復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道主要施工地質(zhì)問題及對策探析

1 概述
　　復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋特長隧道，往往由于構(gòu)造發(fā)育、地層多樣、巖性軟硬不均、巖體完整性差、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，加之埋深大，因而工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜。在勘察設(shè)計階段，圍巖級別的確定是基礎(chǔ)性工作，另外在施工中還可能面臨諸多施工地質(zhì)問題，如在深埋段高地應(yīng)力條件下硬質(zhì)巖中可能發(fā)生巖爆，軟質(zhì)巖中可能發(fā)生大變形，同時可能在儲水構(gòu)造及斷裂破碎帶發(fā)生大的涌突水，如有煤系地層，還可能存在采空區(qū)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(fā)生了較強(qiáng)烈的巖爆，拱頂巖塊彈射距離達(dá)2～3m，部分格柵鋼架壓曲，拱部沉降變形嚴(yán)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(shè)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(fā)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(xù)時間長達(dá)18天，隧道掘進(jìn)施工被迫停止[3]。而隧道施工中發(fā)生瓦斯爆炸事故而死傷數(shù)人至數(shù)十人的事故也不鮮見。
　　由上述實例可見，在勘察階段詳細(xì)查明并正確預(yù)測評價這些潛在施工地質(zhì)問題是隧道進(jìn)行科學(xué)設(shè)計及順利建設(shè)的重要前提。在筆者負(fù)責(zé)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(zhì)問題進(jìn)行深入研究，并提出合理的防治措施建議，為設(shè)計及施工提供了科學(xué)依據(jù)。
　　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(qū)為構(gòu)造剝蝕高中山地貌，最高海拔約4000m。隧址區(qū)在大地構(gòu)造上位于秦嶺造山帶、松潘甘孜造山帶和揚(yáng)子陸塊銜接部位，隧址區(qū)有多條區(qū)域斷裂及分支斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。
　　場區(qū)地層主要為上古生界泥盆系中統(tǒng)三河口組板巖、砂巖及炭質(zhì)板巖，局部出露印支期中酸花崗斑巖。
　　該隧道的地質(zhì)勘察采用了地面地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、測試與試驗、水文地質(zhì)專項研究等多種勘察手段，在進(jìn)出口地段布設(shè)淺孔（<100m）共11個，在洞身地段布設(shè)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(zhì)條件，對隧道圍巖級別進(jìn)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(xué)設(shè)計提供了依據(jù)。
　　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(qiáng)度。通過地表露頭巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計及深孔巖體波速測試，獲得了巖體完整性系數(shù)Kv。通過場區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查及鉆孔水文觀測，獲得了場地水文地質(zhì)特征。并根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）對隧道圍巖級別進(jìn)行了劃分（表1）。
　　根據(jù)上述隧道圍巖分級表，在綜合考慮圍巖受構(gòu)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(tǒng)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(qū)長大越嶺公路隧道中是罕有的。目前該隧道進(jìn)出口已累計施工約3Km，圍巖級別總體與勘察設(shè)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(xué)設(shè)計及順利施工奠定了堅實基礎(chǔ)。 　　4 巖爆評價
　　據(jù)YK43944.3R52及K45473.1R46.3兩個深孔水壓致裂法地應(yīng)力測試成果，隧址區(qū)SH>SV>Sh，地應(yīng)力狀態(tài)以水平構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力可達(dá)28.94MPa，側(cè)壓力系數(shù)取經(jīng)驗值1.2，則最大水平主應(yīng)力可達(dá)34.73MPa，可見，在隧道深埋地段，存在較高的地應(yīng)力量級水平，存在發(fā)生巖爆的地應(yīng)力條件。
　　巖性條件是巖爆發(fā)生的基本條件之一，巖質(zhì)堅硬、巖石強(qiáng)度高，能存儲較高的地應(yīng)力，易發(fā)生巖爆。在本隧道中部據(jù)物探解譯成果，存在約700m長段落的花崗斑巖，花崗斑巖巖質(zhì)堅硬，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)60～100MPa，具備發(fā)生巖爆的巖性條件。
　　巖體的結(jié)構(gòu)類型是影響巖爆發(fā)生與否的重要條件之一，發(fā)生巖爆的地段一般圍巖完整性好，圍巖級別大多數(shù)為Ⅱ、Ⅲ級。本隧道花崗斑巖段屬Ⅲ級圍巖，其完整性具備發(fā)生巖爆的條件。
