玉磨铁路新平隧道区域地质分析及隧址优劣评价体系研究

　　摘要：为分析评价地质环境对隧道工程建设的影响，通过对隧址区域的地形地貌、区域地质构造、地层岩性、水文地质及地应力等地质因素调查分析，运用层次分析法对隧道场址优劣等级进行了风险评判。结果表明：1)受隧址区地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质、地应力等地质因素影响和控制，隧道围岩整体表现为破碎、富水软弱围岩，施工过程中极易诱发突泥涌水、坍塌、软岩大变形等不良地质现象;2)新平隧道场址优劣等级综合评价值为1.31，场址优劣等级为极差，建设风险极高;3)结合隧道施工实际揭露的围岩级别和发生地质灾害情况，验证了隧址优劣等级评价方法及结果的准确性和可靠性。

　　关键词：铁路隧道;区域地质分析;层次分析法;突泥涌水;优劣等级评价

　　1引言

　　随着综合国力的不断提升，隧道工程建设，正逐步向洞身长、埋深大、构造运动活跃等方向发展，其建设难度及面临的挑战愈发艰巨[1,2]。受复杂地质条件影响，突泥涌水、溜坍、软岩变形、岩爆等工程地质灾害时常威胁着隧道的施工安全。为确保隧道的安全、快速施工，应对隧址区域地质进行综合分析，掌握隧道建设的安全风险状态，对其工程建设的隧址优劣程度进行科学、合理的评级。在隧道区域地质分析方面，相关学者[3,4]，利用隧址的地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质条件，对隧道区段内可能出现的地质灾害进行了初步评估，并提出了相应的防控措施;赵天熙[5]，基于区域地震地质特征、区域断层活动性、新构造运动及现代构造应力场特征，对关角隧道区域地质进行分析，认为施工过程中，应加强突涌水、岩爆等工程地质灾害的防控。何宇[6]，通过对隧道节理密集带、向(背)斜、岩溶及断层破碎带等地质构造等因素的分析，系统地阐述了各类构造对隧道施工地质灾害的影响。在隧道区域工程评价方面，李孝攀[7]，运用层次分析法，对川藏铁路康定至昌都段地质灾害区域危险性进行评价分级，有效规避了大规模地质灾害点;李宝平[8]，基于层次分析法，对茶镇隧道地表沉降、拱顶下沉、水平收敛等影响因素的权重进行划分，提出隧道二次衬砌的最佳支护时机为开挖后第35天。

　　贺华刚[9]，利用层次分析法构建了隧道突涌水危险性评价模型，其预测结果与现场实测的判别结果具有较好的一致性，为隧道突涌水危险性评估提供了一种有效途径。前人对隧道类似评价模型的研究相对较多，但对区域工程隧址优劣程度的评价研究尚未涉及，而评价体系的构建，因评价的目标层差异，评价因素的选取，仍存在较大区别，因此，对隧道区域的地质条件进行分析，选取适合的评价指标进行工程隧址优劣程度评价，以便能更好的指导现场灾害防治工作。本文以区域隧道工程隧址的优劣评价为目标，通过对隧址区域地质的分析，选取适合的评价指标，运用层次分析理论，构建隧道工程隧址优劣评价体系，以期对同类隧道的风险评估工作提供参考。

　　2工程概况

　　新平隧道[10]位于哀牢山中山区北东侧云南省玉溪市新平县扬武镇境内，为Ⅰ级高风险隧道。隧道进口里程为D1K46+285，出口里程为D1K61+120，全长14835m，单洞双线隧道，辅助坑道设置为6个横洞和1个斜井，最大埋深578m，设计速度160km/h，为玉磨铁路全线控制性工程之一。

　　隧道洞身岩性主要为三叠系上统炭质页岩、砂岩，前震旦系昆阳群白云岩、灰岩、板岩、板岩夹砂岩。活跃的新构造运动、活跃的地下水环境、突泥涌水、坍塌、软岩大变形等，为主要面临的工程地质问题。 工程地质特征分析根据隧道沿线地形地貌、区域地质构造、地层岩性、地震活动、水文地质、地应力等地质特征，对隧址区域地质条件进行评价分析。

