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复杂地质条件下隧道主要施工地质问题及对策探析

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  摘  要:四川省九寨沟至绵阳高速公路白马隧道为深埋(最大埋深1092m)特长(左线长13013m,右线长13000m)隧道,工程地质条件复杂,围岩分级、岩爆、大变形、涌突水、瓦斯、地温等主要工程地质问题对设计及施工潜在影响极大,文章对这些重大工程地质问题进行了分析评价,并在施工中如何防治进行了探讨。
  关键词:白马隧道;围岩分级;岩爆;大变形;瓦斯
  中图分类号:U455.4        文献标志码:A         文章编号: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
  復杂地质条件下的深埋特长隧道,往往由于构造发育、地层多样、岩性软硬不均、岩体完整性差、水文地质条件复杂,加之埋深大,因而工程地质条件十分复杂。在勘察设计阶段,围岩级别的确定是基础性工作,另外在施工中还可能面临诸多施工地质问题,如在深埋段高地应力条件下硬质岩中可能发生岩爆,软质岩中可能发生大变形,同时可能在储水构造及断裂破碎带发生大的涌突水,如有煤系地层,还可能存在采空区及有害气体问题。另外,还可能面临岩溶、高地温等问题。如桃园至巴中高速公路八庙隧道施工中于K110+356~K110+424发生了较强烈的岩爆,拱顶岩块弹射距离达2~3m,部分格栅钢架压曲,拱部沉降变形严重[1]。南新铁路大梁隧道DK331+816~DK331+886为碎裂板岩夹砂岩,开挖后最大累计沉降量为63.23cm,最大单日沉降量为4.1cm,最大收敛值为55.20cm,衬砌失效,部分围岩掉落、垮塌,围岩侵入隧道设计净空,需要重新加固隧道[2]。湖北省郧(县)十(堰)高速公路大华山隧道出口段左洞施工至ZK23+909时,突发涌水状况,地下水从掌子面炮孔及岩体裂隙中喷射而出,持续时间长达18天,隧道掘进施工被迫停止[3]。而隧道施工中发生瓦斯爆炸事故而死伤数人至数十人的事故也不鲜见。
  由上述实例可见,在勘察阶段详细查明并正确预测评价这些潜在施工地质问题是隧道进行科学设计及顺利建设的重要前提。在笔者负责勘察的九绵高速公路白马隧道,即抓住隧道工程面临的主要工程地质问题进行深入研究,并提出合理的防治措施建议,为设计及施工提供了科学依据。
  2 工程概况
  白马隧道为四川省九寨沟至绵阳高速公路上的重要控制性工程,位于四川省平武县与九寨沟县交界处,为分离式隧道,左线长13013m,右线长13000m,最大埋深1092m。
  隧址区为构造剥蚀高中山地貌,最高海拔约4000m。隧址区在大地构造上位于秦岭造山带、松潘甘孜造山带和扬子陆块衔接部位,隧址区有多条区域断裂及分支断裂通过,地质构造十分复杂。
  场区地层主要为上古生界泥盆系中统三河口组板岩、砂岩及炭质板岩,局部出露印支期中酸花岗斑岩。
  该隧道的地质勘察采用了地面地质调绘、综合物探、钻探、测试与试验、水文地质专项研究等多种勘察手段,在进出口地段布设浅孔(<100m)共11个,在洞身地段布设深孔(>100m)共8个,其中孔深大于300m的钻孔3个,最深钻孔395.48m。通过综合勘察及评价,查明了场地的主要工程地质条件,对隧道围岩级别进行了划分,合理评价了深埋隧道的岩爆、大变形、涌突水、高地温、放射性及有害气体等重要问题,为科学设计提供了依据。
  3 围岩分级
  通地场地钻探取样测试,获得了各主要岩性的单轴抗压强度。通过地表露头岩体结构面统计及深孔岩体波速测试,获得了岩体完整性系数Kv。通过场区水文地质调查及钻孔水文观测,获得了场地水文地质特征。并根据《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)对隧道围岩级别进行了划分(表1)。
