浅析改善梁山隧道工程地质条件

【摘要】梁山隧道为新建张家口至呼和浩特快速铁路上的控制性工程，特殊的地质条件及地理位置决定了其对张呼铁路整体选线的控制作用，同时也提出了诸多工程地质问题。针对长隧道方案的工程地质问题，选择不良地质和构造影响小、绕避膨胀岩的通道，优化线路方案，改善梁山隧道工程地质条件意义重大。

【关键词】改善；梁山隧道；工程地质条件

1 概述

新建张家口至呼和浩特快速铁路途经河北省、内蒙古自治区，东起河北省张家口南站，西迄于呼和浩特东站。线路全长286km，速度目标值250km/h。该铁路为内蒙古通往华北地区的第一条快速客运专线，也是中长期铁路网规划的重要组成部分。该项目建成后，将分流现有京包线的客流，极大增强内蒙古及更远地区铁路运输能力。

梁山隧道位于内蒙古自治区乌兰察布市卓资县境内，该段为典型的低中山区，地形起伏较大，山体沿线路方向总体呈“M”形，隧道进口、出口两端山体高耸，中部为宽大冲沟。定测长隧道方案最大埋深384m，长度约7.5km，为张呼线第二长隧道。穿过的岩性复杂，地质构造、不良地质、特殊岩土发育，线路方案的选择意义重大（见图1）。

梁山隧道所经山体分布有危岩落石、岩溶等不良地质及断层构造，特殊岩土以隧道中部长大段落膨胀岩为主，局部分布湿陷性黄土，且该段水文地质条件较为复杂。选择不良地质和构造影响小、绕避膨胀岩的通道，优化线路方案，改善梁山隧道工程地质条件意义重大。

2 自然特征

2.1 地形地貌

隧道穿越卓资剥蚀中低山区，冲沟发育，地面高程1410.2m～1727.2m之间，相对高差最大约317m，自然坡度较陡，一般为15～31°，整体地形为西南高东北低，植被多为树木及少量杂草。

2.2 地层岩性

梁山为卓资县境内最高山脉，主要为太古界大理岩、片麻岩，由于受构造变动、岩浆活动的破坏及强烈混合岩化、花岗岩化作用的影响，各段岩性特点有所不同。中部出露白垩统下统白女羊盘组凝灰岩，该套岩层为一套陆相火山喷发-沉积地层，不整合接触于太古界地层之上，北部以火山碎屑岩为主，层状构造较明显，南部为熔岩，层理不清，以块状构造为主。第三系上新世大面积的玄武岩覆盖于上新世以前地层及花岗岩之上，局部可见玄武岩不整合在早白垩统之上。第四系上更新统地层主要分布于冲沟或河床两侧的一级阶地。一般具二元结构，上为风成黄土，下为冲洪积碎（卵）石土。第四系全新统地层主要分布于冲沟沟底，河床部位，岩性多为碎石类土，局部见漂石。

2.3 地质构造

隧址区处于阴山山系的大青山东南部，其基底由太古界集宁群混合大理岩和片麻岩构成，隧道中部白垩系凝灰岩发育，大部分呈倾角平缓的单斜构造覆于基底，与太古界片麻岩断层接触。

2.4 水文地质

隧址区未见地表水，隧道中部冲沟发育，雨季有短时间急流，向北汇入大黑河；上述地表水均属于黄河水系，最终均向西汇入黄河，多为源短流急的季节性河流，雨季河水猛涨，水流湍急，枯水季节流量较小，甚至干涸。地下水主要为基岩裂隙水及碳酸盐岩裂隙岩溶水两类。地下水对普通混凝土结构无侵蚀性。

2.5 不良地质

（1）岩溶

岩溶发育在质地较纯、颗粒粗和厚层大理岩中，纯质大理岩岩溶最为发育，其次为变粒大理岩和混合大理岩，太古界集宁群厚层变粒大理岩和混合大理岩等可溶岩，地表大理岩溶隙、溶洞等溶蚀现象不发育，地下岩溶形态以顺结构面和断裂发育的溶隙、溶洞为主。

本线隧道东北侧1.7km左右为丹拉高速福生庄1号隧道，根据施工资料，隧道开挖揭露溶洞大小从0.2×0.8m小溶洞至最大13×24×10m的巨型溶洞，溶洞局部有碎石充填物及塌落巨石。大理岩区岩溶对隧道影响程度较大，特别是隧道应考虑岩溶水突水、突泥问题，设计及施工时须注意。

（2）危岩落石

隧道进口处危岩落石：隧道进口自然坡度30-50度，岩性为片麻岩强风化，发育2-3组节理，岩体较为破碎，呈块状或者大块状，坡面可见散落石块，落石粒径一般30-50cm，最大可达1.2m左右。施工过程中建议进行放坡或做其它相应防护。

（3）泥石流

隧道进口沟谷发育小型泥石流，泥石流类型主要水石流，位于泥石流通过区，堆积的主要成分是砾石、碎石和少量块石，少量砂砾组成。比一般洪水破坏力大，以冲刷为主，对护岸及建筑物产生慢性冲刷破坏。

2.6 特殊岩土

（1）膨胀岩

隧址区中部分布白垩统下统白女羊盘组凝灰岩、泥岩、砂质泥岩，遇水迅速崩解、软化，工程性质极差。根据钻孔取样试验，自由膨胀率Fs：31～44%，蒙脱石含量M：7.1～39.31%，阳离子交换量CEC（NH+）：172～383.94 mmol/kg，具有中等～强膨胀性。膨胀岩会导致隧道围岩开裂，导坑下沉，围岩胀突，坍塌与冒顶、底臌等病害，对隧道工程影响较大[1]。

