復雜地質條件下隧道主要施工地質問題及對策探析
來源:用戶上傳
作者:
摘 要：四川省九寨溝至綿陽高速公路白馬隧道為深埋（最大埋深1092m）特長（左線長13013m，右線長13000m）隧道，工程地質條件復雜，圍巖分級、巖爆、大變形、涌突水、瓦斯、地溫等主要工程地質問題對設計及施工潛在影響極大，文章對這些重大工程地質問題進行了分析評價，并在施工中如何防治進行了探討。
關鍵詞：白馬隧道;圍巖分級;巖爆;大變形;瓦斯
中圖分類號：U455.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）10-0107-04
Abstract： The Baima Tunnel of Jiuzhaigou to Mianyang Expressway in Sichuan Province is a deep buried tunnel （the maximum buried depth is 1，092m， the length of the left line is 13，013m， the length of the right line is 13，000m）， and the engineering geological conditions are complex. The main engineering geological problems， such as surrounding rock classification， rock burst， large deformation， water inrush， gas， ground temperature and so on， have great influence on the design and construction. These important engineering geological problems are analyzed and evaluated in this paper， and how to prevent and cure in the construction is discussed.
Keywords： Baima Tunnel; surrounding rock classification; rock burst; large deformation; gas
1 概述
復雜地質條件下的深埋特長隧道，往往由于構造發育、地層多樣、巖性軟硬不均、巖體完整性差、水文地質條件復雜，加之埋深大，因而工程地質條件十分復雜。在勘察設計階段，圍巖級別的確定是基礎性工作，另外在施工中還可能面臨諸多施工地質問題，如在深埋段高地應力條件下硬質巖中可能發生巖爆，軟質巖中可能發生大變形，同時可能在儲水構造及斷裂破碎帶發生大的涌突水，如有煤系地層，還可能存在采空區及有害氣體問題。另外，還可能面臨巖溶、高地溫等問題。如桃園至巴中高速公路八廟隧道施工中于K110+356～K110+424發生了較強烈的巖爆，拱頂巖塊彈射距離達2～3m，部分格柵鋼架壓曲，拱部沉降變形嚴重[1]。南新鐵路大梁隧道DK331+816～DK331+886為碎裂板巖夾砂巖，開挖后最大累計沉降量為63.23cm，最大單日沉降量為4.1cm，最大收斂值為55.20cm，襯砌失效，部分圍巖掉落、垮塌，圍巖侵入隧道設計凈空，需要重新加固隧道[2]。湖北省鄖（縣）十（堰）高速公路大華山隧道出口段左洞施工至ZK23+909時，突發涌水狀況，地下水從掌子面炮孔及巖體裂隙中噴射而出，持續時間長達18天，隧道掘進施工被迫停止[3]。而隧道施工中發生瓦斯爆炸事故而死傷數人至數十人的事故也不鮮見。
由上述實例可見，在勘察階段詳細查明并正確預測評價這些潛在施工地質問題是隧道進行科學設計及順利建設的重要前提。在筆者負責勘察的九綿高速公路白馬隧道，即抓住隧道工程面臨的主要工程地質問題進行深入研究，并提出合理的防治措施建議，為設計及施工提供了科學依據。
2 工程概況
白馬隧道為四川省九寨溝至綿陽高速公路上的重要控制性工程，位于四川省平武縣與九寨溝縣交界處，為分離式隧道，左線長13013m，右線長13000m，最大埋深1092m。
