玉磨铁路隧道工程地质特征及地质风险分析

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1、玉磨铁路隧道工程地质特征及地质风险分析赵前进【摘要】玉磨铁路为泛亚铁路中通道的重要组成部分，沿线山高谷深,工程地质特征 复杂，地质构造背景活跃，隧道地质风险突出.通过对全线工程地质特征的系统梳理，对 地质风险进行分类总结,提出规避措施的方向和建议，实现对隧道安全风险及工期风 险的有效控制.【期刊名称】铁道勘察 【年(卷)，期】2017(043)004 【总页数】5页(P42-45,60) 【关键词】玉磨铁路;地质复杂隧道;工程地质特征;地质风险控制 【作者】赵前进【作者单位】昆明铁路局，云南昆明650011【正文语种】中文【中图分类】U452玉磨铁路是泛亚铁路中通道的重要组成部分，翻越磨盘山、

2、哀牢山、无量山，横跨 元江一红河、阿墨江、把边江、澜沧江一湄公河，山高谷深，起伏剧烈，夕卜动力 地质作用、岸坡浅表改造活跃；横穿曲江、石屏建水、红河、无量山、澜沧江活动 断裂，跨越扬子准地台与唐古拉昌都兰坪思茅褶皱系交界的构造不稳定段，新构造 活跃，地应力、地震烈度、地热高；铁路沿线滇西红层占一半以上，软岩及含岩盐 地层发育，局部为含煤地层且被火成岩侵入，瓦斯问题突出；可溶岩地层长达30 km,呈条带分布，地下水系统发育；深大、区域断层带密集，断裂带富水，地热 水活跃。复杂的地形条件，活跃的地质构造背景，多样性的岩土类型，造成隧道的地质风险 突出：进出口存在崩塌落石及陡崖卸荷带洞深稳定问题；顺

3、坡、顺暗河、顺断裂、 顺层存在偏压问题；洞身存在软岩大变形、岩爆、涌泥突水、瓦斯、高地热等问题， 给施工带来安全隐患，严重威胁施工人员的生命安全。因此，对铁路沿线地质风险 系统进行梳理，采取针对性措施，可实现对隧道安全风险及工期风险的有效控制。 玉磨铁路北起玉溪，南至磨憨中老边界，全长508.534 km，地形极其复杂，山高 谷深(见图1)，全线隧道395.29 km /92座，占比为78.58%。玉溪至西双版纳段为双线，长364.542 km，隧道289.73 km/65座，占比 79.5%，大于10 km隧道有10座，占隧道总长的62.5%，其中最长隧道长17 476 m。西双版纳至磨憨段

4、为单线，长143.993 km，隧道105.54 km /26座，占比 73.3%，大于10 km隧道有2座，最长隧道长度为11 638 m。此外，友谊隧道 穿越中老国境，中国境内7 170.407 m，老挝境内2 422 m。2.1地形地貌玉磨铁路走行于横断山脉南延段的山间盆地，大江大河呈NW-SE向帚状分布其间， 山高谷深，气势磅礴，多为构造侵蚀高中山、中山地貌。线路自北向南依次穿越以侵蚀剥蚀为主的高原湖盆区(I)、以持续隆起为主的哀牢 山中山区(H)、以持续下切为主的普洱-勐腊中山峡谷区(B)、以剥蚀堆积为主的澜 沧-勐海中山-盆地区(IV)。2.2气象水文沿线为热带、亚热带季风气候，在

5、地形影响下，垂直气候特征明显，降雨量总体北 少南多。沿线主要水系为南盘江、红河与澜沧江，流域切割密度南盘江为0.127 4 km/km2、 红河为0.166 5 km/km2、澜沧江为0.194 9 km/km2，水系发达。2.3地层岩性沿线地层以中生界滇中、滇西红层（红色砂泥岩）占主体，占51%；其次为古生界、 前震旦系结晶岩系及变质岩系，占25.3% ；可溶岩占6.1% ；其他沉积地层（发育 炭质黏土岩，局部夹煤线及劣煤）、第四系各种成因的堆积物占17.6%。（1）高原湖盆区，发育中生界红层、碳酸盐岩、元古界变质岩系。（2）哀牢山中山区，发育古老结晶岩系（片麻岩、片岩）、巨大冲洪积扇及堆积

