溫州雁蕩山地區鐵路隧道施工地質問題探討

文章編號：

1009-4539 (2021) 02 - 0085 - 05

設計咨詢

溫州雁蕩山地區鐵路隧道施工

地質問題探討

聶信輝

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司湖北武漢

430063)

摘要

：塌方、掉塊、圍巖整體失穩等是隧道施工中要解決的主要難點問題。浙江雁蕩山地區的鐵路客運專線和貨

運專線兩個項目分布有雙線隧道、單線隧道。各隧道所穿越的山體地形、巖石地層等存在一定差異，

28 km6.4 km

圍巖穩定性、施工工況具有豐富性和多樣性。雁蕩山地區工程地質條件較好，但在隧道進出口、淺埋地段，特別是風

化層深厚地段，隧道施工易發生拱頂塌方冒頂；加之圍巖壓力過大、隧底軟化，地基承載力不足，易導致圍巖整體變形

下沉。本文結合雁蕩山地區火山運動及成巖背景，分析了該地區巖體結構、隧道工程地質條件，并結合隧道施工中出

現的問題提出改進隧道設計、施工、現場管理的建議，可為本地區以后隧道工程的勘察、設計及施工提供參考。

關鍵詞

：熔結凝灰巖巖體結構面隧道圍巖分級不穩定工況

中圖分類號：文獻標識碼：：

U451 +.2; P51 A DOI 10.3969/j. issn. 1009-4539.2021.02.019

Discussion on the Key Issues of Railway Tunnel Construction in Yandang

Mountain Area of Wenzhou

NIE Xinhui

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd.，Wuhan Hubei 430063China)

，

Abstract

：

Collap, block drop, and overall instability of surrounding rock were the main difficult problems to be solved in

tunnel construction. The two railway pasnger dedicated lines and freight dedicated lines in the Yandang Mountain area of

Zhejiang were distributed with 28 kilometers of double-track tunnels and 6.4 kilometers of single-track cargo tunnels. The

tunnels had certain differences in traversing mountain topography and rock strata. The construction conditions show a

relatively rich diversity. The engineering geological conditions of the Yandang Mountain area were well, but at the entrance

and exit of the tunnel, shallow-buried ctions, especially ctions with deep weathered layers, tunnel construction was

prone to vault collap and roof fall

；

in addition, the surrounding rock pressure was too large, the tunnel bottom was

softened, and the foundation bearing capacity was insufficient, it was easy to cau the overall deformation and sinking of

the surrounding rock. Bad on the volcanic movement and diagenetic background of the Yandang Mountain area, this

paper analyzed the rock mass structure and tunnel engineering geological conditions in this area, and put forward

suggestions for improving tunnel design, construction, and site management for the problems that occurred during tunnel

construction. It could provide reference for the survey, design and construction of future tunnel projects in this area.

Keywords

：

sintered tuff rock mass structural plane tunnel surrounding rock classification unstable condition

；；；

_ 貨運專線兩個項目分布有雁蕩山隧道等總長約為

m 28 的十一座雙線客專隧道，以及烏石嶺隧道等

km

浙江溫州樂清市雁蕩山地區鐵路客運專線和 總長約為6.4 的八座單線貨運隧道。隧道群分

km

收稿日期：

2020-10-25

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題（

K2018G015)

作者簡介：聶信輝（），男，浙江慈溪人，高級工程師，主要從事巖土工程，鐵路勘察設計工作；

1969—E-mail: *********************

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RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2021 (02)