隧址區為構造剝蝕高中山地貌，最高海拔約4000m。隧址區在大地構造上位于秦嶺造山帶、松潘甘孜造山帶和揚子陸塊銜接部位，隧址區有多條區域斷裂及分支斷裂通過，地質構造十分復雜。
場區地層主要為上古生界泥盆系中統三河口組板巖、砂巖及炭質板巖，局部出露印支期中酸花崗斑巖。
該隧道的地質勘察采用了地面地質調繪、綜合物探、鉆探、測試與試驗、水文地質專項研究等多種勘察手段，在進出口地段布設淺孔（<100m）共11個，在洞身地段布設深孔（>100m）共8個，其中孔深大于300m的鉆孔3個，最深鉆孔395.48m。通過綜合勘察及評價，查明了場地的主要工程地質條件，對隧道圍巖級別進行了劃分，合理評價了深埋隧道的巖爆、大變形、涌突水、高地溫、放射性及有害氣體等重要問題，為科學設計提供了依據。
3 圍巖分級
通地場地鉆探取樣測試，獲得了各主要巖性的單軸抗壓強度。通過地表露頭巖體結構面統計及深孔巖體波速測試，獲得了巖體完整性系數Kv。通過場區水文地質調查及鉆孔水文觀測，獲得了場地水文地質特征。并根據《公路隧道設計規范》（JTGD70-2004）對隧道圍巖級別進行了劃分（表1）。
根據上述隧道圍巖分級表，在綜合考慮圍巖受構造的影響程度、地下水、埋深等因素下，本隧道在以板巖為主的地段圍巖Ⅴ級為主，砂巖為主的地段圍巖以Ⅳ級為主，花崗斑巖圍巖劃為Ⅲ～Ⅳ級，斷層破碎帶劃為Ⅴ級。通過整個隧道左右線的圍巖級別統計，Ⅴ級圍巖占整個隧道的比例均略超過了70%，Ⅴ級圍巖所占比例之高，在四川地區長大越嶺公路隧道中是罕有的。目前該隧道進出口已累計施工約3Km，圍巖級別總體與勘察設計相符合，局部甚至比勘察提供的圍巖級別還差。但總體上，從目前開挖揭示的情況看，該隧道圍巖級別的劃分可靠性高，為合理框住造價、科學設計及順利施工奠定了堅實基礎。 4 巖爆評價
據YK43944.3R52及K45473.1R46.3兩個深孔水壓致裂法地應力測試成果，隧址區SH>SV>Sh，地應力狀態以水平構造應力為主。隧道最大埋深1092m，巖體平均容重取26.5kN/m3，則隧道最大埋深地段豎向主應力可達28.94MPa，側壓力系數取經驗值1.2，則最大水平主應力可達34.73MPa，可見，在隧道深埋地段，存在較高的地應力量級水平，存在發生巖爆的地應力條件。
巖性條件是巖爆發生的基本條件之一，巖質堅硬、巖石強度高，能存儲較高的地應力，易發生巖爆。在本隧道中部據物探解譯成果，存在約700m長段落的花崗斑巖，花崗斑巖巖質堅硬，單軸抗壓強度可達60～100MPa，具備發生巖爆的巖性條件。
巖體的結構類型是影響巖爆發生與否的重要條件之一，發生巖爆的地段一般圍巖完整性好，圍巖級別大多數為Ⅱ、Ⅲ級。本隧道花崗斑巖段屬Ⅲ級圍巖，其完整性具備發生巖爆的條件。
本隧道含砂巖段落較多，但據抗壓強度成果，其單軸抗壓強度一般介于30～50MPa，屬較硬巖，且受構造影響強烈，巖體一般裂隙發育，另據鄰近省道S205黃土梁隧道（長約5km，最大埋深六百多米）施工經驗，砂巖地段地下水相對發育，施工中未發生巖爆現象，因此，綜合分析后認為，在一般情況下，本隧道砂巖難以發生巖爆現象。
另外，《水利水電工程地質勘察規范》推薦利用圍巖強度應力比Rb/σ1的大小進行巖爆等級的判別（表2）。由于巖爆發生于硬質巖中，因此在應用強度應力比判據進行巖爆預測時，應同時滿足巖石單軸抗壓強度Rb>60MPa（即堅硬巖類）。
由于洞身段物探推測的花崗斑巖位于洞身中部，該處隧道設計埋深達千米，地表為懸崖及陡坡，交通條件極差，大型鉆探設備無法到位，因此未布設深孔對花崗斑巖進行驗證?；◢彴邘r的飽和抗壓強度取經驗值70MPa，選取場地高地應力的范圍值為20～34.73MPa，則Rb/σ1=2.02～3.5，據表2，則隧道根據所處地應力量級大小的不同，可能發生巖爆等級為輕微～中等程度的巖爆。
根據隧道各段的地應力量級、巖性條件、圍巖完整性和地下水狀態，結合巖石抗壓試驗成果或選取經驗值，綜合判定隧道可能發生巖爆的段落為左線K41+450～K42+050，右線YK41+400～YK42+000，長600m，巖爆等級為輕微～中等。
