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1、山东科技大学工程硕士专业学位论文1第一章 绪论1.1 工程概述及工程与水文地质特征1.1.1 工程概述圆梁山深埋特长隧道是渝怀线的关键性控制工程，隧道全长 11068m。隧道进口位于细砂车站怀化端，车站伸入隧道 949m，出口紧邻炭厂河一号大桥。隧道地处渝、鄂、黔三省市毗连地区，为川东褶皱山地与鄂西山地、贵州高原的接触带，属中、低山地形。主要发育毛坝向斜、桐麻岭背斜及伴生断裂、向斜区内发育较多横张断裂。地貌形态明显受构造和岩性控制，具带状展布特征，以褶皱构造为骨架，形成北北东向山脉和纵向河谷相间。隧道穿越乌江水系与沅江水系的分水岭武陵山脉。地形条件十分困难，地质条件异常复杂，该隧道被称为国内隧
2、道设计、施工禁区。该工程主要工程地质问题有：岩溶涌（突）水、高水压、高应力及煤层瓦斯，其中岩溶、高压富水地质是最为关键的问题。 11.1.2 水文、气象特征本区水系基本呈格子状水系，主河流大多沿北北东向发育。背、向斜中的可溶岩地块中多为各自封闭的岩溶洼地，难以形成较大的地表径流。本区河流除细纱河属于乌江水系外，其余均属沅江水系，两者分水岭位于毛坝向斜西翼标高 1350m 以上的长条形山地。本区气候温和，具有春雨、夏旱、秋绵、冬干的特点，多年平均气温17.7，最高温度 44.1，最低气温 8.1。多年平均降水量 1386.6mm，且分布不均匀，主要集中在 5、6、7、8 四个月，占年降雨量的 5
3、4.3%，各月降雨量、气候的垂直分带较明显，随海拔高度的增加年平均气温降低、雨量增加。1.1.3 地层岩性本区广泛分布巨厚层的海相地层，出露最老的地层为桐麻岭背斜轴部的寒武系中统高台组，最新为毛坝向斜部的三叠系下统嘉陵江组，中间缺失整个石炭系、志留系中、上统和泥盆系中、下统。本区出露地层由新至老分述如下。工程地质状况如图 1所示。（1）三叠系（T）嘉陵江组（T 1j）：灰色薄层至中厚层状泥岩、白云质灰岩，未见顶，与下伏地层整合接触。属 V 级次坚石。山东科技大学工程硕士专业学位论文2大冶组（T 1d）：厚 378m，按其岩性可分为三段。大冶组一段（T 1d1）：灰绿色薄层状泥岩夹泥灰岩，底部的
4、黄绿色水云母粘土岩与下伏地层分界，整合接触，厚17m，属级软石。该段在走向上分布不稳定，在向斜东翼杉木坳至茨竹坝变薄至尖灭。二段（T 1d2）：上部为浅灰色厚层状鲕粒灰岩及生物碎屑灰岩，厚 326m，属 V 级次坚石。三段（T 1d3）：紫红色薄层泥岩、砂质泥岩夹泥灰岩及灰岩，厚 34m，属级软石。（2）二叠系（P）长兴组（P 2c）：灰、深灰色中至厚层状燧石结核灰岩，局部地段成为白云岩化的生物灰岩，厚 52m，与下伏地层呈整合接触，属 V 级次坚石。吴家坪组（P 2w）：上部为深灰、灰黑色薄至中厚层状灰岩与硅质灰岩不等厚互层；中、下部为厚 510m 灰黑色薄层含炭泥岩及煤层（厚 0.050.