　　2.1地形地貌

　　玉磨铁路沿线，区域地貌可分为玉溪～新平高原湖盆区、哀牢山中山区、普洱-勐腊红层中山峡谷区、澜沧-勐海中山-盆地区，四个区域。新平隧道地貌区属玉溪～新平高原湖盆区，详见图2。该区地势由北向南倾斜，分水岭地带起伏较小，多为低中山地形，高原保留尚好。区内呈盆、岭相间的地形格局，山岭、盆地间常有较大的地形差，起伏剧烈;断崖耸立、对照性地形显著。地表覆盖层及风化层较厚，山岭、盆地四周及沟谷地带，地下水运动活跃，易于重力坡度富集运移。

　　2.2构造活动

　　(1)区域地质构造云南省区域内，大致可分为扬子亚板块(A)、印支亚板块(B)、滇缅泰亚板块(C)、华南亚板块(D)等4个一级板块;滇东拗陷带(a1)、康滇古隆起(a2)、滇中拗陷(a3)、盐源-丽江陆缘拗褶带(a4)，兰坪-思茅拗陷(b1)、中甸褶皱带(b2)、哀牢山褶皱带(b3)，保山褶皱带(c1)、腾冲褶皱带(c2),滇东南褶皱带(d1)等几类二级构造。玉磨铁路沿线地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带附近之扬子亚板块、印支亚板块、滇缅泰亚板块;三大亚板块以金沙江-红河断裂带和澜沧江深大断裂为分界。新平隧道隧址位于扬子亚板块(A)-康滇古隆起区(a2)，且位于云南“山”字型构造前弧石屏弧内，断裂和褶皱发育，并伴生有放射状横张断裂及斜交的压扭性断裂带。

　　(2)主要褶皱及断裂新平隧道隧址区总体位于石屏-建水断裂与红河断裂之间，靠近石屏-建水断裂的西北段，该断裂形成于元古代末期晋宁运动，由于长期演化和多期活动，形成400～500m宽的挤压破碎带，区内小型次生构造和小规模次生断裂极其发育。

　　2.2.1隧道主要褶皱及断裂：

　　1)鲁奎山向斜：向斜轴向N14°W，隧道与鲁奎山向斜相交，夹角约43°。发育于前震旦系昆阳群大龙口组(Pt1d)白云岩、灰岩夹板岩地层中，为区域性褶曲。向斜轴部地层破碎严重，富含地下水。2)新寨背斜：隧道与背斜夹角约36°。向斜走向N17°W，前震旦系昆阳群大龙口组(Pt1d)白云岩、灰岩夹板岩地层中，属鲁奎山向斜伴生褶曲。

　　3)新寨逆断层：隧道与断层夹角约20°。断层走向近SN向，倾角75°，断层破碎带宽约10m。4)大开门-新寨逆断层：隧道与断层夹角约29°。断层走向N3°～23°W，倾角70°，断层破碎带宽约30m。5)写莫逆断层：隧道与断层夹角约20°。断层走向N10°～30°E，倾角40°～75°，断层破碎带宽约20m。6)扬武-赵米克逆断层：隧道与断层夹角约50°。断层走向约N80°E，倾角70°，断层破碎带宽约13m。

　　7)阿不都逆断层：隧道与断层近似垂直相交，断层走向N50°～83°W，倾角60°，断层破碎带宽约10m。鲁奎山向斜和新寨背斜为复式褶皱构造，隧道穿越其核部，由于褶皱核部是岩层受构造应力最为强烈、最为集中的部位，岩层破碎且富含地下水，隧道与褶皱构造小角度相交，相交部位附近洞身围岩稳定性差，极易产生突泥涌水、坍塌等不良地质现象。