施工至該地段，應及時在掌子面和洞壁噴灑水，以軟化圍巖。為降低對圍巖的擾動，改善圍巖應力狀態，宜采用光面爆破技術，盡可能全斷面開挖，并可在掌子面施作超前鉆孔釋放應力。為避免混凝土剝落掉塊，應適當提高初期支護韌性，可噴射鋼纖維混凝土，并可在初支內設置雙層鋼筋網。為避免掌子面頂部飛石傷人，可于頂部設置小導管超前支護。
5 大變形分析
圍巖的變形特征主要取決于圍巖的巖性、巖體結構、地應力大小、地下水狀況等幾方面，同時也與洞形的幾何尺寸及圍巖的支護條件等密切相關。圍巖巖體的巖性特征、巖體結構特征是圍巖大變形的物質基礎，圍巖地應力環境如地應力大小、二次應力分布特征，巖體中地下水滲流狀態以及地熱條件或開挖后圍巖溫度差等是大變形的環境條件。當圍巖巖性軟弱，巖體結構破碎，尤其是巖石中含有一定親水性可膨脹礦物，在較高或高地應力條件下，在地下水軟化或促使巖石礦物膨脹等作用下，圍巖即可能發生超出原設計容許范圍的變形量，從而產生大變形現象。
從場地巖性來看，大部分地段以板巖為主，并含炭質板巖，二者均巖性軟弱，遇水易軟化，另外場地有多條斷層通過，斷層帶物質多結構破碎，部分可呈碎粉或泥狀，上述軟弱巖性均為大變形提供了物質基礎。取炭質板巖進行了自由膨脹率測試，自由膨脹率為20%，說明炭質板巖屬非膨脹性巖類，其可能產生大變形的原因并不是因為其巖石礦物成分，而應當是在受到高地應力條件下可能發生的擠出性變形。
從地應力條件看，場地深埋段地應力最高量級大于30MPa，處于高地應力狀態，具備發生大變形的地應力條件。
從地下水狀態看，場地碎屑巖具一定含水性。場地受構造影響強烈，總體上巖體結構較破碎，巖體具一定富水性的結構條件。隧址區溝谷深切，溝內在枯水季節一般均有少量水流，說明隧址區深部可能常年具一定地下水量。
由上述分析可見，場地板巖、炭質板巖、斷層破碎帶具相對軟弱巖性，部分地段地應力量級高，受構造影響強烈，巖體破碎，深部巖體存在地下水可能，因此具備發生圍巖大變形的各項條件，即場地在深埋高地應地段存在發生軟弱巖體的大變形可能。
至于大變形的強弱等級，采用應力強度比指標對隧道大變形等級進行劃分，如表3所示。
參考地應力測試及前述推演結果，場地地應力最高量值取34.73MPa，場地軟弱巖類單軸飽和抗壓強度取3～5MPa進行測算，則σz/Rb=6.95～11.58，據表3，則場地可能發生最高等級為中等～強烈的大變形。
在可能發生軟巖大變形的地段，施工中應控制臺階長度，尤其應盡量減小上臺階的長度，宜采用超短臺階法或微臺階法施工。初支應適當增強，甚至采用多層支護系統。應適當加長系統錨桿的長度，加強超前支護。仰拱應及時緊跟，盡早封閉成環。及時施作二次襯砌，可有效防止軟弱圍巖的蠕變。宜采用“先柔后剛、先放后抗、多重支護” 的總體控制思路。在施工中應遵循“弱爆破、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的總體施工原則。
6 涌突水分析
隧道通過區巖層基本為非可溶巖，場地中巖體主要為板巖、砂巖，砂巖可視為相對含水層，板巖視為相對隔水層。深部巖層滲透系數總體較小，地表水易順淺表層徑流排泄，不易往深層滲流;在控水構造部位（斷層破碎帶或裂隙密集帶），由于巖體破碎，且巖層傾角較陡時，則相對容易補給地下水，形成深部逕流。綜合考慮上述因素，應在各斷層通過的地段及破碎砂巖地段注意隧道的集中涌突水現象。 另外，根據降雨入滲法和地下逕流模數法對隧道涌水量進行了預測，隧道總的正常涌水量為33858m3/d。在斷層破碎帶地段及板巖進入厚層砂巖地段，可能會發生一定程度的集中涌水現象，在施工中應注意。而在逆坡施工地段，最大涌水量需考慮一定量的靜儲量水，局部地段瞬時涌水量可能較大，在施工中應有相應疏排水預案。斜井、豎井施工應準備必要的防水材料和設備機具，其堵、疏排地下水的能力需滿足設計要求。
7 地溫問題
在YK43944.3R52鉆孔及K45473.1R46.3鉆孔進行了地溫測試。據YK43944.3R52鉆孔地溫測量成果，其在56m處的實測地溫為14.47°C，56m以下的地溫梯度為1.38°C/100m，本隧道最大埋深1092m，則推測隧道最大埋深段地溫約為28.8°C，未達到高地溫范疇，但局部地段地溫可能會超過30°C。
