近年來, 隧道涌水等工程地質(zhì)問題一直是隧道的勘察設(shè)計與施工中一個主要工程地質(zhì)問題, 也是隧道施工過程主要的工程地質(zhì)風(fēng)險之一, 如果能在選線過程查明水文地質(zhì)條件, 提前有效識別風(fēng)險, 提出針對性的處理措施, 就能降低甚至規(guī)避施工、運營過程中的風(fēng)險, 減少和免除這類地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失。為了在選線階段就較為系統(tǒng)、有效地認(rèn)識并查明水文地質(zhì)條件,做好水文地質(zhì)條件的工程地質(zhì)分區(qū)成為隧道選址區(qū)內(nèi)一個十分重要的條件。

 

  山西中南部鐵路通道某地段位于山西省長治市與臨汾市的交界處, 地處沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶, 該段工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 工程地質(zhì)問題突出。本文通過工程和水文地質(zhì)條件對該地區(qū)的工程地質(zhì)分區(qū)進(jìn)行了初步探討。

 

  1 地質(zhì)概況

 

  1.1 地形地貌

 

  隧道選址區(qū)西起太岳山前緣翹凹, 東止沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶, 跨越沁河與漳河分水嶺———安泰山及黑虎嶺[ 1] , 地勢起伏較大,地面高程1 034.2 ～ 1 559.2 m, 相對高差約210 m。

 

  1.2 地層巖性

 

  該區(qū)域主要出露地層為二疊系上統(tǒng)石千峰組:

 

  (P2sh)泥巖夾砂巖, 以磚紅色泥巖為主, 局部間夾薄層淡水灰?guī)r, 底部為灰白、黃綠色含礫中粗粒砂巖, 巖質(zhì)較軟巖體受干濕影響崩解明顯, 具弱膨脹性。三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l):淺紫紅—淡紫色中薄層夾中厚層

 

  狀中細(xì)粒長石砂巖、長石石英砂巖, 層間夾少量紫紅色砂質(zhì)泥巖、薄層泥礫巖, 區(qū)域地層厚度約338.3 ～442.50 m;泥質(zhì)巖石以砂質(zhì)泥巖為主, 石膏層質(zhì)軟, 以薄夾層的形式存在。三疊系和尚溝組(T1h):青灰色、

 

  紫紅色, 強—弱風(fēng)化長石砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖互層, 巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu), 屬軟—較軟巖, 區(qū)域厚164.0 ～264 m。三疊系二馬營組(T2er):灰綠及黃綠色長石砂巖夾紫紅色、暗紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖, 區(qū)域厚470 ～660 m。以及第四系下更新統(tǒng)(Q1 )圓礫土, 卵石土與褐紅色粉質(zhì)黏土、粉土、黏性土;第四系中更新統(tǒng)(Q2 )棕紅色及黃褐色粉質(zhì)黏土、粉土, 夾有薄層粉細(xì)砂或圓礫土層;第四系上更新統(tǒng)(Q3 )黃褐色及灰色粉質(zhì)黏土、粉土, 局部夾有粉細(xì)砂或圓礫土層, 局部地表覆蓋有人工填土;第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、圓礫土, 主要分布于河谷及溝谷地段與山間盆地附近。

 

  1.3 氣象特征

 

  線路通過地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)。以寒冷干燥, 大陸型氣候為特征。晝夜溫差變化較大, 表現(xiàn)為降雨量少, 蒸發(fā)量大, 空氣干燥, 春秋季節(jié)多風(fēng), 夏季短促而炎熱, 冬季漫長且嚴(yán)寒。平均氣溫9.9 ℃, 極端最高氣溫38.7 ℃, 極端最低氣溫-12.6 ℃, 最冷月平均氣溫-6.1 ℃;年平均降水量465.8 ～ 509.1 mm,年平均蒸發(fā)量1 506.3 mm;瞬時最大風(fēng)速13.7 m/s, 主導(dǎo)風(fēng)向南風(fēng);土壤冰凍期從當(dāng)年10 月下旬到次年的3月下旬, 季節(jié)最大凍土深度75 cm。

 

  1.4 地震動參數(shù)

 

  據(jù)調(diào)查, 有史記載以來隧址區(qū)域范圍內(nèi)共發(fā)生兩次5級地震, 未發(fā)生過5級以上強烈地震, 地震活動較弱, 屬新構(gòu)造活動相對穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū)塊。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306— 2001), 隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.10g;相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ 度;地震動反映譜特征周期0.40 s。

 

  1.5 水文地質(zhì)概況

 

  場地區(qū)為燕山期造山運動所形成的沁水塊坳。

 

