馮 濤, 蔣良文, 王存德, 王 棟, 張廣澤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

?

工程地質(zhì)類比法在川藏鐵路隧道圍巖分級上的應(yīng)用

馮 濤, 蔣良文, 王存德, 王 棟, 張廣澤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

川藏鐵路雅康段沿線隧道工程多處于高海拔、高陡斜坡及雪線以上的無人山區(qū)，地形險峻，起伏極大，高海拔無人區(qū)交通條件差、水源匱乏，常規(guī)勘察手段實(shí)施困難甚至無法開展，在勘察設(shè)計尤其是可研階段，有必要采用工程地質(zhì)類比法應(yīng)用于隧道圍巖分級，進(jìn)一步提高勘察精度。研究表明近場相似工程地質(zhì)類比和遠(yuǎn)場相同巖性工程地質(zhì)類比兩種方法具有各自的適用條件，但在具體應(yīng)用中應(yīng)綜合應(yīng)用分析；實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量選取類比度高的既有隧道對擬建隧道進(jìn)行工程地質(zhì)類比，取得較好的類比結(jié)果。

近場相似工程地質(zhì)類比； 遠(yuǎn)場相同巖性工程地質(zhì)類比； 隧道圍巖分級； 勘察精度

川藏鐵路工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，地應(yīng)力活躍，不良地質(zhì)極度發(fā)育，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[1]。其中，川藏鐵路雅安至康定段接成雅鐵路雅安站，自東向西經(jīng)天全、瀘定、康定至新都橋，位于四川盆地與青藏高原間的川西高原過渡帶，主要穿過二郎山、大雪山、貢嘎山、折多山等大山，最高山峰海拔7 556 m(貢嘎山)，4 500 m雪線以上山區(qū)終年積雪不化。川藏鐵路雅康段擬建工程以隧道為主，隧道約占線路總長的70 %，工程地質(zhì)勘察的主要工作就是針對隧道工程展開，特別是高中山及高山區(qū)的高海拔長大深埋隧道工點(diǎn)。

川藏鐵路雅康段測區(qū)受內(nèi)外地質(zhì)營力作用強(qiáng)烈，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及地應(yīng)力分布極為復(fù)雜，地勢自東向西急劇抬升，由海拔400 m左右的四川盆地爬升到海拔3 600～4 000 m的川西高原[2]，屬于地質(zhì)條件復(fù)雜場地；沿線隧道工程多處于高海拔、高陡斜坡及雪線以上的無人山區(qū)，地形十分險峻，起伏極大，高海拔無人區(qū)交通條件差、水源匱乏，常規(guī)勘察手段實(shí)施困難甚至無法開展。因此，在勘察設(shè)計尤其是可研階段，有必要采用工程地質(zhì)類比法應(yīng)用于隧道圍巖級別劃分，進(jìn)一步提高勘察精度。

1 鐵路隧道圍巖級別劃分現(xiàn)狀

鐵路隧道工程地質(zhì)勘察中是根據(jù)隧道圍巖的巖土體特征、巖石的堅硬程度、巖體的完整程度、風(fēng)化程度等地質(zhì)條件進(jìn)行圍巖基本分級，然后考慮地下水、高地應(yīng)力的影響、圍巖的縱波速度、隧道的埋藏深度等因素修正后，綜合評價隧道的圍巖分級。

2 工程地質(zhì)類比法實(shí)例分析

2.1 概述

許多重要巖土工程是采用工程類比法等設(shè)計成功的，從哲學(xué)角度看，類比法是從特殊過渡到特殊的思維方式[4]。類比主要分為直接類比和間接類比兩大類，直接類比主要是將條件基本相同的已建工程結(jié)構(gòu)作為新建工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)，間接類比主要是參考大量的地質(zhì)環(huán)境相似的已建工程的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸類并提供 相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，供新建工程設(shè)計時采用。地質(zhì)勘察工作中廣泛使用工程地質(zhì)類比的方法，通過總結(jié)既有工程的工程地質(zhì)條件和實(shí)踐施工經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)新建工程的選址、巖土體物理力學(xué)指標(biāo)建議、隧道圍巖分級及施工工程地質(zhì)問題預(yù)測分析。

川藏鐵路雅康段為川西高原區(qū)第一條鐵路工程，臨近線路范圍內(nèi)沒有既有鐵路工程建設(shè)，無具備直接類比條件的鐵路工程，因此本文主要研究間接類比方法對工程建設(shè)的幫助。根據(jù)本線工程特點(diǎn)，間接類比方法主要從近場相似工程類比及遠(yuǎn)場相同巖性工程類比這兩個方面展開研究。