據K45473.1R46.3鉆孔地溫測量成果，其在100m處的實測地溫為10°C，100m以下的地溫梯度為2.52°C/100m，推測隧道最大埋深段地溫最高約為35°C。根據《公路隧道施工技術規范》，隧道內氣溫不宜高于30°C，當高于30°C時，應采取通風降溫，噴霧、灑水降溫，加強作業人員個人防護等措施。因此，在隧道深埋段應加強溫度監測，當溫度高于30°C時，應采取適當的施工技術措施。
8 有害氣體評價
據鉆探及調繪，隧道圍巖含炭質板巖，據區域資料，隧道所穿越地層局部可能含雞窩狀劣質煤，隧道地層具瓦斯生成和賦存條件，且由于隧址區斷裂發育，構造復雜，深部或鄰近巖層中的有害氣體亦可向隧道運移。
另外，據本項目《四川省九寨溝至綿陽高速公路白馬隧道有害氣體專項評價報告》，隧道巖石相對生油能力較差，但具有良好～很好的生烴能力;現場共檢測隧道鉆孔4個，均有瓦斯顯示;室內4組氣樣分析均有瓦斯存在，瓦斯最大濃度2.12%;基于隧道鉆孔瓦斯檢測濃度的隧道開挖掌子面瓦斯逸出速度估算值為0.78m3/min;根據《公路瓦斯隧道技術規程》（DB51/T2243-2016）規定，綜合判定白馬隧道為低瓦斯隧道。
綜上所述，同時結合類似地層隧道設計及修建經驗，建議該隧道按低瓦斯隧道進行設計及施工，在施工過程中應加強通風及瓦斯的監測與安全防范工作，并根據監測結果采取相應動態設計及施工方案，確保施工安全。
9 結束語
白馬隧道已開工建設約兩年半，目前進出口主線共掘進完成約4km，據開挖揭示情況，總體而言，隧道主要工程地質問題與勘察設計階段的主要認識與結論吻合較好，為隧道順利施工墊定了良好基礎。
已施工段發生過幾次規模不大的涌水現象，一般均發生在板巖所夾的砂巖夾層中或破碎帶中，呈大股狀涌出，及時采取掌子面鉆孔排水、側壁注漿止水并加強支護的措施后，一般在數日后水量就明顯減小直至呈小股狀或淋雨狀。涌水對施工直接的影響不大，但應注意地下水對圍巖的軟化，如不及時處治，不及時封閉成環，可能造成大的塌方事故，造成大的設備損失及人員傷亡。
施工中一直持續保持瓦斯監測，瓦斯濃度一直維持在一個較低的水平，一般均小于0.15%，遠低于設計要求的0.3%的報警值，同時在施工中一直加強通風，目前按低瓦斯隧道施作是適宜的。
已施工段最大埋深近500m，圍巖以Ⅴ級為主，部分為Ⅵ級，巖性以板巖為主，部分為砂巖，巖體總體較破碎，如勘察階段的預測，隧道目前沒有發生巖爆現象。
正如我們在勘察設計階段所預料的一樣，大變形問題可能是該隧道的最主要問題。該隧道已有幾個段落變形較大，有時日變形速率達到驚人的數公分計，部分地段鋼拱架扭曲，初支侵限，給施工進度帶來較大的制約，并帶來較大安全隱患。
對于該隧道的大變形問題，參建各方已進行多次會商研討應對措施，并邀請各方專家多次到現場調研指導，但仍未找到各方均認同的有效處治方案。目前該隧道應對大變形的原則性措施，主要是采用加強加長系統錨桿，采用小導管和自進式錨桿，甚至采用雙層初支，雙層“工”字鋼等措施。另外在優化施工工法、提高施工工藝等方面也在積極探索。所幸目前整個隧道才掘進約4km，埋深還不很大，推算的地應力量級還不算高，還有較多的時機進行優化，相信隨著施工的不斷推進，經驗的不斷積累，一定能很快摸索出一套更加適合該隧道地質條件下的大變形綜合防治措施。
參考文獻：
[1]周道，等.八廟隧道巖爆特征與防治措施[J].中外公路，2014（1）：253-254.
[2]戴永浩，等.大梁隧道軟巖大變形及其支護方案研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34：4150-4151.
[3]李睿哲.大華山隧道涌水原因分析及處治措施[J].華東公路，2018（3）：50-51.
[4]GB 50487-2008.水利水電工程地質勘察規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.
[5]JTG D70-2004.公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[6]JTG/T D70-2010.公路隧道設計細則[S].北京：人民交通出版社，2010.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/1/view-14870572.htm