5、3m） 、铝土质泥岩，含较多黄铁矿结核，底界面凹凸不平，厚 84m，与下伏地层呈假整合接触，属级软石级次坚石。茅口组（P 1m）：浅灰、灰色厚层状灰岩，含少量燧石结核，下部为灰黑色中厚层状沥青质灰岩，含透镜状有机质泥岩及燧石结核，俗称“眼球状灰岩” ，厚 249m，与下伏地层呈整合接触，属 V 级次坚石。栖霞、梁山组（P 1l+q）：灰、深灰色中厚层状灰岩与灰黑色沥青质泥岩，厚183m，属 V 级次坚石。底部梁山组厚 1.8m，（3）三叠系（D）本区内残留上统水车坪组（D 3s）：厚 40m，属级软石，与下伏地层呈假整合接触。岩性由上至下分别为：灰、黄色中厚层状灰岩，黄绿、紫红色泥岩，底部为厚
6、2.9m 灰白色厚层状细粒石英岩状砂岩。（4）志留系（S）志留系在中部为黄绿色，紫红色薄层状泥岩、砂质泥岩，下部为灰绿色薄至中厚层状粉砂岩与砂质泥岩不等厚互层，底部为黄绿色、黑色粉砂质页岩，厚 1960m，与下伏地层呈整合接触，属级软石。（5）奥陶系（O）奥陶系中、上统（O 2+3）：由上至下分别为黑色薄层状页岩、深灰色含泥灰岩（瘤状灰岩） ，灰色中厚层状龟裂纹灰岩，下部为灰、灰绿色瘤状灰岩，厚 75m，与下伏地层呈整合接触，属级软石V 级次坚石。山东科技大学工程硕士专业学位论文3大湾组（O 1d）：上部为灰绿色薄层状粉砂岩夹钙质泥岩；中部为紫红色薄至中厚层状泥灰岩；下部为灰绿色、紫红色薄层状
7、钙质泥岩，厚 145m，与下伏地层呈整合接触，属级软石。红花圆、分乡及南津关组（O 1n+f+h）：上部灰至深灰色厚层状结晶灰岩；中部为灰绿色薄层状灰岩与钙质泥岩互层；下部为灰色中至厚层状灰岩，含白云质及燧石结核；底部为厚 3040m 灰色厚层状生物碎屑灰岩，含较多介壳化石，厚 254m，与下伏地层整合接触，属 V 级次坚石。（6）寒武系（）毛田组（ 3m）：灰色中厚状含白云质灰岩、灰质白云岩，上部夹竹叶状灰岩及燧石结核；具涡卷状构造，底部具假鲕状结构，厚 190m，与下伏地层整合接触，属V 级次坚石。耿家店组（ 3g）：灰色中至厚层状结晶白云岩，细至中晶结构，砂状断口，下部含灰岩及白云质灰岩
8、，厚 333m，与下伏地层整合接触，属 V 级次坚石。平井组（ 2p）：灰色薄至中厚层状白云质灰岩、灰岩，常具涡卷状构造，偶见豹皮状构造，底部为黄色薄层状泥质白云岩夹钙质泥岩，厚 373m，与下伏地层整合接触，属 V 级次坚石。高台组（ 2g）：零星出露于背斜轴部，本区内未见底，岩性为灰色中厚层状白云岩，属 V 级次坚石。1.1.4 地质构造本区构造单元属扬子准地台东南部的上扬子台坳，为川东陷褶束之秀山穹褶束与黔江凹褶束结合部。区内主要发育毛坝向斜、桐麻岭背斜及伴生断裂，次级褶皱不发育，仅在桐麻岭背斜西翼发现一次级褶曲，向斜区内发育较多横张断裂。在地表 DK352+710DK355+600 为
9、二叠系（P） 、三叠系下统（T 1）可溶岩地层构成的毛坝向斜地段，DK351+465DK352+710 和 DK355+600DK357+820 为泥盆系（D） 、志留系（S）非可溶岩地层构成的翼部地段，DK357+820DK362+530 为寒武系（） 、奥陶系（O）可溶岩地层构造的桐麻岭背斜地段，DK358+750DK358+900 为耿家店组（ 3g）可溶岩地层构成的冷水河浅埋段，此段隧道埋深约 150180m。测区内断裂主要为 NNE 向的纵向断裂和 NWW 向的横向断裂，形成了燕山期。测区内共有 13 个断层，其中桐麻岭背斜区 3 条，毛坝向斜区 10 条，除山东科技大学工程硕士专业
10、学位论文4F1、F 2、F 3、F 01、F 02为走向逆断层，具压性特征外，其余均为横向断层，具张扭特性。山东科技大学工程硕士专业学位论文5山东科技大学工程硕士专业学位论文61.1.5 隧道通过地带岩溶和岩溶水发育分布特征（1）毛坝向斜通过地带岩溶和岩溶水隧道穿越毛坝向斜富水区长度 2200m，通过泥盆系（D 3S）中厚层灰岩、泥岩，二叠系栖霞、梁山组（P 1l+q）中厚层灰岩与泥岩互层，二叠系茅口组（P 1m）厚层灰岩，二叠系吴家坪组（P 2w）中厚层灰岩、中下部含炭泥岩及煤层（厚 0.030.3m） 。向斜翼部最大埋深 780m，核部最小埋深 550m。该段正常涌水量 55000m3/d