　　本隧道含砂巖段落較多，但據(jù)抗壓強(qiáng)度成果，其單軸抗壓強(qiáng)度一般介于30～50MPa，屬較硬巖，且受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體一般裂隙發(fā)育，另據(jù)鄰近省道S205黃土梁隧道（長約5km，最大埋深六百多米）施工經(jīng)驗，砂巖地段地下水相對發(fā)育，施工中未發(fā)生巖爆現(xiàn)象，因此，綜合分析后認(rèn)為，在一般情況下，本隧道砂巖難以發(fā)生巖爆現(xiàn)象。
　　另外，《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》推薦利用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σ1的大小進(jìn)行巖爆等級的判別（表2）。由于巖爆發(fā)生于硬質(zhì)巖中，因此在應(yīng)用強(qiáng)度應(yīng)力比判據(jù)進(jìn)行巖爆預(yù)測時，應(yīng)同時滿足巖石單軸抗壓強(qiáng)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(shè)計埋深達(dá)千米，地表為懸崖及陡坡，交通條件極差，大型鉆探設(shè)備無法到位，因此未布設(shè)深孔對花崗斑巖進(jìn)行驗證?；◢彴邘r的飽和抗壓強(qiáng)度取經(jīng)驗值70MPa，選取場地高地應(yīng)力的范圍值為20～34.73MPa，則Rb/σ1=2.02～3.5，據(jù)表2，則隧道根據(jù)所處地應(yīng)力量級大小的不同，可能發(fā)生巖爆等級為輕微～中等程度的巖爆。
　　根據(jù)隧道各段的地應(yīng)力量級、巖性條件、圍巖完整性和地下水狀態(tài)，結(jié)合巖石抗壓試驗成果或選取經(jīng)驗值，綜合判定隧道可能發(fā)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，宜采用光面爆破技術(shù)，盡可能全斷面開挖，并可在掌子面施作超前鉆孔釋放應(yīng)力。為避免混凝土剝落掉塊，應(yīng)適當(dāng)提高初期支護(hù)韌性，可噴射鋼纖維混凝土，并可在初支內(nèi)設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)。為避免掌子面頂部飛石傷人，可于頂部設(shè)置小導(dǎo)管超前支護(hù)。
　　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(jié)構(gòu)、地應(yīng)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(hù)條件等密切相關(guān)。圍巖巖體的巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)特征是圍巖大變形的物質(zhì)基礎(chǔ)，圍巖地應(yīng)力環(huán)境如地應(yīng)力大小、二次應(yīng)力分布特征，巖體中地下水滲流狀態(tài)以及地?zé)釛l件或開挖后圍巖溫度差等是大變形的環(huán)境條件。當(dāng)圍巖巖性軟弱，巖體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(fā)生超出原設(shè)計容許范圍的變形量，從而產(chǎn)生大變形現(xiàn)象。
　　從場地巖性來看，大部分地段以板巖為主，并含炭質(zhì)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(zhì)多結(jié)構(gòu)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(zhì)基礎(chǔ)。取炭質(zhì)板巖進(jìn)行了自由膨脹率測試，自由膨脹率為20%，說明炭質(zhì)板巖屬非膨脹性巖類，其可能產(chǎn)生大變形的原因并不是因為其巖石礦物成分，而應(yīng)當(dāng)是在受到高地應(yīng)力條件下可能發(fā)生的擠出性變形。
　　從地應(yīng)力條件看，場地深埋段地應(yīng)力最高量級大于30MPa，處于高地應(yīng)力狀態(tài)，具備發(fā)生大變形的地應(yīng)力條件。
　　從地下水狀態(tài)看，場地碎屑巖具一定含水性。場地受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，總體上巖體結(jié)構(gòu)較破碎，巖體具一定富水性的結(jié)構(gòu)條件。隧址區(qū)溝谷深切，溝內(nèi)在枯水季節(jié)一般均有少量水流，說明隧址區(qū)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(zhì)板巖、斷層破碎帶具相對軟弱巖性，部分地段地應(yīng)力量級高，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體破碎，深部巖體存在地下水可能，因此具備發(fā)生圍巖大變形的各項條件，即場地在深埋高地應(yīng)地段存在發(fā)生軟弱巖體的大變形可能。
　　至于大變形的強(qiáng)弱等級，采用應(yīng)力強(qiáng)度比指標(biāo)對隧道大變形等級進(jìn)行劃分，如表3所示。
　　參考地應(yīng)力測試及前述推演結(jié)果，場地地應(yīng)力最高量值取34.73MPa，場地軟弱巖類單軸飽和抗壓強(qiáng)度取3～5MPa進(jìn)行測算，則σz/Rb=6.95～11.58，據(jù)表3，則場地可能發(fā)生最高等級為中等～強(qiáng)烈的大變形。
　　在可能發(fā)生軟巖大變形的地段，施工中應(yīng)控制臺階長度，尤其應(yīng)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(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)，甚至采用多層支護(hù)系統(tǒng)。應(yīng)適當(dāng)加長系統(tǒng)錨桿的長度，加強(qiáng)超前支護(hù)。仰拱應(yīng)及時緊跟，盡早封閉成環(huán)。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(hù)” 的總體控制思路。在施工中應(yīng)遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的總體施工原則。
　　6 涌突水分析
