復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道主要施工地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策探析

1 概述
　　復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋特長(zhǎng)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(jì)階段，圍巖級(jí)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(wèn)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(shí)可能在儲(chǔ)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(wèn)題。另外，還可能面臨巖溶、高地溫等問(wèn)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(kāi)挖后最大累計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)間長(zhǎng)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(jiàn)。
　　由上述實(shí)例可見(jiàn)，在勘察階段詳細(xì)查明并正確預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)這些潛在施工地質(zhì)問(wèn)題是隧道進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)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(wèn)題進(jìn)行深入研究，并提出合理的防治措施建議，為設(shè)計(jì)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(yáng)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(zhǎng)13013m，右線長(zhǎng)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(guò)，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。
　　場(chǎng)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(cè)試與試驗(yàn)、水文地質(zhì)專項(xiàng)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(gè)，在洞身地段布設(shè)深孔（>100m）共8個(gè)，其中孔深大于300m的鉆孔3個(gè)，最深鉆孔395.48m。通過(guò)綜合勘察及評(píng)價(jià)，查明了場(chǎng)地的主要工程地質(zhì)條件，對(duì)隧道圍巖級(jí)別進(jìn)行了劃分，合理評(píng)價(jià)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(wèn)題，為科學(xué)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　3 圍巖分級(jí)
　　通地場(chǎng)地鉆探取樣測(cè)試，獲得了各主要巖性的單軸抗壓強(qiáng)度。通過(guò)地表露頭巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)及深孔巖體波速測(cè)試，獲得了巖體完整性系數(shù)Kv。通過(guò)場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查及鉆孔水文觀測(cè)，獲得了場(chǎng)地水文地質(zhì)特征。并根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）對(duì)隧道圍巖級(jí)別進(jìn)行了劃分（表1）。
　　根據(jù)上述隧道圍巖分級(jí)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(jí)為主，砂巖為主的地段圍巖以Ⅳ級(jí)為主，花崗斑巖圍巖劃為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，斷層破碎帶劃為Ⅴ級(jí)。通過(guò)整個(gè)隧道左右線的圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)，Ⅴ級(jí)圍巖占整個(gè)隧道的比例均略超過(guò)了70%，Ⅴ級(jí)圍巖所占比例之高，在四川地區(qū)長(zhǎng)大越嶺公路隧道中是罕有的。目前該隧道進(jìn)出口已累計(jì)施工約3Km，圍巖級(jí)別總體與勘察設(shè)計(jì)相符合，局部甚至比勘察提供的圍巖級(jí)別還差。但總體上，從目前開(kāi)挖揭示的情況看，該隧道圍巖級(jí)別的劃分可靠性高，為合理框住造價(jià)、科學(xué)設(shè)計(jì)及順利施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 　　4 巖爆評(píng)價(jià)
　　據(jù)YK43944.3R52及K45473.1R46.3兩個(gè)深孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)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(yàn)值1.2，則最大水平主應(yīng)力可達(dá)34.73MPa，可見(jiàn)，在隧道深埋地段，存在較高的地應(yīng)力量級(jí)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(jiān)硬、巖石強(qiáng)度高，能存儲(chǔ)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(zhǎng)段落的花崗斑巖，花崗斑巖巖質(zhì)堅(jiān)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(jí)別大多數(shù)為Ⅱ、Ⅲ級(jí)。本隧道花崗斑巖段屬Ⅲ級(jí)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?yè)?jù)鄰近省道S205黃土梁隧道（長(zhǎng)約5km，最大埋深六百多米）施工經(jīng)驗(yàn)，砂巖地段地下水相對(duì)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(jí)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(cè)時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb>60MPa（即堅(jiān)硬巖類）。
　　由于洞身段物探推測(cè)的花崗斑巖位于洞身中部，該處隧道設(shè)計(jì)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(wú)法到位，因此未布設(shè)深孔對(duì)花崗斑巖進(jìn)行驗(yàn)證。花崗斑巖的飽和抗壓強(qiáng)度取經(jīng)驗(yàn)值70MPa，選取場(chǎng)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(jí)大小的不同，可能發(fā)生巖爆等級(jí)為輕微～中等程度的巖爆。
　　根據(jù)隧道各段的地應(yīng)力量級(jí)、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(yàn)成果或選取經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)600m，巖爆等級(jí)為輕微～中等。
　　施工至該地段，應(yīng)及時(shí)在掌子面和洞壁噴灑水，以軟化圍巖。為降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)，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(kāi)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(shí)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(kāi)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(jì)容許范圍的變形量，從而產(chǎn)生大變形現(xiàn)象。