　　5条次生逆断层小断裂大部分与隧道轴线小角度相交，受构造应力作用，相交处出现强烈的挤压破碎现象，岩层产状紊乱，层面扭曲程度严重，围岩极其破碎，其形成的断层破碎带作为导水通道传输地下水，易出现涌突等不良地质现象。此外，区内次生断裂扬武-青龙厂断裂走向与新平隧道近似平行，直线间距约200m，扬武～青龙厂断裂为一条早～中更新世活动断裂，断层下盘岩层为前震旦系昆阳群黑山头组(Pt1hs)板岩夹砂岩;上盘岩层为T3g炭质页岩、粉砂质页岩，宽度约260m。断层走向N48°E，倾向NW，倾角75°～80°，局部变缓或变陡，为逆断层。新平隧道位于扬武-青龙厂断裂及影响带中，围岩条件差、完整性差，地下水发育，给隧道建设将带来较大的地质风险。

　　(3)地震活动

　　因受印度板块向北偏东的强烈推挤和川滇菱形块体向南南东滑移的强力楔入叠加作用，导致区域内动力地质作用特别是新构造运动强烈且频繁。新平隧道隧址区域属于鲜水河—滇东地震带，该带有史以来共记录到8.0～8.9级地震1次，即1833年9月6日嵩明8级地震，M≥8级地震1次，即1833年云南嵩明8级地震、M7.0～7.9级地震31次、M6.0～6.9级地震116次、M5.0～5.9级地震421次。

　　同时，场区内有史以来共发生7级以上大地震7次，其余多为4～6级地震，这些地震的发震构造均是规模较大的全新世走滑活动断裂，6级以上地震基本发生在全新世、晚更新世活动断裂附近或第四纪盆地附近。另外隧道场区附近发育扬武-青龙厂活动断裂，该区域地震动峰值加速度a为0.20～0.25g;地震烈度主要位于Ⅶ～Ⅷ烈度带。根据区域构造稳定性分级，综合判断隧道区域构造稳定性分级属于区域构造稳定性较差，具有地震活动剧烈、地震频繁且震级大、地震烈度高、新构造运动活跃的特点。

　　2.3地层岩性

　　隧址区出露的主要地层为：上覆第四系全新统坡崩积层(Q4dl+col)碎石土，坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土。三叠系上统干海子组(T3g)页岩、炭质页岩、砂岩夹煤层。此层上接地表覆土，风化较为严重，向下与黑头山组(Pt1hs)板岩夹砂岩，呈断层接触。前震旦系昆阳群绿汁江组(Pt1lz)白云岩夹灰岩，鹅头厂群(Pt1e)板岩夹灰岩、白云岩，大龙口组(Pt1d)灰岩、白云岩夹板岩，富良棚组(Pt1f)凝灰岩、板岩夹砂岩，黑山头组第六段(Pt1hsf)板岩夹砂岩、黑山头组(Pt1hs)板岩夹砂岩。由地质年代分析可知，新平隧道缺失晚元古代(Pt2)、古生代(寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系)以及中生代(三叠系下统及中统)地层，同时前震旦系与三叠系上统地层产状不同，属于角度不整合接触关系。

　　地层的缺失表明该区域构造运动极其活跃、地质构造发育。下伏元古代前震旦系地层，岩层古老，历经多期构造运动，岩性变化频繁，空间交错分布，岩体破碎，疏松软弱。其中，昆阳群地层以泥质板岩、变质砂岩为主，差异性风化显著;板岩以泥质胶结为主，透水性差，岩质软弱，强度低，变质砂岩透水性好;两种岩性空间交错展布，由岩性变化引起的富水体和隔水体交错分布，且无明显的分布规律，加之构造挤压作用，结构面发育，多以风化裂隙为主。结构面岩层倾角多为35°～55°，且与隧道轴向多呈小角度(<30°)相交，岩体破碎呈饱和碎砾状或者碎砾土状，隧道围岩整体属于软岩，自稳性差。