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聶信輝：溫州雁蕩山地鐵路隧道施丨:地質問題探討

K

布于雁蕩山核心景區（世界地質公園）至中雁蕩山

風景區東側邊緣的低山丘陵火山巖山體中，南北分

布范圍約60 。

km

客專隧道和貨運隧道均歷時約三年完成施工，

各隧道施工總體保持了平穩安全的狀態。各隧道

在穿越山體地形、巖石地層等存在一定差異，圍巖

穩定、施工工況表現出較為豐富的多樣性。本文對

本地區巖層成因、巖體結構、圍巖形態進行闡述，結

合隧道施工中出現的典型的圍巖穩定工況分析，提

出優化隧道設計、施工和管理的建議。

碎屑物粒徑大小可進-?步劃分為粗火山灰、細火山

灰和火山塵三種。在酸性巖漿噴發時，主要成分一

般是玻屑和火山灰，巖屑和晶肩居次要地位；在中

基性巖漿噴發中，巖屑和晶屑數量相對增加。凝灰

巖有些由成分單一的火山灰厚積而成，有些系酸性

巖涌流成因，稱為流紋質凝灰巖。

(2) 熔結凝灰巖，是雁蕩山地區廣泛分布的主

要地層巖體，其在第一、第三、第四巖石地層單元中

普遍發育，也是隧道工程穿越的主要巖層。其成因

是火山作用時，剛性和塑性物質構成的熾熱火山碎

屑流，在重力流動和負荷壓力的共同作用下，在沿

地表流動（或地下涌流）、堆積過程中，使得火山碎

屑物質彼此熔結成巖。其碎屑物質包括火山作用

中熔巖被粉碎而形成的熾熱的熔漿碎屑和玻屑、

火山塵、熔漿晶屑，以及灼熱的剛性巖屑。形成的

結構構造為熔結凝灰結構、熔結角礫結構和假流

紋構造。熔結凝灰巖因熔結凝灰結構，巖石命名

為“熔結凝灰巖”。由于成因差異，熔結凝灰巖通

常細分為流紋質熔結凝灰巖、流紋質玻屑熔結凝

灰巖等。

(3) 流紋巖，噴溢相火山巖是形成雁蕩山景區

2區域地質特性

2.1地質構造

雁蕩山破火山是中國燕山地質運動中巖漿大

爆發的一個典型代表。在中生代時期，太平洋板塊

向亞洲大陸板塊低角度斜向俯沖，地處中國東南沿

海的雁蕩山白堊紀破火山，即在這一具有全球意義

的構造背景下形成。該巖帶以酸性巖漿的爆發占

主導地位，大面積的火山碎屑流堆積，包括未熔結、

熔結凝灰巖，其巖漿爆發的體積約48萬3。三期

km

破火山活動，造就了雁蕩山享譽中外的奇秀名山。

從工程地質來說，地質公園內巖體抬升、剝蝕、切

割，導致火山根部天然裸露成多方位立體斷面模

型，其產物涵蓋了不同巖相的巖石，包括地面涌流

堆積、火山碎屑流堆積、空落堆積、基底涌流堆積和

流紋質熔巖等，巖石地層單元、巖相剖面、巖石結構

均十分典型。工程區先后經歷了四期噴發，自下而

上形成四個巖石地層單元。最后一期火山噴發后

又有巖漿侵人，構成一個侵入單元 _4]。

n

距今三千多萬年前至二千多萬年前，雁蕩山沉

沒在海中，巖體受到海水的侵蝕。以后又遭到多次