6、阶地。 普洱-勐腊中山峡谷区，以红层为主，砂岩、泥岩交互，褶皱、大断裂构造附近 局部分布变质岩系。澜沧-勐海中山盆地区，花岗岩体大片出露，第四系地层松散堆积。2.4地质构造玉磨铁路紧邻印度板块与欧亚板块碰撞带，横跨扬子、印支、滇缅泰亚板块，由于 板块间的碰撞和推挤，原构造格局发生强烈的改造和变形（见图2），褶皱及深大活 动断裂发育（见图3）。（1）扬子亚板块：南以红河深大断裂为界，具基底盖层双层结构，地表构造线以南 北走向为主。线路走行在康滇古隆起内，属川滇菱形断块隆起区的东南部，横跨红河断裂。弧形 断裂褶皱发育，中生界以老地层卷入其中，晚三叠世、第三纪断陷盆地陆相沉积发 育；晚新生代以来，新

7、构造运动活跃，隆起区上升达2000 -2500 m，断裂两侧 差异升降明显（玉溪附近），形成新断陷盆地，第四系地层松散堆积沉积其中；红河 断裂及其旁侧边界断裂差异活动明显，形成石屏-建水强震带。（2）印支亚板块：分布在红河断裂、澜沧江深大断裂之间，其间加里东期基底褶皱 隆起，喜山期发生强烈岩浆活动和变质作用，第四纪有火山喷发。线路走行于哀牢山褶皱带、兰坪思茅拗陷内，属横断山脉中段，横跨哀牢山、阿墨 江、澜沧江等深大断裂。多期强烈褶皱活动，在哀牢山、墨江构造带形成高密度深 大变质挤压带、韧性剪切带及滑动断层；拗陷从边缘至中心依次沉积中生代、新生 代地层。上新世末期以来，线带式差异活动强烈，上升幅

8、度大于2 500 m,深大 断裂差异活动明显，地热异常，高温温泉发育（哀牢山附近），形成思茅-普洱、澜 沧-耿马强震带。（3）滇缅泰亚板块：东以澜沧江深大断裂为界，西侧紧临碰撞带。玉磨铁路景洪段走行于澜沧江河谷内，第四纪断陷盆地发育，澜沧江深大断裂中地 热异常，高温温泉发育。2.5原岩应力场根据震源机制、断层滑动、水压致裂与应力解除4类地应力统计，水平最大主应 力优势方位为NNWNNE向，构造应力场呈近NS向挤压（见图4）。岩浆侵入产生的残余热应力，使围岩局部地应力异常。高地应力段落软弱围岩易发生大变形，硬质围岩易发生岩爆。2.6地下水沿线发育第四系松散岩类孔隙潜水、基岩（碎屑岩类、碳酸岩类、

9、岩浆岩类）裂隙水、 构造裂隙水、岩溶水等地下水，其中构造裂隙水、岩溶水对隧道影响较大。沿线构造十分发育，规模大，延伸远，补、径、排条件好，具备高温热泉的热交换 条件，水文地质条件复杂。脆性岩层内构造裂隙水发育，构造密集带、交汇带富水， 隧道易发生突泥、涌水及热害。沿线可溶岩呈条带状分布，沿构造展布方向易形成地下暗河系统，隧道易发生突泥、 涌水。红层地层富含盐岩，地下水系统途经含盐岩地层时，地下水具不同程度的腐蚀性。2.7地质工程环境沿线为强烈频繁的新构造运动及地震活动区域，河流快速下切，岸坡卸荷强烈，浅 表松散堆积较厚，气候潮湿，生物活跃，植被茂盛，物理化学风化强烈，地质工程 环境恶劣，具备发

10、育大型滑坡、崩塌、泥石流等的条件。3.1进出口岸坡地段全线隧道共有92座，岸坡稳定问题突出，地质背景活跃复杂，滑坡、泥石流沟、 岩堆、危岩落石发育，威胁进出口的安全。3.2泥岩夹砂岩地段全线隧道共有185 km属于泥岩夹砂岩地段，主要分布地层为第三系、侏罗系和 白垩系。第三系泥岩夹砂岩地层含有石膏和岩盐，具弱到中膨胀性，在干燥的环境 中自身强度较好，遇水浸泡后软化，手捏即碎。隧道洞室开挖后，改变了原有岩体 的应力条件，在应力释放过程中荷载膨胀，围岩破坏。同时，泥岩中石膏长期暴露 或遇水后，易膨胀、溶蚀、崩解，强度迅速降低，进一步降低隧道围岩的稳定性。3.3涌水突泥地段全线隧道通过区域地质构造较