　　2.4水文地质

　　新平隧道沿线，属红河水系，地表水主要为山间沟水，山间沟水为常年性流水，山间冲沟平时干涸，雨后涨水;主要来自大气降水补给，部分为基岩裂隙水补给。地表水受降雨控制明显，雨季流量大，枯水季节水量小或者干涸，受气候及季节性降雨影响显著。地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水、断裂构造裂隙水。

　　线路与云南山字形构造前弧及其伴生断裂、褶皱小角度相交，岩体节理裂隙发育，结构面延伸性和贯通性较好，隧道与扬武-青龙厂断裂伴行，为地下水远距离运移提供了通道。鲁奎山向斜为一富水向斜，地下水自南东鲁奎山一带向向斜核部汇聚，向北东径流，受北东-南西向扬武-青龙厂断裂阻隔后以泉水出露地表。泉点位于隧道洞身标高之上，隧道施工存在袭夺地表泉点风险，造成涌水灾害。

　　3评价体系及判定准则

　　3.1评价的指标体系

　　基于对隧道区域的地质分析，选取围岩基本质量、结构面特征、区域构造活动、地下水状态、地应力等指标作为准则层，围岩强度、围岩完整性、结构面产状、断裂构造、地震震级(烈度)、地下水出露状态、地应力级别作为指标层，构建隧道区域工程隧址优劣评价体系。

　　3.2评价指标判定标准

　　依据相关规范[11-13]，针对指标层，建立相应的评判标准。a.围岩基本质量特征评判标准b.结构面特征评判标准c.区域构造活动评判标准隧道选线过程中，应尽量避开大型构造及构造发育带，无法避开时，应尽可能使其与隧道轴向大角度相交，从而，降低对隧道施工的影响范围。

　　4隧址优劣等级评价

　　4.1评价指标敏感性分析

　　通过对有关隧道[14-16]数据的搜集，基于层次分析法(AHP)的基本准则，对所有的数据进行无量纲处理后，将各参数的所有数据除以其中的最大值，使所有数据的值都在0～1之间。由于每项指标因素对评价模型的影响程度不同，会出现一定的偏差，该项评价指标越重要，则对评价模型的影响程度越高，对应的曲线应该更接近直线。该项评价指标越不重要，则对评价模型的影响程度越低，对应的曲线会越偏离曲线。

　　即，各指标因素的偏离程度越高，其敏感度越低，该评价指标的影响因子也就越小。各评价指标偏离度顺序为：地震活动>围岩强度=地下水状态>地应力>围岩完整性>结构面产状>构造活动，而敏感度与偏离度呈负相关，则各指标敏感性顺序为：构造活动>结构面产状>围岩完整性>地应力>地下水状态=围岩强度>地震活动。

　　5结论与建议

　　(1)隧址区域地质条件决定隧道修建的围岩条件和应力环境。隧道区域地质分析方法应遵循从宏观到微观、先抽象后具体、从面到点、从大到小的原则。通过隧道区域地质分析预测隧道修建过程中可能存在的地质风险，并制定相应的防控措施达到降低或避免风险目的。

　　(2)受隧址区地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质、地应力等地质因素影响和控制，隧道围岩整体表现为完整性差、破碎、富水软弱围岩，施工过程中极易发生突泥涌水、坍塌、软岩大变形等不良地质现象。(3)基于构造活动、产状、围岩完整性、地应力、地下水状态、围岩强度、地震活动等评价指标，采用层次分析法对隧址优劣等级进行评价，可将隧址优劣等级分为优秀、良好、较差、差、极差五个级别，结果表明新平隧道隧址优劣等级为极差，施工风险极高。

　　(4)结合隧道施工实际揭露的围岩级别统计和发生的地质灾害情况，进一步验证了隧道区域地质分析成果以及隧址优劣等级评价方法和结论的准确性和可靠性。(5)建议将隧址优劣评价方法与成果应用于隧道选线方案比选或风险评估，可作为比选方案优劣或隧道风险等级评判的依据。

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　　作者：王华1,3，孙意2，李永志1，潘岳1,3，彭桂彬1