  該地區(qū)的主要特征為J、K地層缺失, 出現(xiàn)了第四系與T、P直接相接的不整合接觸關(guān)系。第四系覆蓋層主要分布于溝谷地段與山間盆地。由于沁河與漳河分水嶺———安泰山及黑虎嶺的影響, 第一條水文地質(zhì)界線為第四系與T、P的不整合接觸線, 在低山丘陵區(qū)第四系覆蓋層與下伏基巖均為相對隔水層, 降雨以地表徑流的方式流入山谷和山間盆地。在山間盆地區(qū), 第四系覆蓋層為透水層, 下伏T1h的砂巖為含水層, T1h泥巖為相對隔水層, 地下水以地下徑流的方式通過該山間盆地區(qū), 由西向東、由北向南匯入附近河流。通過調(diào)查也發(fā)現(xiàn), 最晚形成的泉都集中分布在該界線附近。

 

  第2條分界線為T1l與P2sh的整合接觸線, T1l砂巖裂隙發(fā)育, 透水性較強, 且根據(jù)區(qū)域水文資料描述, 該建筑場地區(qū)內(nèi)砂巖的持水性較好, 地下水的滯后效應(yīng)明顯, 給水度0.000 8 <μ<0.003, 滲透系數(shù)K>35 m/d。

 

  P2sh的厚層泥巖為區(qū)域上標(biāo)志性隔水層, 由于相對隔水與透水的情況, 地下水相對富集。這點在現(xiàn)場勘察查的過程中得到證實。

 

  2 工程地質(zhì)分區(qū)的劃定

 

  現(xiàn)場的工程地質(zhì)鉆探成果表明, 不同地貌單元與不同地質(zhì)構(gòu)造單元的水文地質(zhì)條件截然不同[ 5] 。決定場地水文地質(zhì)條件的關(guān)鍵因素為場地的地貌特征與場地的工程地質(zhì)條件, 根據(jù)地層巖性特征與地質(zhì)構(gòu)造特征將該場地區(qū)分為三個工程地質(zhì)區(qū):(1)低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)為(Ⅰ)區(qū);(2)階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)為(Ⅱ)區(qū);(3)山間盆地工程地質(zhì)區(qū)為(Ⅲ)區(qū);其分布見圖1。

 

  3 各分區(qū)的工程地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件

 

  3.1 低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ )區(qū)

 

  該區(qū)揭示地層主要為第四系殘積粉質(zhì)黏土, 厚度為3 ～ 6 m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.008 m/d;三疊系中統(tǒng)二馬營組砂巖夾泥巖滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為23 m/d;三疊系下統(tǒng)和尚溝組砂泥巖滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為18 m/d, 泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d;三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖滲透系數(shù)K約為42 m/d, 泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d。

 

  本區(qū)表層均有較薄的第四系粉質(zhì)黏土覆蓋, 其透水性較差, 且多為山地地貌, 山體坡度為20°～ 60°, 有較好的地表水排水條件。工程地質(zhì)勘探的結(jié)果表明,地下水埋深都大于300 m。該區(qū)砂巖工程地質(zhì)條件較好, 為良好的天然持力層, 且地下水富集的可能性較低, 為隧道工程以及其他地下建筑工程提供了良好的地質(zhì)條件;該區(qū)內(nèi)存在地表徑流的作用, 地表存在較多靜水壓力和動水壓力集中帶, 為不良地質(zhì)提供了有利條件, 且由于地貌條件的限制, 在該區(qū)進(jìn)行地表工程建設(shè)存在一定地質(zhì)風(fēng)險。

 

  3.2 階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ )區(qū)

 

  如圖2所示, 該區(qū)揭露地層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土, 厚度為2 ～ 8 m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.008 m/d;第四系沖洪積圓礫土厚度為4 ～ 9 m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為80 m/d;第四系沖洪積卵石土厚度為3 ～ 5 m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為150 m/d;三疊系下統(tǒng)和尚溝組砂巖滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為25 m/d, 泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d;三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖夾泥巖滲透系數(shù)K約為42 m/d,泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d。

 

  本區(qū)由于為河流作用形成地貌河谷地貌, 局部存在第四系含水層, 且地形相對平緩, 有較好的儲水條件, 但由于含水層多被隔水層切割, 未能形成地下連續(xù)徑流。工程地質(zhì)勘探結(jié)果表明, 該地區(qū)的地下水成不連續(xù)分布, 且埋深也出現(xiàn)較大的差異, 地下水位高差為5 ～ 45 m。該區(qū)地層多為第四覆蓋層, 工程地質(zhì)條件較差, 且局部存在地下水富集的可能性。由于該區(qū)的地下儲存條件存在離散性, 因此地下水的分布和量級關(guān)系也是非線性的, 增加了勘察設(shè)計過程的不確定性。

 

