超埋深特長隧道地質(zhì)災(zāi)害分析與防治措施研究

張紅艷，余 莉，羅 林

(1．湖北省谷竹高速公路建設(shè)指揮部，湖北 房縣 442100;2．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

超埋深特長隧道地質(zhì)災(zāi)害分析與防治措施研究

張紅艷1，余 莉2，羅 林2

(1．湖北省谷竹高速公路建設(shè)指揮部，湖北 房縣 442100;2．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

在建谷竹高速公路大坪山隧道為一座分離式高速公路特長隧道，最大埋深892 m。根據(jù)實(shí)測(cè)隧道地應(yīng)力、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和巖爆發(fā)生判據(jù)，預(yù)測(cè)在隧道施工中由于高地應(yīng)力可能發(fā)生巖爆災(zāi)害;根據(jù)巖溶地質(zhì)調(diào)查，分析了隧道開挖時(shí)可能存在的涌水、涌泥、各種溶洞等地質(zhì)災(zāi)害，并對(duì)部分地段最大涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。提出利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與信息化施工預(yù)測(cè)與防治地質(zhì)災(zāi)害，并對(duì)可能發(fā)生的巖爆、巖溶等災(zāi)害提出具體防治措施。

超深埋特長隧道 地質(zhì)災(zāi)害 高地應(yīng)力 巖溶 防治措施

1 工程概況

在建谷竹高速公路大坪山隧道為一座高速公路分離式特長隧道，進(jìn)口位于襄樊市谷城縣紫金鎮(zhèn)，出口位于襄樊市保康縣寺坪鎮(zhèn)，隧道軸線方向約211°，呈NE—SW向展布。左幅里程樁號(hào)ZK42+729—ZK50+992，全長8 263 m，最大埋深約896 m;右幅里程樁號(hào)YK42+723—YK50+965，全長8 242 m，最大埋深約892 m。該隧道是一條典型的超深埋特長隧道。

隧址區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(揚(yáng)子克拉通)北緣的青峰臺(tái)褶束，走向近EW向，略向北突出，由震旦系至下古生代的地層構(gòu)成線狀褶皺，由北至南大致形成背斜和向斜，震旦紀(jì)地層組成背斜核部，志留紀(jì)地層構(gòu)成向斜核部，且均形成軸面向北傾斜和向南倒轉(zhuǎn)的緊密褶皺。

由于南秦嶺褶皺帶向南逆掩，使這個(gè)褶皺帶內(nèi)形成一系列向北傾斜的逆斷層，故各巖層間多以斷層接觸。這就是區(qū)域上稱為城口(四川)—房縣—青峰—襄樊—廣濟(jì)斷裂的一段，該斷裂在大坪山形成數(shù)條逆沖斷層、破碎帶及韌性剪切帶。經(jīng)調(diào)查，有規(guī)模不等的10條斷層以不同角度穿越隧道區(qū)，使隧道圍巖局部變得較破碎，另外有2條斷層未穿越隧道區(qū)，僅在隧道進(jìn)口附近形成破碎帶。

隧址區(qū)出露、揭露的地層主要為志留系新灘組(S1x)頁巖;奧陶系(O1n-O3S1l)生物碎屑灰?guī)r夾少量炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖;下寒武統(tǒng)(1s-sl)泥質(zhì)條帶灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r局部含頁巖夾層;上震旦統(tǒng)—下寒武統(tǒng)燈影組(Z21dn)白云巖夾灰?guī)r。

2 地質(zhì)災(zāi)害分析

2.1 高地應(yīng)力

2.1.1 實(shí)測(cè)地應(yīng)力與數(shù)值模擬結(jié)果

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所于2010年6月—8月期間，對(duì)擬建的大坪山隧道ZK10(補(bǔ))、ZK11(補(bǔ))鉆孔采用水壓致裂法進(jìn)行了現(xiàn)場地應(yīng)力試驗(yàn)，確定了各測(cè)試孔地應(yīng)力場的大小和方向。