2.2 近場相似工程地質(zhì)類比

近場相似工程地質(zhì)類比，是指處于同一區(qū)域地質(zhì)環(huán)境中并且工程相距較近的相似工程之間的類比。同一區(qū)域地質(zhì)環(huán)境是指地形、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及水文等工程地質(zhì)條件基本相似，地質(zhì)環(huán)境對區(qū)域內(nèi)相似工程的影響存在高度相似性，因此可以通過分析總結(jié)近場相似工程地質(zhì)資料來指導(dǎo)新建工程的勘察。

川藏鐵路雅康段近場區(qū)內(nèi)主要有G318國道、雅康高速、雅西高速等國家干線公路及數(shù)座水電站工程，多個擬建隧道全隧或隧道局部段落可通過近場相似工程類比獲取可靠的地質(zhì)資料。本文以橫穿二郎山山區(qū)的兩個隧道作為近場類比對象。擬建雅康段二郎山隧道(分析對象)與雅康高速二郎山隧道(類比對象)相距360～1 400 m(圖1)，走向一致，均穿越雅安市天全縣境內(nèi)的青衣江和甘孜地區(qū)瀘定縣境內(nèi)大渡河間的二郎山，兩個隧道基本上處于相同的地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及地應(yīng)力場的地質(zhì)環(huán)境中(圖1)，通過近場相似工程類比獲得的地質(zhì)資料可供設(shè)計使用。

川藏鐵路雅康段二郎山隧道長約14.5 km，是全線重大控制性工程之一，隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕高中山區(qū)，海拔1 300 m以上，地形切割強(qiáng)烈，山體渾圓，為青衣江和大渡河水系的分水嶺。隧址區(qū)位于龍門山構(gòu)造帶、鮮水河構(gòu)造帶和川滇構(gòu)造帶組成的“Y”字形構(gòu)造交匯部位的北東側(cè)，線路走向與區(qū)域斷裂構(gòu)造及地層走向均為大角度相交，地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性極為復(fù)雜，穿過10余條區(qū)域斷裂構(gòu)造及10多個地層巖性段。本節(jié)將川藏鐵路雅康段二郎山隧道同雅康高速公路二郎山隧道進(jìn)行近場相似工程類比，類比時考慮工程條件和工程地質(zhì)條件兩大方面，主要類比影響因素詳見表1。

圖1 二郎山公路隧道與鐵路隧道隧區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要示意

表1 二郎山鐵路隧道同二郎山公路隧道的主要類比影響因素

根據(jù)以上對比分析，二郎山鐵路隧道(分析對象)的洞身圍巖條件與二郎山公路隧道(類比對象)的洞身圍巖條件高度相似，通過分析總結(jié)二郎山公路隧道的圍巖分級原則，建議二郎山鐵路隧道洞身各地層巖性段的圍巖分級同二郎山公路隧道。

2.3 相同巖性的工程類比(遠(yuǎn)場類比)

西南地區(qū)已建成或正在建設(shè)的鐵路有成昆線、南昆線、云桂線、大瑞線、拉林線及麗香線等，大多地處青藏高原的周邊地帶，幾十年的建設(shè)過程中積累了大量的勘察及施工經(jīng)驗(yàn)，為今后新建鐵路工程提供了寶貴的資料。

川藏鐵路雅康段的新建隧道主要位于高中山和低高山地貌區(qū)，相當(dāng)長的里程段位于海拔大于2 000 m的高海拔無人區(qū)，直接獲取勘探資料較為困難，也無可供類比借鑒的近場相似工程。此種情況下收集遠(yuǎn)場類似埋深、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)及地應(yīng)力環(huán)境條件下具有相同巖性的典型隧道工點(diǎn)進(jìn)行類比，借鑒典型隧道工點(diǎn)的圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)新建隧道的圍巖分級及工程地質(zhì)問題預(yù)測分析。

川藏鐵路雅康段地層自震旦系至第三系(除寒武系)地層均有分布，同時三大巖類(沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖)門類齊全，巖性種類繁雜，主要出露有砂巖、泥巖及頁巖等碎屑巖；灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖等可溶巖；花崗巖、鉀長花崗巖、閃長巖、花崗閃長巖、流紋巖、安山巖及玄武巖等巖漿巖；大理巖、片巖、千枚巖及板巖等變質(zhì)巖，其中瀘定-折多塘段約80 km隧道圍巖為花崗巖類火成巖。