　　從場(chǎng)地巖性來(lái)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(chǎng)地有多條斷層通過(guò)，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(cè)試，自由膨脹率為20%，說(shuō)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?yàn)槠鋷r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(chǎng)地深埋段地應(yīng)力最高量級(jí)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(chǎng)地碎屑巖具一定含水性。場(chǎng)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(shuō)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(jiàn)，場(chǎng)地板巖、炭質(zhì)板巖、斷層破碎帶具相對(duì)軟弱巖性，部分地段地應(yīng)力量級(jí)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(xiàng)條件，即場(chǎng)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(jí)，采用應(yīng)力強(qiáng)度比指標(biāo)對(duì)隧道大變形等級(jí)進(jìn)行劃分，如表3所示。
　　參考地應(yīng)力測(cè)試及前述推演結(jié)果，場(chǎng)地地應(yīng)力最高量值取34.73MPa，場(chǎng)地軟弱巖類單軸飽和抗壓強(qiáng)度取3～5MPa進(jìn)行測(cè)算，則σz/Rb=6.95～11.58，據(jù)表3，則場(chǎng)地可能發(fā)生最高等級(jí)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(tái)階長(zhǎng)度，尤其應(yīng)盡量減小上臺(tái)階的長(zhǎng)度，宜采用超短臺(tái)階法或微臺(tái)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(zhǎng)系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度，加強(qiáng)超前支護(hù)。仰拱應(yīng)及時(shí)緊跟，盡早封閉成環(huán)。及時(shí)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(cè)、早封閉”的總體施工原則。
　　6 涌突水分析
　　隧道通過(guò)區(qū)巖層基本為非可溶巖，場(chǎng)地中巖體主要為板巖、砂巖，砂巖可視為相對(duì)含水層，板巖視為相對(duì)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(shí)，則相對(duì)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(guò)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(duì)隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，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(huì)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(chǔ)量水，局部地段瞬時(shí)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(jì)要求。
　　7 地溫問(wèn)題
　　在YK43944.3R52鉆孔及K45473.1R46.3鉆孔進(jìn)行了地溫測(cè)試。據(jù)YK43944.3R52鉆孔地溫測(cè)量成果，其在56m處的實(shí)測(cè)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(cè)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(huì)超過(guò)30°C。
　　據(jù)K45473.1R46.3鉆孔地溫測(cè)量成果，其在100m處的實(shí)測(cè)地溫為10°C，100m以下的地溫梯度為2.52°C/100m，推測(cè)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(shí)，應(yīng)采取通風(fēng)降溫，噴霧、灑水降溫，加強(qiáng)作業(yè)人員個(gè)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(cè)，當(dāng)溫度高于30°C時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)措施。
　　8 有害氣體評(píng)價(jià)
　　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(xiàng)目《四川省九寨溝至綿陽(yáng)高速公路白馬隧道有害氣體專項(xiàng)評(píng)價(jià)報(bào)告》，隧道巖石相對(duì)生油能力較差，但具有良好～很好的生烴能力;現(xiàn)場(chǎng)共檢測(cè)隧道鉆孔4個(gè)，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(cè)濃度的隧道開(kāi)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(shí)結(jié)合類似地層隧道設(shè)計(jì)及修建經(jīng)驗(yàn)，建議該隧道按低瓦斯隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)及瓦斯的監(jiān)測(cè)與安全防范工作，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及施工方案，確保施工安全。
　　9 結(jié)束語(yǔ)
　　白馬隧道已開(kāi)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(kāi)挖揭示情況，總體而言，隧道主要工程地質(zhì)問(wèn)題與勘察設(shè)計(jì)階段的主要認(rèn)識(shí)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(guò)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(shí)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?duì)?。涌水?duì)施工直接的影響不大，但應(yīng)注意地下水對(duì)圍巖的軟化，如不及時(shí)處治，不及時(shí)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(cè)，瓦斯?jié)舛纫恢本S持在一個(gè)較低的水平，一般均小于0.15%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的0.3%的報(bào)警值，同時(shí)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(jí)為主，部分為Ⅵ級(jí)，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(cè)，隧道目前沒(méi)有發(fā)生巖爆現(xiàn)象。
　　正如我們?cè)诳辈煸O(shè)計(jì)階段所預(yù)料的一樣，大變形問(wèn)題可能是該隧道的最主要問(wèn)題。該隧道已有幾個(gè)段落變形較大，有時(shí)日變形速率達(dá)到驚人的數(shù)公分計(jì)，部分地段鋼拱架扭曲，初支侵限，給施工進(jìn)度帶來(lái)較大的制約，并帶來(lái)較大安全隱患。
　　對(duì)于該隧道的大變形問(wèn)題，參建各方已進(jìn)行多次會(huì)商研討應(yīng)對(duì)措施，并邀請(qǐng)各方專家多次到現(xiàn)場(chǎng)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(duì)大變形的原則性措施，主要是采用加強(qiáng)加長(zhǎng)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(gè)隧道才掘進(jìn)約4km，埋深還不很大，推算的地應(yīng)力量級(jí)還不算高，還有較多的時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，相信隨著施工的不斷推進(jìn)，經(jīng)驗(yàn)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。