  根据上述隧道围岩分级表,在综合考虑围岩受构造的影响程度、地下水、埋深等因素下,本隧道在以板岩为主的地段围岩Ⅴ级为主,砂岩为主的地段围岩以Ⅳ级为主,花岗斑岩围岩划为Ⅲ~Ⅳ级,断层破碎带划为Ⅴ级。通过整个隧道左右线的围岩级别统计,Ⅴ级围岩占整个隧道的比例均略超过了70%,Ⅴ级围岩所占比例之高,在四川地区长大越岭公路隧道中是罕有的。目前该隧道进出口已累计施工约3Km,围岩级别总体与勘察设计相符合,局部甚至比勘察提供的围岩级别还差。但总体上,从目前开挖揭示的情况看,该隧道围岩级别的划分可靠性高,为合理框住造价、科学设计及顺利施工奠定了坚实基础。   4 岩爆评价
  据YK43944.3R52及K45473.1R46.3两个深孔水压致裂法地应力测试成果,隧址区SH>SV>Sh,地应力状态以水平构造应力为主。隧道最大埋深1092m,岩体平均容重取26.5kN/m3,则隧道最大埋深地段竖向主应力可达28.94MPa,侧压力系数取经验值1.2,则最大水平主应力可达34.73MPa,可见,在隧道深埋地段,存在较高的地应力量级水平,存在发生岩爆的地应力条件。
  岩性条件是岩爆发生的基本条件之一,岩质坚硬、岩石强度高,能存储较高的地应力,易发生岩爆。在本隧道中部据物探解译成果,存在约700m长段落的花岗斑岩,花岗斑岩岩质坚硬,单轴抗压强度可达60~100MPa,具备发生岩爆的岩性条件。
  岩体的结构类型是影响岩爆发生与否的重要条件之一,发生岩爆的地段一般围岩完整性好,围岩级别大多数为Ⅱ、Ⅲ级。本隧道花岗斑岩段属Ⅲ级围岩,其完整性具备发生岩爆的条件。
  本隧道含砂岩段落较多,但据抗压强度成果,其单轴抗压强度一般介于30~50MPa,属较硬岩,且受构造影响强烈,岩体一般裂隙发育,另据邻近省道S205黄土梁隧道(长约5km,最大埋深六百多米)施工经验,砂岩地段地下水相對发育,施工中未发生岩爆现象,因此,综合分析后认为,在一般情况下,本隧道砂岩难以发生岩爆现象。
  另外,《水利水电工程地质勘察规范》推荐利用围岩强度应力比Rb/σ1的大小进行岩爆等级的判别(表2)。由于岩爆发生于硬质岩中,因此在应用强度应力比判据进行岩爆预测时,应同时满足岩石单轴抗压强度Rb>60MPa(即坚硬岩类)。
  由于洞身段物探推测的花岗斑岩位于洞身中部,该处隧道设计埋深达千米,地表为悬崖及陡坡,交通条件极差,大型钻探设备无法到位,因此未布设深孔对花岗斑岩进行验证。花岗斑岩的饱和抗压强度取经验值70MPa,选取场地高地应力的范围值为20~34.73MPa,则Rb/σ1=2.02~3.5,据表2,则隧道根据所处地应力量级大小的不同,可能发生岩爆等级为轻微~中等程度的岩爆。
  根据隧道各段的地应力量级、岩性条件、围岩完整性和地下水状态,结合岩石抗压试验成果或选取经验值,综合判定隧道可能发生岩爆的段落为左线K41+450~K42+050,右线YK41+400~YK42+000,长600m,岩爆等级为轻微~中等。
  施工至该地段,应及时在掌子面和洞壁喷洒水,以软化围岩。为降低对围岩的扰动,改善围岩应力状态,宜采用光面爆破技术,尽可能全断面开挖,并可在掌子面施作超前钻孔释放应力。为避免混凝土剥落掉块,应适当提高初期支护韧性,可喷射钢纤维混凝土,并可在初支内设置双层钢筋网。为避免掌子面顶部飞石伤人,可于顶部设置小导管超前支护。
  5 大变形分析
  围岩的变形特征主要取决于围岩的岩性、岩体结构、地应力大小、地下水状况等几方面,同时也与洞形的几何尺寸及围岩的支护条件等密切相关。围岩岩体的岩性特征、岩体结构特征是围岩大变形的物质基础,围岩地应力环境如地应力大小、二次应力分布特征,岩体中地下水渗流状态以及地热条件或开挖后围岩温度差等是大变形的环境条件。当围岩岩性软弱,岩体结构破碎,尤其是岩石中含有一定亲水性可膨胀矿物,在较高或高地应力条件下,在地下水软化或促使岩石矿物膨胀等作用下,围岩即可能发生超出原设计容许范围的变形量,从而产生大变形现象。