海水進退侵蝕作用，巖體又進一步剝蝕風化。層層 巖性以酸性、中性為主，正、斜長石礦物成分含量

疊置的巨型流紋巖經過一億多年的地質作用，形成

了銳峰疊嶂穹巖巨谷的地質奇觀。從工程地質來

看，區域巖層呈現強度高、整體性較好的總體特性，

以及局部存在巖體破碎、堆積層厚薄不一、侵蝕風

化嚴重的地質現象。

2.2地層巖性

(1)凝灰巖，是火山碎屑巖的細分，其組成的火

山碎屑物質有50%以上的顆粒直徑小于2 ,成

mm

分主要為火山灰，在火山噴發中凝（熔）結而成。依

86

觀賞巖體的主體。火山作用時，巖漿從火山通道中

比較平靜溢流和侵出，使巖體具有顯著的流紋構造

而命名。噴溢的流紋巖，由于內部流動和冷卻條件

的差異，其上部、中部和下部巖石的結構和巖石類

型有明顯的區別。巖流單元的上部，流紋構造比較

發育;球泡流紋巖一般發育在流動單元中上部或中

下部，含角礫流紋巖（流紋不規則）一般發育在巖流

單元的下部。

(4) 花崗斑巖，在雁蕩山附近山體，侵入巖大多

以巖株、巖脈形式出現，巖基地表裸露情況較少。

高，屬淺層巖，巖石命名為花崗斑巖,地勘報告命名

為二長花崗斑巖。隧道穿越山體，經常會遇到巖漿

侵人巖的情況。

3場區隧道圍巖特征

3.1巖體結構面及其影響

對于圍巖強度較高的隧道，通常情況下圍巖穩

定可以認為主要受到結構面、風化程度和相對開挖

斷面空間位置影響:5_7]。雁蕩山地區的火山巖巖體

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整體性較好,巖體強度較高。表1以熔結凝灰巖為

例，說明圍巖結構面的主要形態及其影響。

表熔結凝灰巖結構面及其影響

1

序號巖體狀態

1

2

3

4

5

6

7

8

段、斷裂破碎帶；級圍巖主要位于級圍巖的過

IVV

渡段和淺埋段；、級圍巖位于正常深埋的山體

nm

巖層中。、1級圍巖占總長的52. 5%。由于貨運

UII

隧道以中短隧道為主，進出口淺埋段相應圍巖級別

較低，所占比例偏高。以其中三條中長隧道的圍巖

長度分布進行統計，、級圍巖占總長的7〇.〇%，

nni

與客運隧道的圍巖級別分布基本相同。地質勘探資

料和現場掘進情況顯示，場區圍巖狀況總體較好。場

區中長隧道的構造帶總長度約占總長的2. 〇%。

結構面

(

帶）分類

主要特點

結合面位置不規則，厚度變化大；

對圍巖穩定有影響

厚度變化大，特殊情況下對圍巖

穩定有影響

節理面規則、緊密，對圍巖穩定有

影響

豎向分布為主，斷裂縫寬不等，黏

土填充;對圍巖穩定影響較大

破裂面密布，結構面難以區別；對

圍巖穩定影響較大

熔結面軟化受地下水影響加重；

;

對圍巖穩定影響較大

層理面軟化受地下水影響加重； 化巖體

;

對圍巖穩定影響較大

節理面軟化受地下水影響加重；

;