花崗巖屬于深層侵入火成巖，巖質(zhì)堅硬，屬于極硬巖，弱風(fēng)化巖體較完整，圍巖基本分級屬Ⅱ級圍巖，具體到隧道圍巖級別劃分時，根據(jù)巖體風(fēng)化程度、巖體完整性、受構(gòu)造影響程度及地應(yīng)力等因素進(jìn)行圍巖級別修正。本線有8座長大隧道洞身圍巖主要為花崗巖，針對花崗巖類火成巖的隧道圍巖分級研究是勘察中的重點(diǎn)。

本節(jié)通過對遠(yuǎn)場(西藏、四川、云南、廣西及海南等)典型花崗巖隧道的圍巖級別劃分情況進(jìn)行統(tǒng)計分析后，類比總結(jié)出雅康段花崗巖隧道圍巖分級原則，并據(jù)此對毛家溝隧道進(jìn)行圍巖級別劃分。

2.3.1 遠(yuǎn)場花崗巖類隧道圍巖分級統(tǒng)計

花崗巖在我國分布范圍較廣，大部分省份均有分布，本節(jié)主要選擇西藏、四川、云南、廣西及海南等地以花崗巖質(zhì)圍巖為主的隧道作為類比對象進(jìn)行分析，代表性的花崗巖隧道圍巖分級情況見表2。

表2 代表性的花崗巖隧道圍巖分級情況

注：(1)隧道進(jìn)出口段及洞身埋深小于50m的段落一般具備勘探條件，表中未統(tǒng)計；(2)不整合接觸帶及斷層破碎帶于各個隧道中分布不具規(guī)律性，影響長度不同，不具類比性，故表中未統(tǒng)計；(3)構(gòu)造、地應(yīng)力、埋深及地下水對硬質(zhì)巖隧道圍巖分級影響較小，圍巖分級以Ⅱ和Ⅲ級為主。

2.3.2 雅康段花崗巖類隧道圍巖分級原則

花崗巖類屬于極硬巖，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，地質(zhì)構(gòu)造作用對巖體的破壞程度和影響范圍有限，隧道圍巖分級一般與基本圍巖分級一致，受埋深、構(gòu)造、蝕變帶、地下水及地應(yīng)力影響段落需根據(jù)實(shí)際情況修正圍巖分級。通過總結(jié)上述既有花崗巖類隧道圍巖分級經(jīng)驗(yàn)，雅康段花崗巖類隧道圍巖分級建議按以下五條原則進(jìn)行劃分：

(1)隧道洞身埋深大于200 m且?guī)r體較完整的弱風(fēng)化段圍巖分級以Ⅱ級為主；

(2)隧道洞身埋深小于200 m且?guī)r體較完整的弱風(fēng)化段圍巖分級以Ⅲ級為主，Ⅳ級和Ⅱ級圍巖之間的Ⅲ級過渡以100～200 m為宜；

(3)花崗巖節(jié)理密集帶巖體破碎，圍巖級別劃分為Ⅳ級，寬度根據(jù)調(diào)繪或其他勘察手段確定；隧頂弱風(fēng)化埋深小于20 m時劃分為Ⅳ級；

(4)斷層破碎帶、蝕變帶及不整合接觸帶等Ⅴ級圍巖過渡為Ⅲ級圍巖時，Ⅳ級圍巖寬度以40～60 m為宜；

(5)進(jìn)出口淺埋段、斷層破碎帶、蝕變帶及不整合接觸帶圍巖劃分為Ⅴ級，寬度根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、調(diào)繪或其他勘察手段確定。

3 結(jié)論及建議

(1)應(yīng)用工程地質(zhì)類比法可進(jìn)一步提高位于高海拔無人區(qū)的川藏鐵路隧道的勘察精度；

(2)近場相似工程地質(zhì)類比和遠(yuǎn)場相同巖性工程地質(zhì)類比兩種方法具有各自的適用條件，但在具體應(yīng)用中應(yīng)綜合應(yīng)用分析；

(3)實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量選取類比度高的既有隧道對擬建隧道進(jìn)行工程地質(zhì)類比，取得較好的類比結(jié)果。

[1] 黃艷磊，鄧軍橋，張紅偉.川藏鐵路限制坡度方案研究[J].高速鐵路技術(shù)，2015(6)：97-98.

[2] 王棟，張廣澤，蔣良文，等.川藏鐵路成康段活動斷裂工程效應(yīng)及地質(zhì)選線[J].鐵道工程學(xué)報，2015(10)：7-8.

[3] 鐵道第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007：178-180.

[4] 楊志法，尚彥軍，劉英.關(guān)于巖土工程類比法的研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，1997(12):299-300.

馮濤(1978～)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事鐵路、公路等領(lǐng)域的地質(zhì)勘察工作。

TU412

A

[定稿日期]2017-03-22