小三峡隧道总长18 954 m，最大埋深890 m。隧址区内局部上覆第四系全新统（Q4）地层，基岩大多裸露，出露地层有中统巴东组1～4段（T2b1-4）、下统嘉陵江组1～4段（T1j1-4）、下统大冶组1～4段（T1d1-4）地层。各地层岩性分别如下：
（1）第四系全新统（Q4）。
第四系全新统土层主要由人工堆积层、坡残积层、崩坡积层、冲洪积层等成因类型的块、碎石土、角砾土、漂石土、圆砾土、砂土及粉质黏土等组成，其中：
①人工堆积层（
）主要分布于集居区、中硐桥水库坝址区、隧道进口带采石场和局部乡村道路施工沿线，为工程施工弃渣或石灰石矿渣堆积、生活垃圾堆积，分布面积小，厚度一般为2～8 m。
②坡残积层（
）的砂黏土、粉质黏土等主要分布在缓坡平台一带，覆盖较广，厚度不大，一般为0～2 m，局部可达1～4 m。
③崩坡积层（
）以块、碎石为主，分布于斜坡坡麓或陡坡、陡崖坡脚一带，成分以灰岩、泥灰岩等块、碎石为主，一般厚度为5～20 m，局部可达40 m。
④冲洪积层（
）主要集中分布于白家沟、石马河、中硐河溪沟及大宁河河床沿线，部分溪沟支流沿线有零星分布，以块、漂石以及卵、砾石为主，成分为灰岩、泥灰岩等，厚度一般为3～10 m。
⑤漂石土（
）：灰色、灰白色，结构松散—稍密，潮湿—饱和，石质成分主要为灰岩、白云岩及泥灰岩类，漂石块径大小一般为20～200 cm，占60%，卵石大小为6～20 cm，占25%，其余为粗圆砾及砂类土充填。磨圆度较好，厚度一般为2～8 m。
（2）三叠系中统巴东组T2b。(www.xing528.com)
该组地层主要分布在中硐河以西，为隧道主要揭露地层之一，总厚度为1 014 m，岩性以泥岩、泥灰岩及灰岩为主。
①泥岩、砂岩夹泥灰岩、白云岩（T2b4）：主要为紫红色中厚—厚层砂质泥岩，夹同色钙质泥岩，局部夹薄层泥灰岩、灰岩，厚19～157 m。强风化带一般厚2～6 m。
②泥质灰岩夹灰岩、页岩（T2b3）：主要为灰、浅灰色薄—中厚层泥质灰岩，夹钙质页岩及白云质灰岩，局部具波痕构造，厚292～372 m，底部夹有一30 m的白云质灰岩或灰岩，为该层段主要的岩溶发育段，岩溶一般发育，局部有小型溶洞或岩溶泉，洞泾一般为0.5～1.3 m，多无充填，主要分布在可溶岩底部。
③泥岩夹砂岩（T2b2）：主要为紫红色泥岩，夹同色薄—中厚层石英粉砂岩，局部夹泥灰岩透镜体，底部普遍夹硬石膏及含铜砂岩透镜体，厚200～296 m。强风化带一般厚3～5 m。
④泥灰岩、白云岩夹泥岩（T2b1）：该组地层上部为灰、深灰色泥灰岩，下部为灰、深色薄层状泥灰岩夹薄层泥岩、白云岩，可见0～0.9 m玻屑凝灰岩或水云母页岩，底部含硬石膏，其强风化带一般厚4～8 m。
（3）三叠系下统T1。
①嘉陵江组（T1j）：该组地层主要为灰岩、白云质灰岩，角砾状灰岩不发育，根据岩性差异可划分为4段，但是各岩性段无明显分层标志，总厚533～1 041 m，地表岩溶中等发育，地表形态以溶沟、漏斗、落水洞及溶蚀槽谷为主。根据岩性差异该层可以划分为白云夹岩溶角砾岩（T1j4），白云岩及白云质灰岩夹泥灰岩（T1j3），白云岩夹灰质白云岩、岩溶角砾岩（T1j2），白云岩及灰岩（T1j1）。
②大冶组（T1d）：该层分布于中部齐岳山背斜轴部一带，与上覆T1j无明显分界标志，为滨海-浅海相碳酸盐地层，总厚341～771 m，依其岩性特征可以分为4个岩性段，地表岩溶中等发育，地表形态以溶沟、漏斗、落水洞及溶蚀槽谷为主。根据岩性差异，该层可分为灰岩夹泥灰岩（T1d4）、灰岩夹页岩（T1d3）、泥灰岩灰岩夹页岩（T1d2）、泥灰岩灰岩夹泥岩（T1d1）等4个岩性段。
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