11、，最大涌水量83000m3/d，特大暴雨之后，可达 m3/d。毛坝向斜与区域主要构造形迹的产状一致，其南段呈北北东向，而向北渐变为北东向，总体形貌呈向北西凸出的弧形。两翼为下古生界，核部为上古生界中古生界，核部向斜的形态呈长舟形状。南北长 65km，东西宽23.5km；平面形态呈“S”状；总体走向为北东南南西向；两端分别向北东和南南西方向扬起。（2）冷水河浅埋段岩溶和岩溶水DK358+750DK358+900 段为 3g可溶岩地层构成的冷水河浅埋段，此段隧道埋深约 150180m 左右。 3g地层因冷水河河谷深切，风化与卸荷回弹致使浅部 075m段裂隙相当发育，通过地表河水动态观测，表明冷水河
12、在隧道通过地带存在渗漏。该段正常涌水量 10000m3/d，最大涌水量 15000m3/d。从位于背斜西翼冷水河边 Ddz-y-5#钻孔的钻探结果来看，地下水具承压性，水头高出孔口 1.3m（海拔高程 688.14m） ，浅部比深部岩溶发育。浅部（75m 以上）岩溶发育以溶蚀裂隙及蜂窜状溶孔为主。溶蚀裂隙多为直立的溶蚀裂隙与沿层面发育的溶蚀裂隙，地下水为岩溶孔隙裂隙水，岩石渗透性较好（k 3g 浅 =0.1130m/d） ；深部（100m 以下）岩溶发育较差，以孤立的溶孔为主。而且不连续，偶见蜂窝状溶孔，见少量溶蚀裂隙；地下水主要赋存于溶孔中，岩层渗透性较浅部差（k 3g 深 =0.0113m
13、/d） 。（3）桐麻岭背斜核部岩溶和岩溶水桐麻岭背斜区在本区内为四周被地表水系所切割的单独水文地质单元，地下水为寒武、奥陶系下统的岩溶水。DK357+655DK358+750 地段属奥陶系中、上统（Q 2+3） 、下统的大湾组（Q 1d） 、红花圆和分乡及南津关（O 1n+f+h） 、寒武系上统的毛田组（ 3m） 、耿家店组（ 3g）等以灰岩、白云质灰岩为主构成的桐麻岭背斜西翼部分，其预测正常涌水量为 4300m3/d，最山东科技大学工程硕士专业学位论文7大涌水量为 6450m3/d。DK358+750DK358+900 地段属桐麻岭背斜西翼寒武系耿家店组（ 3g）的白云质灰岩、灰岩为主的冷水
14、河浅埋段，其预测正常涌水量为 10000m3/d，最大涌水量为15000m3/d。DK358+900DK359+925 地段属桐麻岭背斜核部西部寒武系耿家店组（ 3g） 、平井组（ 2p） 、高台组（ 2g）以白云质灰岩、灰岩为主地段，其正常涌水量为：6840m3/d，预测最大涌水量为 10300m3/d。DK359+925DK360+675 地段属桐麻岭背斜核部西部寒武系平井组（ 2p） 、高台组（ 2g）以白云质灰岩、灰岩为主地段，其预测正常涌水量为 4890m3/d，最大涌水量为7350m3/d。DK360+675362+530 地段属桐麻岭背斜核部东部及东翼寒武系高台组（ 2g） 、平
15、井组（ 2p） 、耿家店组（ 3g） 、毛田组（ 3m）及下奥陶（O 1n+f+h）以白云质灰岩、灰岩为主地层的地段，其预测正常涌水量为 12100m3/d，最大涌水量为 18200m3/d。（4）隧道涌水量及毛坝向斜区水压预测全隧道总涌水量预测全隧道正常总涌水量为：9.810 4m3/d。全隧道正常总涌水量为：14.510 4m3/d。特大暴雨之后，全隧道最大涌水量可能达 30104m3/d 以上。毛坝向斜区水压预测根据深孔钻探资料证实存在 P2w+c、P 1q+m两层呈压水。相对于隧道洞身标高而言，其静水头（H）：P 1q+m为 460m，P 2w+c为 446m。这表明在隧道洞身处确实存
16、在 P1q+m层段4.6Mpa 和 P2w+c层段 4.46Mpa 的静水压力。 31.2 研究的必要性国内外在高水压、富水、岩溶地层修建的隧道不多，施工技术并不成熟。日本青函隧道全长 53.85km，海底段长 23.3km，埋深最浅处距海底 100m（此处海水深 140m） ，共有 10 多条大断层和 1000 多条小断层，大断层的影响大，近断层处的破碎带海水易灌入，施工过程中曾遇到四次大的突水、涌泥。例如：1974 年 1 月 8 日，吉冈作业坑最大涌水量达 15840m3/d，采用注浆堵水法直接通过，处理时间为 362 天；1976 年 5 月 6 日，吉冈作业坑又发生 m3/d 涌水，采用遇回导坑法通过，处理时间为山东科技大学工程硕士专业学位论文8162 天，给施工造成了很大损失。青函隧道的灌浆材料主要为矿渣胶体水泥和（S）1 水玻璃