測(cè)試結(jié)果為：鉆孔ZK10(補(bǔ))的最大水平主應(yīng)力最大值為14.74 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為11.17 MPa;鉆孔 ZK11(補(bǔ))的最大水平主應(yīng)力最大值為10.21 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為7.46 MPa。

圖1 大坪山隧址區(qū)地質(zhì)縱斷面示意

根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)大坪山隧址的地應(yīng)力進(jìn)行了ANSYS三維模擬，模型見圖1。根據(jù)模擬結(jié)果，并運(yùn)用回歸分析可知：依據(jù)有限的實(shí)測(cè)地應(yīng)力拓展計(jì)算大坪山隧址區(qū)初始地應(yīng)力場，能較好地反映地形、地貌和地質(zhì)條件對(duì)初始地應(yīng)力場的影響。隧道左線設(shè)計(jì)高程處的最大水平主應(yīng)力為6.79～18.80 MPa，最小水平主應(yīng)力為0.04～7.96 MPa，豎直應(yīng)力為0.93～23.47 MPa;隧道右線設(shè)計(jì)高程處的最大水平主應(yīng)力為6.60～17.65 MPa，最小水平主應(yīng)力為0.14～7.55 MPa，豎直應(yīng)力為0.81～22.90 MPa。總體上，隧道圍巖的最大水平主應(yīng)力大于豎直應(yīng)力，即以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主導(dǎo)。

2.1.2 巖爆發(fā)生的可能性判斷

在2011年9月—2012年2月對(duì)隧址區(qū)的巖石尤其是與深埋段相近的巖石進(jìn)行了采樣，并在室內(nèi)制作了試驗(yàn)樣本，對(duì)樣本分別進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以及剪切試驗(yàn)，得到的參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)中關(guān)于圍巖分級(jí)的巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可知隧址區(qū)的白云巖、灰?guī)r為硬質(zhì)巖。根據(jù)前述模擬的地應(yīng)力結(jié)果與試驗(yàn)所測(cè)參數(shù)，可以計(jì)算出Rc＜4，屬于高初始地應(yīng)力地區(qū)。進(jìn)而可知該地區(qū)巖體在開挖過程中可能出現(xiàn)的主要問題為：會(huì)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差。

根據(jù)Russenes巖爆判別法、Turchaninov巖爆判別法、Hoek巖爆判別法、Barton巖爆判別法、陶振宇巖爆判別法以及徐林生巖爆判別法［1-3］，可以得出結(jié)論：隧道在開挖過程中可能遇到巖爆，尤其在地應(yīng)力較高地段。

2.2 巖溶

2.2.1 巖溶的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查

大坪山隧道全長8 263 m，其中穿越可溶巖巖層區(qū)長度約為6 548 m，隧道區(qū)斷層交錯(cuò)，裂隙發(fā)育，降雨充沛，這些因素都為巖溶的發(fā)育提供了條件。野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在淺灰色細(xì)晶白云巖、微—細(xì)晶灰?guī)r等可溶巖中發(fā)育有溶蝕洞穴，野外可見洞穴大小0.5～1.2 m，受大氣降水補(bǔ)給，多為小型巖溶泉。隧道區(qū)巖溶主要受斷裂構(gòu)造影響，發(fā)育于逆沖推覆斷層與高角度斷層交匯處或泥砂質(zhì)底層交切附近，隧道巖溶統(tǒng)計(jì)見表2。結(jié)合物探與鉆探結(jié)果可知，巖溶發(fā)育段為K42+700—K43+300，K44+500—K44+600，K49+000—K49+200。