11、复杂，多数隧道穿越向斜、背斜和断层等构造区域。隧道穿过的岩层存在弱透水层和破碎带，隧道开挖后，形成地下水的人工排泄边界， 隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙张开度增大，岩 体强度减弱，变形加剧，并形成新的裂隙。这些新裂隙又促进地下水向隧道的汇流， 使得涌水从裂隙、断层中涌入隧道。全线有9座隧道通过可溶岩地层，长度13.606 km，占隧道总长的3.5%，存在隧 道涌水、突泥、坍塌等工程地质问题。3.4洞口浅埋顺层偏压段全线隧道约170 km地段可能存在顺层偏压。隧道围岩顺层偏压是指在具有一定倾斜角度单斜构造的成层岩层中，由于隧道开挖，造成洞壁部分岩体分离，沿既定 的层状

12、软弱结构面向洞内临空面顺层滑动、压缩，出现一侧明显偏压的现象。当隧 道衬砌结构未考虑因这种地质条件而产生的明显偏压时，压力大的一侧，衬砌常被 剪断破坏。洞口浅埋也有可能造成偏压，特别是在隧道的进出口处。3.5膨胀岩地段玉磨铁路隧道穿越区膨胀岩地段较长。膨胀岩一般是指在水的物理化学作用下发生 体积膨胀的围岩。因含有伊利石、蒙脱石等亲水性黏土矿物，导致岩石具有极强的 亲水性，遇水后产生强烈的吸附作用，使颗粒间的粘结力减弱、间距增大、体积膨 胀、强度降低。特别是在地下水丰富的地段，隧道开挖后膨胀岩周边发生变形，进 入塑性状态，围岩松动，裂隙增大，存储水的空间进一步加大，导致膨胀岩进一步 的膨胀变形，

13、最终致使隧道坍塌或支护开裂。3.6有害气体地段玉磨铁路沿线二叠系、上三叠-下侏罗系，以及第三系含煤层、煤线、炭质页岩存 在瓦斯问题，涉及隧道长91.908 km，经测试大多为低瓦斯隧道。此外，地热温泉中夹带有硫化氢、一氧化碳等有害气体，易在隧道中聚集。3.7高地应力地段全线可能存在岩爆段落长26.75 km，存在软岩大变形段落长25.9 km。在高地应 力条件下，隧道开挖可能造成洞室变形及岩块射出。3.8高地热地段玉磨铁路和乐、通达等9座隧道穿越11条导热断裂，预测可能存在高地温影响。在高地热条件下，隧道开挖洞室内温度升高，会对工程产生热害。施工环境中高温 高湿会使工作人员出现头晕、呕吐等情况

14、，甚至无法正常施工。高地热条件下施工 所用机械设备也会加速老化，故障增多，严重制约生产效率。4.1设计控制(1) 隧道进出口风险控制进出口段施工坚持早进晚出”的原则，优先考虑接长明洞，防止仰坡坍滑。结合地形条件，采取预加固（锚索）桩、管棚超前支护、地表钢管桩（旋喷桩）等工程 措施改善进洞条件。结合地形条件，采用喷混植生防护，土钉墙、锚杆（索）框架梁防护，灌草护坡防护 及骨架护坡防护等措施改善边仰坡条件。对零星危岩落石采取人工清除措施，对规模较大且对线路产生较大影响的区域，采 取主、被动防护网措施。（2）泥岩夹砂岩地段加强支护并加强二次衬砌，减少一次性开挖断面的宽度和高度，加强监控量测，及 时调