  同時, 對于地下工程建筑來說, 第四系覆蓋層的工程地質(zhì)條件差[ 4] , 建議地下工程對該區(qū)進(jìn)行繞避。該區(qū)第四系覆蓋層中的卵礫石層為良好的天然持力層, 且為良好的含水層, 為人為用水提供了水文地質(zhì)條件, 同時山谷間的堆積物與當(dāng)?shù)亟涤炅坎痪邆浒l(fā)育泥石流的條件, 為民用建筑等工程建設(shè)提供了良好的地質(zhì)條件。

 

  3.3 山間盆地工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ )區(qū)

 

  如圖3所示, 該區(qū)揭露地層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土, 厚度為3 ～ 5 m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.008 m/d[ 2] ;第四系沖洪積圓礫土厚度為5 ～ 10m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為80 m/d;第四系沖洪積, 卵石土厚度為3 ～ 5 m, 滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為150 m/d;三疊系下統(tǒng)和尚溝組砂泥巖互層滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為18 m/d, 泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d[ 1] 。

 

  山間盆地發(fā)育有濁漳河南源源頭, 源于泉水(泉上為靈湫廟)[ 1] 。源頭泉水出露于圪洞溝溝口—發(fā)鳩山背斜東翼的單斜構(gòu)造與房頭廟正斷裂交匯處;房頭廟正斷裂西傾, 為大傾角正斷層, 含水介質(zhì)為砂巖、砂巖風(fēng)化裂隙發(fā)育帶、構(gòu)造破碎帶, 被泥巖分隔形成多層含水系統(tǒng)。地下水流向由西向東、由北向南。東邊界沿斷層形成強徑流帶, 沿北東向斷層帶通向泉口集中涌出, 為“順置式”地下水系統(tǒng), 屬斷層溢流泉。濁漳河的漳水南源古為長子縣舊八景之一, 稱“濁源瀉碧”, 河水從山腳下流出, 一片碧綠, 湍流直瀉, 西流東往, 老泉口石龍頭現(xiàn)已不出水, 南源為廟前一口井, 附近泉水總量0.82 L/s, 水位高程1 046 m, 該井為石哲鄉(xiāng)濁漳河兩岸村莊的主要飲用水源, 廟后發(fā)鳩山脈泉水不發(fā)育。

 

  通過對水文地質(zhì)勘探與水文地質(zhì)資料的分析, 鑒于該山間盆地的地下水活動高程主要在場地第一條水文地質(zhì)界線與第二條水文地質(zhì)界線附近(見圖4、圖5)。水文地質(zhì)勘探結(jié)果表明, 水文地質(zhì)界線附近存在地下強徑流, 建議工程活動如隧道、高層建筑等需要進(jìn)行大型施工開挖的工程應(yīng)對該區(qū)進(jìn)行繞避。若由于其他原因必須在該區(qū)進(jìn)行工程活動, 建議控制開挖深度,且需要進(jìn)行防水措施, 避免增加工程的地質(zhì)風(fēng)險和對當(dāng)?shù)厮?a href="http://m.tja100.com.cn/t/資源.html" >資源的破壞, 若在該區(qū)進(jìn)行隧道工程的建設(shè),建議加大埋深, 埋深最大值以第二條水文地質(zhì)界線以上100 m為下限。

 

  4 結(jié)論

 

  (1)該建筑場地地處沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶, 地形總體由西北至東南呈現(xiàn)出中間低、兩頭高的變化特點。在漫長的地質(zhì)發(fā)展過程中, 本區(qū)經(jīng)歷了多次造山運動和海進(jìn)海退的地質(zhì)旋回,使區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。因此, 根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件的差異, 把場地分為(1)低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ )區(qū);(2)階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ )區(qū);(3)山間盆地工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ )區(qū);是比較合理的, 具有較強的可操作性。

 

  (2)不同分區(qū)的水文地質(zhì)條件的控制因素不同,且各有特點, 對工程的影響也呈現(xiàn)出各異性。明確掌握各工程地質(zhì)分區(qū)的特點, 對預(yù)防工程地質(zhì)問題的發(fā)生具有一定的指導(dǎo)意義, 為鐵路選線提供可靠的依據(jù)。

 

  (3)通過對復(fù)雜工程地質(zhì)條件下工程地質(zhì)分區(qū)的探討、分析, 能更加有效、科學(xué)地認(rèn)識水文地質(zhì)條件, 預(yù)測工程施工中可能出現(xiàn)的地下水條件導(dǎo)致的問題, 從而規(guī)避鐵路施工、運營過程中的風(fēng)險, 實現(xiàn)鐵路工程在安全、穩(wěn)定的前提下進(jìn)行建設(shè), 提高工程經(jīng)濟(jì)性與合理性。