  从场地岩性来看,大部分地段以板岩为主,并含炭质板岩,二者均岩性软弱,遇水易软化,另外场地有多条断层通过,断层带物质多结构破碎,部分可呈碎粉或泥状,上述软弱岩性均为大变形提供了物质基础。取炭质板岩进行了自由膨胀率测试,自由膨胀率为20%,说明炭质板岩属非膨胀性岩类,其可能产生大变形的原因并不是因为其岩石矿物成分,而应当是在受到高地应力条件下可能发生的挤出性变形。
  从地应力条件看,场地深埋段地应力最高量级大于30MPa,处于高地应力状态,具备发生大变形的地应力条件。
  从地下水状态看,场地碎屑岩具一定含水性。场地受构造影响强烈,总体上岩体结构较破碎,岩体具一定富水性的结构条件。隧址区沟谷深切,沟内在枯水季节一般均有少量水流,说明隧址区深部可能常年具一定地下水量。
  由上述分析可见,场地板岩、炭质板岩、断层破碎带具相对软弱岩性,部分地段地应力量级高,受构造影响强烈,岩体破碎,深部岩体存在地下水可能,因此具备发生围岩大变形的各项条件,即场地在深埋高地应地段存在发生软弱岩体的大变形可能。
  至于大变形的强弱等级,采用应力强度比指标对隧道大变形等级进行划分,如表3所示。
  参考地应力测试及前述推演结果,场地地应力最高量值取34.73MPa,场地软弱岩类单轴饱和抗压强度取3~5MPa进行测算,则σz/Rb=6.95~11.58,据表3,则场地可能发生最高等级为中等~强烈的大变形。
  在可能发生软岩大变形的地段,施工中应控制台阶长度,尤其应尽量减小上台阶的长度,宜采用超短台阶法或微台阶法施工。初支应适当增强,甚至采用多层支护系统。应适当加长系统锚杆的长度,加强超前支护。仰拱应及时紧跟,尽早封闭成环。及时施作二次衬砌,可有效防止软弱围岩的蠕变。宜采用“先柔后刚、先放后抗、多重支护” 的总体控制思路。在施工中应遵循“弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、早封闭”的总体施工原则。
  6 涌突水分析
  隧道通过区岩层基本为非可溶岩,场地中岩体主要为板岩、砂岩,砂岩可视为相对含水层,板岩视为相对隔水层。深部岩层渗透系数总体较小,地表水易顺浅表层径流排泄,不易往深层渗流;在控水构造部位(断层破碎带或裂隙密集带),由于岩体破碎,且岩层倾角较陡时,则相对容易补给地下水,形成深部迳流。综合考虑上述因素,应在各断层通过的地段及破碎砂岩地段注意隧道的集中涌突水现象。   另外,根据降雨入渗法和地下迳流模数法对隧道涌水量进行了预测,隧道总的正常涌水量为33858m3/d。在断层破碎带地段及板岩进入厚层砂岩地段,可能会发生一定程度的集中涌水现象,在施工中应注意。而在逆坡施工地段,最大涌水量需考虑一定量的静储量水,局部地段瞬时涌水量可能较大,在施工中应有相应疏排水预案。斜井、竖井施工应准备必要的防水材料和设备机具,其堵、疏排地下水的能力需满足设计要求。
  7 地温问题
  在YK43944.3R52钻孔及K45473.1R46.3钻孔进行了地温测试。据YK43944.3R52钻孔地温测量成果,其在56m处的实测地温为14.47°C,56m以下的地温梯度为1.38°C/100m,本隧道最大埋深1092m,则推测隧道最大埋深段地温约为28.8°C,未达到高地温范畴,但局部地段地温可能会超过30°C。
  据K45473.1R46.3钻孔地温测量成果,其在100m处的实测地温为10°C,100m以下的地温梯度为2.52°C/100m,推测隧道最大埋深段地温最高约为35°C。根据《公路隧道施工技术规范》,隧道内气温不宜高于30°C,当高于30°C时,应采取通风降温,喷雾、洒水降温,加强作业人员个人防护等措施。因此,在隧道深埋段应加强温度监测,当温度高于30°C时,应采取适当的施工技术措施。
