不斷出現(xiàn)涌水、涌砂，造成中斷行車的事故。地下水大量流失，造成隧道底部鄱漿冒泥，拱墻滲漏水，地表出現(xiàn)多處陷坑，給隧道周圍 環(huán)境帶來了不利影響，為此 1990 年鐵道部專門組織成立了“大瑤山隧道治水技術(shù)攻關(guān)組”，采取了地表注漿加固等技術(shù)措施進行處理，雖然取得了一定效果，但仍未達到根治地下水的目的，為些， 20xx 年又利用出口及滑石排斜井打排水平洞放水，取得了較好的效果，但由于種種原因，排水平洞未達到F9斷層，因此洞內(nèi)涌水、涌砂影響行車問題能否徹底解決還有待于進一步研究與觀察。 總之，從國內(nèi)外的施工實例及發(fā)展趨勢來看，高水壓、富水、巖溶地段的注漿理論還不成熟