對圍巖穩定影響較大

巖體軟化成黏土，結合面等結構

面成為圍巖穩定的滲水通道、薄

弱面;對圍巖穩定影響大

懷結結合面

未風化

巖體

(~

巨塊

塊狀）

層理面

節理面

構造影響帶

構造破碎帶

溶結結合面

中、強風

(~

塊狀

碎塊狀）

層理面

節理面

全風化

巖體

4影響場區圍巖穩定的重點因素

(1) 場區淺層土

雁蕩山地區山體石峰聳立、植被茂盛，山體表

構造帶

巖體

層土總體不發育，局部受地質作用影響，存在一定

厚度的堆積層。根據地質縱斷面和現場施工情況，

山體表層土大多小于2 ，對隧道進出洞影響不大。

m

但是，在大型山坳沖溝處、山體崩塌發育的坡腳區，

局部地層的堆積土厚達十余米。因堆積土地層往

往地下水也發育，圍巖地層的穩定性很差，隧道施

工須引起特別重視。

(2) 地下水作用

場區屬亞熱帶季風氣候區，雨水充沛。地下水

受地形及雨水補給影響較大,通常發育于沖溝匯水

區、地質構造巖石破碎帶區域。地質勘察報告和隧

道掘進顯示，中等富水區出現情況不多，地下水水

壓不高，最大涌水量小于200 3/。淺埋隧道圍巖

md

穩定受地下水影響較大，對深埋隧道影響不大。

(3) 風化和海水侵蝕作用

在通常情況下，巖體受風化侵蝕作用有限，弱

風化層基巖埋深較淺。但是,在貨運鐵路五重山隧

道穿越丘陵山包時，深埋29 圍巖出現全風化的情

m

況;客專雪嶺隧道和附近的貨運隧道，均出現隧底

以下10余米處出現全風化土層的情況。這種超深、

超強風化土對圍巖穩定影響很大。出現這種情況

的原因可以理解為兩處地層系崩石堆積所致。因

堆積地層結構松散，其分布深度又處于海蝕和風化

交替作用的不利位置，受風化和海水侵蝕作用比較

強烈，導致巖塊完全侵蝕軟化。

9

軟弱面

3.2隧道穿越場區地層形態及圍巖穩定

工程區總體屬低山丘陵地區，最高山峰約700 ,

m

濱海平原地面標高約5.0 ，隧道線路高程一般為

m

25 左右。因此，隧道以穿越500 以下的低山為

mm

主，少部分穿越500 ~ 700 的中低山。按隧道埋置

m

深度和穿越地層分類，圍巖拱部自穩狀況見表2。

表隧道穿越地層圍巖自穩狀況

2

序號圍巖自穩性

1

2

3

4

5

625~

7

8

9 500 ~

10

隧道穿越地層

穿越山坳沖溝

不穩定

不穩定

不穩定?暫時穩定

不穩定-暫時穩定

不穩定?暫時穩定

穩定

不穩定-暫時穩定

基本穩定

穩定（偶發輕微巖爆）

不穩定~暫時穩定

隧道埋

置深度

隧道埋

深小于

25 m

穿越堆積地層

穿越風化破碎地層

穿越偏壓地層

穿越破碎巖層

穿越正常地層

穿越地質破碎帶

穿越破碎地層

穿越正常地層

穿越地質破碎帶

隧道埋

深

500 m

隧道埋

深

700 m

3.3隧道圍巖等級分布統計

按隧道設計規范對隧道進行圍巖分級[8^]。

隧道級圍巖主要位于進出口淺埋段、沖溝淺埋

V

5隧道施工圍巖不穩定工況及分析

(1)全風化圍巖拱頂塌方

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圍巖拱頂塌方是隧道施工非常嚴重的工程事

故，可能造成重大的損失111 。場區隧道施工極少

發生塌方情況，僅在五重山隧道進口段發生一次塌 阻，采用地基加固等措施后，才艱難掘進進洞。

方。隧道塌方處埋深29 ，位于丘陵山包頂部小平

m

臺處，土體濕潤，塌方處圍巖呈全風化“土夾石”狀

態。塌方發生在掘進掌子面處。掘進爆破約5

h

后，從邊墻開始出現小掉快，進而變形發展;約1〇

h

后出現拱部塌方，形成寬約4.5 、長約3.5 、高約

mm

5 的塌腔，塌方體積約50多立方。塌方系圍巖土

m

體塑性變形、剪切破壞。

塌方的基本原因是圍巖松散、自穩性差，初支

不及時。但是，在圍巖和施工工況相近的情況下，

為何塌方在此循環發生，而不是在之前的開挖循環

中發生？分析認為，塌方循環位于山頂平臺處，地

層自重壓力最大，邊墻風化土在應力水平較高的地