　　隧道通過區(qū)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(shù)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(gòu)造部位（斷層破碎帶或裂隙密集帶），由于巖體破碎，且?guī)r層傾角較陡時，則相對容易補(bǔ)給地下水，形成深部逕流。綜合考慮上述因素，應(yīng)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(xiàn)象。 　　另外，根據(jù)降雨入滲法和地下逕流模數(shù)法對隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)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(jìn)入厚層砂巖地段，可能會發(fā)生一定程度的集中涌水現(xiàn)象，在施工中應(yīng)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(yīng)有相應(yīng)疏排水預(yù)案。斜井、豎井施工應(yīng)準(zhǔn)備必要的防水材料和設(shè)備機(jī)具，其堵、疏排地下水的能力需滿足設(shè)計要求。
　　7 地溫問題
　　在YK43944.3R52鉆孔及K45473.1R46.3鉆孔進(jìn)行了地溫測試。據(jù)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(dá)到高地溫范疇，但局部地段地溫可能會超過30°C。
　　據(jù)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(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，隧道內(nèi)氣溫不宜高于30°C，當(dāng)高于30°C時，應(yīng)采取通風(fēng)降溫，噴霧、灑水降溫，加強(qiáng)作業(yè)人員個人防護(hù)等措施。因此，在隧道深埋段應(yīng)加強(qiáng)溫度監(jiān)測，當(dāng)溫度高于30°C時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)措施。
　　8 有害氣體評價
　　據(jù)鉆探及調(diào)繪，隧道圍巖含炭質(zhì)板巖，據(jù)區(qū)域資料，隧道所穿越地層局部可能含雞窩狀劣質(zhì)煤，隧道地層具瓦斯生成和賦存條件，且由于隧址區(qū)斷裂發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，深部或鄰近巖層中的有害氣體亦可向隧道運(yùn)移。
　　另外，據(jù)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(xiàn)場共檢測隧道鉆孔4個，均有瓦斯顯示;室內(nèi)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(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》（DB51/T2243-2016）規(guī)定，綜合判定白馬隧道為低瓦斯隧道。
　　綜上所述，同時結(jié)合類似地層隧道設(shè)計及修建經(jīng)驗，建議該隧道按低瓦斯隧道進(jìn)行設(shè)計及施工，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)及瓦斯的監(jiān)測與安全防范工作，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)動態(tài)設(shè)計及施工方案，確保施工安全。
　　9 結(jié)束語
　　白馬隧道已開工建設(shè)約兩年半，目前進(jìn)出口主線共掘進(jìn)完成約4km，據(jù)開挖揭示情況，總體而言，隧道主要工程地質(zhì)問題與勘察設(shè)計階段的主要認(rèn)識與結(jié)論吻合較好，為隧道順利施工墊定了良好基礎(chǔ)。
　　已施工段發(fā)生過幾次規(guī)模不大的涌水現(xiàn)象，一般均發(fā)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(cè)壁注漿止水并加強(qiáng)支護(hù)的措施后，一般在數(shù)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(yīng)注意地下水對圍巖的軟化，如不及時處治，不及時封閉成環(huán)，可能造成大的塌方事故，造成大的設(shè)備損失及人員傷亡。
　　施工中一直持續(xù)保持瓦斯監(jiān)測，瓦斯?jié)舛纫恢本S持在一個較低的水平，一般均小于0.15%，遠(yuǎn)低于設(shè)計要求的0.3%的報警值，同時在施工中一直加強(qiáng)通風(fēng)，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(yù)測，隧道目前沒有發(fā)生巖爆現(xiàn)象。
　　正如我們在勘察設(shè)計階段所預(yù)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(dá)到驚人的數(shù)公分計，部分地段鋼拱架扭曲，初支侵限，給施工進(jìn)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(jìn)行多次會商研討應(yīng)對措施，并邀請各方專家多次到現(xiàn)場調(diào)研指導(dǎo)，但仍未找到各方均認(rèn)同的有效處治方案。目前該隧道應(yīng)對大變形的原則性措施，主要是采用加強(qiáng)加長系統(tǒng)錨桿，采用小導(dǎo)管和自進(jìn)式錨桿，甚至采用雙層初支，雙層“工”字鋼等措施。另外在優(yōu)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(jìn)約4km，埋深還不很大，推算的地應(yīng)力量級還不算高，還有較多的時機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，相信隨著施工的不斷推進(jìn)，經(jīng)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(zhì)條件下的大變形綜合防治措施。