  8 有害气体评价
  据钻探及调绘,隧道围岩含炭质板岩,据区域资料,隧道所穿越地层局部可能含鸡窝状劣质煤,隧道地层具瓦斯生成和赋存条件,且由于隧址区断裂发育,构造复杂,深部或邻近岩层中的有害气体亦可向隧道运移。
  另外,据本项目《四川省九寨沟至绵阳高速公路白马隧道有害气体专项评价报告》,隧道岩石相对生油能力较差,但具有良好~很好的生烃能力;现场共检测隧道钻孔4个,均有瓦斯显示;室内4组气样分析均有瓦斯存在,瓦斯最大浓度2.12%;基于隧道钻孔瓦斯检测浓度的隧道开挖掌子面瓦斯逸出速度估算值为0.78m3/min;根据《公路瓦斯隧道技术规程》(DB51/T2243-2016)规定,综合判定白马隧道为低瓦斯隧道。
  综上所述,同时结合类似地层隧道设计及修建经验,建议该隧道按低瓦斯隧道进行设计及施工,在施工过程中应加强通风及瓦斯的监测与安全防范工作,并根据监测结果采取相应动态设计及施工方案,确保施工安全。
  9 结束语
  白马隧道已开工建设约两年半,目前进出口主线共掘进完成约4km,据开挖揭示情况,总体而言,隧道主要工程地质问题与勘察设计阶段的主要认识与结论吻合较好,为隧道顺利施工垫定了良好基础。
  已施工段发生过几次规模不大的涌水现象,一般均发生在板岩所夹的砂岩夹层中或破碎带中,呈大股状涌出,及时采取掌子面钻孔排水、侧壁注浆止水并加强支护的措施后,一般在数日后水量就明显减小直至呈小股状或淋雨状。涌水对施工直接的影响不大,但应注意地下水对围岩的软化,如不及时处治,不及时封闭成环,可能造成大的塌方事故,造成大的设备损失及人员伤亡。
  施工中一直持续保持瓦斯监测,瓦斯浓度一直维持在一个较低的水平,一般均小于0.15%,远低于设计要求的0.3%的报警值,同时在施工中一直加强通风,目前按低瓦斯隧道施作是适宜的。
  已施工段最大埋深近500m,围岩以Ⅴ级为主,部分为Ⅵ级,岩性以板岩为主,部分为砂岩,岩体总体较破碎,如勘察阶段的预测,隧道目前没有发生岩爆现象。
  正如我们在勘察设计阶段所预料的一样,大变形问题可能是该隧道的最主要问题。该隧道已有几个段落变形较大,有时日变形速率达到惊人的数公分计,部分地段钢拱架扭曲,初支侵限,给施工进度带来较大的制约,并带来较大安全隐患。
  对于该隧道的大变形问题,参建各方已进行多次会商研讨应对措施,并邀请各方专家多次到现场调研指导,但仍未找到各方均认同的有效处治方案。目前该隧道应对大变形的原则性措施,主要是采用加强加长系统锚杆,采用小导管和自进式锚杆,甚至采用双层初支,双层“工”字钢等措施。另外在优化施工工法、提高施工工艺等方面也在积极探索。所幸目前整个隧道才掘进约4km,埋深还不很大,推算的地应力量级还不算高,还有较多的时机进行优化,相信随着施工的不断推进,经验的不断积累,一定能很快摸索出一套更加适合该隧道地质条件下的大变形综合防治措施。
  参考文献:
  [1]周道,等.八庙隧道岩爆特征与防治措施[J].中外公路,2014(1):253-254.
  [2]戴永浩,等.大梁隧道軟岩大变形及其支护方案研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34:4150-4151.
  [3]李睿哲.大华山隧道涌水原因分析及处治措施[J].华东公路,2018(3):50-51.
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  [5]JTG D70-2004.公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.
  [6]JTG/T D70-2010.公路隧道设计细则[S].北京:人民交通出版社,2010.
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