（2）湿陷性黄土

隧址区大里程方向山坡表层覆盖第四系上更新统风积砂质黄土，具有湿陷性，根据钻孔取样试验，黄土自重湿陷性系数δzs=0.019-0.092，湿陷系数δs=0.059-0.09，具有Ⅲ级严重自重湿陷性。

3 优化过程分析

3.1长隧道方案的主要工程地质问题

（1）膨胀岩

根据现场调绘，隧道区中部浅埋段分布有白垩系凝灰岩、砂质泥岩、泥质砂岩，属于膨胀岩，具有中～强膨胀性，长度为860m，隧道埋深在40m左右，围岩以V级为主，施工风险大，存在很大的施工安全隐患。

（2）断层构造

根据现场调绘结合物探、钻探揭示隧道中部发育有5条北东向延展的断裂带（见图2）。

（3）膨胀岩浅埋段地下水位高

隧道中部冲沟发育，雨季有短时间急流，向北汇入大黑河。地下水以基岩裂隙水及碳酸盐岩裂隙岩溶水为主。隧道中部的5条断裂为主要富水带，除接受大气降水补给外，还受周边基岩裂隙水侧向补给，局部冲沟出漏泉水，地下水较丰富，水位较高，根据调查显示DK222+000-DK222+500冲沟段，地下水位均高于设计轨面。图3为梁山隧道中部南沟正面和侧面照片，从中可以大致看出本段为扇状宽大冲沟，且冲沟上游汇水面积较大，地层以松散的第四系坡积层和风化严重的白垩系凝灰岩为主，容易形成地下水的运移储存通道。

通过地质调绘、物探和钻探，最终分析得出：长隧道方案穿过断裂破碎带较多、且通过强膨胀岩段落较长、地下水发育的膨胀岩段轨面低于地下水位，是该方案的主要问题。长隧道方案的主要工程地质问题见下表1。

3.2 优化隧道方案采取的主要手段

（1）采用工程地质综合勘察方法。

在开始调绘之前，对小组成员进行了所需知识和需要解决问题的培训，大致了解了本区域的地质情况，做好准备工作，带着问题去现场。在现场，我们以地质调绘为主，辅以必要的物探、钻探验证工作，通过多元勘察方法进行对比分析，相互验证，共计完成带状调绘12km，大面积调绘48km2，地质观测点300余个，摄影点200余个，物探剖面14.2km，钻探1000余米，水文试验、土工试验若干。

（2）查明构造、不良地质、膨胀岩分布范围。

针对构造：首先我们结合区域地质资料进行地质调绘，对地质调绘难以确定的断裂构造，我们尽可能垂直构造方向布置物探剖面，以确定断裂构造的产状，最终描绘到工程地质图中。

针对不良地质：首先大面积调查，确定地表岩溶、危岩落石的位置、范围以及规模，并实地测量；地下隐伏的岩溶，我们通过布置物探剖面，反演解译岩溶的分布状况。最终以实测坐标反映到工程地质图中。

针对膨胀岩：根据区域地质资料，我们知道白垩系凝灰岩、泥岩具有膨胀性，并了解了其野外识别特征及遇水易崩解的特性[1]，在大面积地质调绘中进行初判（见表2）。

通过大面积地质调绘，首先依据膨胀岩的特性我们初步判定后，圈定膨胀岩的分布范围，然后再通过勘探孔取样判定膨胀等级及层位深度[2]，最终在工程地质图上反应出来。

（3）查明水文地质条件

水文地质调查期间本段未见地表径流，中部冲沟发育，局部冲沟出漏泉水，水量不大，在不易查清的地段布置水文试验孔，进行水文试验，确定渗透系数等参数。

3.3 优化后隧道方案

通过各种勘察方法的综合应用，有针对性的查明构造、不良地质、膨胀岩分布范围及水文地质条件，最终得出优化方案为建议梁山隧道在中部南沟地下水发育的强膨胀岩地段露头，从而确定了目前的短隧道方案，该方案前半段外移靠近高速公路，围岩条件较长隧道方案没有太大变化，在中部出露837m，以路基和桥的形式通过，中后段尽量靠近长隧方案，避开长大段落膨胀岩。优化后的梁山短隧方案，穿过膨胀岩段落长度由860m减少到300m，隧道洞深穿过的断裂带由5条减少到3条，且满足了地下水发育的强膨胀岩段落隧道露头的目标，降低了膨胀岩引起的工程风险，施工工期相对较短，不需设置辅助坑道，工程代价相对较低。短隧方案见图4。

4 结束语

梁山隧道工程地质条件的改善，在充分分析了长隧道方案的各种工程地质问题后，综合运用各种勘察方法，有针对性的查明该区域地质构造、不良地质、膨胀岩分布范围及地下水条件，最终确定了目前的短隧道方案，有效的解决了长隧道方案的工程地质问题，工程地质条件得到明显改善，不管从工程经济合理，还是施工安全上都有非常显著的现实意义。

参考文献：

[1] 王小军 膨胀岩的判别与分类和隧道工程[J].水文地质工程地质，1995（2）44-48

[2] 唐筱蛑 膨胀岩地区浅埋长大隧道工程地质勘察[J].铁道勘察，2006（3）43-45

[3] 铁一院 .铁路工程地质手册（修订版）[M].北京：中国铁道出版社，1999

[4] 李智毅，杨裕云. 工程地质学概论[M ].武汉：中国地质大学出版社，1994

[5] TB 10012-2007 J124-2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[6] TB 10027-2012 J1407-2012铁路工程不良地质勘察规程[S]

[7] TB 10038-2012 J1408-2012铁路工程特殊岩土勘察规程[S]

作者简介：张生伟（1983—），男，2009年毕业于中国地质大学（北京）地质工程专业，工学硕士，工程师。

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