15、整支护参数。（3）涌水突泥地段坚持防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，对涌水、突水突泥高 风险段落的顺坡施工，采取超前注浆工艺。采用跨越、加固、弓I排截流岩溶水，清除或加固充填物，回填夯实、封闭地表陷坑， 疏排地表水等综合处理方案。当暗河和溶洞有水流时，宜排不宜堵，应尽量恢复原 水流通道；不得通过隧道排水。针对地表渗水，采用全包（或半包）防水措施，并对地表水源进行监测。洞口浅埋顺层偏压段加强支护，加强洞内及地表的监控量测。膨胀岩地段优化断面，加强支护，加强监控量测措施。（6）有害气体地段加强瓦斯监测及施工通风，将洞内各处的瓦斯浓度稀释到0.5%以下。高地应力地段软质岩大变形地段采取

16、加大预留变形量、加长系统锚杆、加强初期支护及优化二次 衬砌断面等措施，采用台阶法加临时横撑或临时仰拱进行施工，减少一次性开挖断 面的高度。硬质岩岩爆地段采用短进尺光爆掘进，减少应力集中，及时网喷支护，经常喷洒水， 必要时采用超前钻孔释放应力。(8)高地热地段加强隔热、通风，采用机械制冷降温，减少热源，加强地温监测。4.2超前地质预报地质风险的复杂性、不确定性难以完全克服，为确保安全，应进行超前地质预报， 及时采取相应措施以规避风险。(1) 泥岩夹砂岩、膨胀岩地段：可以通过常规地质法、综合物探超前地质预报和超 前地质钻探进行超前地质预报工作，根据预报情况切实掌握实际地质及地下水的情 况。做好开挖

17、防排水工作，加强光面爆破设计，加强隧道监控测量，及时调整支护 参数，确保施工安全。(2) 突水突泥地段：通过超前钻孔探测，采用综合物探手段预测预报，判明水源补 给、涌水量和水压等情况，有针对性地采取帷幕注浆、超前注浆或管道引排等方案， 避免突水突泥的发生。洞口浅埋顺层偏压段：可以通过常规地质调查法、监控测量等超前地质预报工 作，及时调整开挖方法，留足沉降量，保证施工安全。高地热地段：通过超前地质钻探取芯，检测岩石温度和工作面温度。可在钻孔 内加注冷水，提前降低部分岩石温度；加强工作面通风和喷洒冷水降温。(5)有害气体、高地应力地段：通过岩性描述、监测来进行预报。(1)玉磨铁路沿线山高谷深，起伏

18、剧烈，新构造运动、夕卜动力地质作用、岸坡浅表 改造及地热水活跃；软岩(局部含岩盐、煤)及可溶岩地层发育；地下水特别是岩溶 及断裂地下水发育；工程地质问题突出。(2) 全线主要的地质风险有进出口岸坡稳定及滑坡、泥石流、危岩落石侵入，软岩(膨胀岩)大变形及水土腐蚀，涌水突泥，浅埋顺层偏压，有害气体，高地应力(岩 爆、大变形)，高地热(热水、热害)等。(3) 地质风险可通过设计、超前地质预报、组织管理来有效控制。【相关文献】1 田卫明.隧道施工安全风险与现场管理研究D.重庆：重庆交通大学，20122 杨秀权.复杂地质盾构隧道安全管理与风险防范对策J.隧道建设，2012，32(6):763-7663

19、王鲁南.隧道穿越断层破碎带施工风险分析及围岩变形规律研究D.济南：山东大学，20124 夏润禾，边玉良.山岭地区铁路隧道施工安全风险评估及管理研究一以贵广铁路客运专线金宝顶 隧道为例J.中国安全生产科学技术.2012(10):64-715 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策J.岩石力学与工程学报，2012(10)6 金新锋.宜万铁路沿线岩溶发育规律及其对隧道工程的影响D.北京：中国t地质科学院，20077 周晓军，高杨，李泽龙，等.地质顺层偏压隧道围岩压力及其分布特点的试验研究J.现代隧道技 术2006,43(1):12-218 方维萱，胡瑞忠，谢桂青，等.云南哀牢山地区构造岩石地层单元及其构造演化J .大地构造与成 矿学.2002 , 26(1):28-369 熊鲲瓦斯隧道施工安全风险管理及应用研究D.成都：西南交通大学，201210 马栋.深埋岩溶对隧道安全影响分析及自治技术研究D.北京：北京交通大学，2012