層壓力作用下塑性變形發展，導致拱部土體失穩，

形成拱部塌方。

(2)拱部掉塊

根據不完整統計，發生掉塊情況約為20余次，

掉塊發生概率約為0.2%,屬于小概率事件。拱部

掉塊體積均小于10 3，通常與爆破同時發生。除

m

淺埋因素，發生圍巖掉塊與圍巖軟硬、結構面發育

程度、埋深、開挖斷面尺寸等因素關系不大。換言

之，發生掉塊與圍巖結構面不利組合有關，是不利

結構面組合的概率結果。

圖1為貨運鐵路某隧道拱部掉塊發生現場。掉塊

發生在級強風化凝灰巖圍巖中，拱頂埋深約14 ,掉

Vm

塊體系巖層頂板位于拱頂中央，可以明顯看出不利

的結構面組合關系。

中很少見。年，在客運專線雪嶺隧道進洞掘進

2005

時，因拱部初支下沉量過大（約20 ),導致進洞受

cm

分析原因，除了洞身圍巖坡積土不穩定，偏壓

地層使支護結構受力狀態差，主要原因是隧底軟

化。除了如前所述的落石遭海水侵蝕風化成黏土，

地基承載力較低，還因地下水發育，加之施工擾動，

導致隧底地基承載力進一步降低，致使發生圍巖整

體失穩。另外，拱架支護剛度不足，施工進洞方案

考慮欠周全,以及處置措施等也存在一定問題。

6結論與建議

(1) 雁蕩山地區隨道圍巖巖石堅硬，巖體多成

塊狀結構，工程地質條件較好，隧道施工病害較小，

施工中發生的問題主要以拱頂掉塊為主。但在隧

道進出口、淺埋地段，特別是風化層深厚地段，隧道

施工易發生拱頂塌方冒頂；加之圍巖壓力過大，隧

底軟化，地基承載力不足，易導致圍巖整體變形下

沉。設計及施工中應采取針對性的預防措施。

(2) 根據區域圍巖掉塊通常由不利結構組合下

發生的特點，隧道系統錨桿打設應根據施工揭示的

地質情況，尤其是結構面特征進行動態優化。在

uni

、級圍巖地層，當施工揭示無不利結構面或組

合時，系統錨桿可以優化；在圍巖不利結構面比較

確定情況下，應針對性地打設錨桿，以穩固巖體。

對于、級圍巖來說,開挖后有暫時穩定性，在拱

IVv

架跟進支護的條件下，設計采用的系統錨桿也可以

進行優化。對于淺埋的土石堆積級圍巖地層來

v

說，通常在超前支護和開挖后拱架支護下施工，拱

架的鎖腳錨桿必要時應予加強。

(3 10003—2016

) 《鐵路隧道設計規范》（)對

TB

隧道圍巖判別提出了定量指標，在圍巖基本分級的

基礎上提出了圍巖的亞分級。其中級圍巖設a、

VV

.三個亞級，級圍巖設、二個亞級。

IVIVaIVb

從現場實施情況看，設置圍巖亞級，使現場根據圍

巖及穩定情況更有針對性地選擇支護措施。對于

設計來說，在施工圖設計文件中，系統全面地闡述

場區的地質歷史、巖層成因、巖體結構、地層命名，

細化明確圍巖分級標準，對工程技術人員加深圍巖

性質的理解及指導施工十分必要。

圖拱部掉塊現場照片

1

(3)圍巖整體失穩

圍巖整體失穩導致隧道不能正常掘進，對隧道

施工會造成極大的危害，這種情況在場區隧道施工

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(上接第72頁）

業的激光掃描儀，形成三維可視化掃描結果，控制

隧道超欠挖及仰拱預制件鋪設質量。

4.3樣機試制

仰拱拼裝機樣機已完成試制，樣機如圖7所示。

在工廠內搭建隧道模型，按照隧道設計開挖仰拱， 2011(2) :256 -261.

預制仰拱塊，模擬隧道施工過程，驗證仰拱拼裝機

是否達到設計要求。

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用，解決傳統仰拱施工存在的問題。

目前的試驗結果表明，仰拱拼裝機性能達到了

設計要求，各項功能滿足施工需求，能夠實現仰拱

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RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2021 (02)

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