表2 隧道巖溶點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

2.2.2 巖溶分析

1)K42+723—K47+500段

段位于大坪山分水嶺以北，微地貌形態(tài)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕低山～低中山，地形起伏較大，地表巖溶發(fā)育程度一般。大氣降雨多形成坡面徑流向坡下匯集，小部分降雨滲入地下，順層面和橫張節(jié)理運(yùn)移，難以形成大型巖溶管道和地下暗河。但在該區(qū)域內(nèi)K43+200—K43+280，K43+300—K43+370，K44+000—K44+050，K44+445—K44+600，K45+505—K45+610，K45+870—K45+990 和 K46+900—K47+010為斷層破碎帶，可能成為局部突水的地段。根據(jù)物探資料，在K42+700—K43+300和 K44+500—K44+600處可能有巖溶發(fā)育，在這些區(qū)段可能發(fā)生較大規(guī)模的突水突泥，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)并采取適當(dāng)措施。預(yù)測(cè)此段正常涌水量為6 742.65 m3/d，最大涌水量58 276.98 m3/d。

2)K47+500—K50+965段

該區(qū)段位于大坪山分水嶺以南，微地貌形態(tài)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕低山～低中山，地形起伏較大，地表巖溶發(fā)育程度相對(duì)較弱，大氣降雨多形成坡面徑流向坡下匯集，小部分降雨入滲地下，順層面和橫張節(jié)理運(yùn)移，因此不致形成大型巖溶管道和管道流，但在該區(qū)域內(nèi)K49+200—K49+320和 K49+740—K49+850為斷層破碎帶，可能成為局部突水地段，值得注意。根據(jù)物探資料在K49+000—K49+200處有巖溶發(fā)育，在這些區(qū)段可能發(fā)生較大規(guī)模的涌水突泥，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)并采取適當(dāng)措施。預(yù)測(cè)此段正常涌水量為5 549.36 m3/d，最大涌水量47 963.29 m3/d。

2.3 其它地質(zhì)災(zāi)害

對(duì)于大坪山這樣的超深埋特長硬質(zhì)巖隧道，除了高地應(yīng)力引起巖爆，以及巖溶引起的突水突泥地質(zhì)災(zāi)害外，在施工中還可能存在著由于隧道開挖卸荷引起的圍巖局部或者拱形的變形破壞(襯砌開裂、塌方以及冒頂?shù)?，由于隧道內(nèi)長期涌水或大量抽取地下水、隧道頂板冒落或者塌方引起的地面沉陷和塌陷，以及由于有害氣體的存在引發(fā)的瓦斯爆炸等不良地質(zhì)問題。

3 防治措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與信息化施工

大坪山地區(qū)屬于碳酸鹽巖丘陵區(qū)，根據(jù)對(duì)大坪山巖溶發(fā)育研究結(jié)果以及地質(zhì)調(diào)查資料，可預(yù)測(cè)大坪山隧道可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)體包括斷層、破碎帶、溶隙、溶洞、暗河等［4-6］。

為了減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保證隧道施工安全，以地質(zhì)調(diào)查分析為基礎(chǔ)，采用地震波(TGP)、地質(zhì)雷達(dá)和紅外探測(cè)等物探方法進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，并結(jié)合對(duì)隧道的監(jiān)控量測(cè)，實(shí)時(shí)掌握隧道圍巖和掌子面前方的變形和破壞情況。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案流程見圖2。

圖2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案流程

在大坪山施工中，通過加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)定性或定量地評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)和施工效果，再不斷改善設(shè)計(jì)和施工，如此反復(fù)不斷達(dá)到信息化施工［7-8］，使施工更加快速、安全、經(jīng)濟(jì)。

3.2 巖爆的防治措施

1)改善圍巖體物理力學(xué)性質(zhì)。在爆破后立即向掌子面及附近洞壁噴灑高壓水或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，這是目前最常用且有效的措施。

2)應(yīng)力解除。采用超前鉆孔和縱向切槽等方法提前釋放部分應(yīng)力，減小巖爆發(fā)生的能量。

3)及時(shí)施作錨噴支護(hù)。工程實(shí)踐表明，該方法在防治巖爆方面有一定成效。

4)采取“短進(jìn)尺、弱爆破”，并嚴(yán)格控制炮眼利用率，可以降低巖爆的發(fā)生頻率。

3.3 巖溶的預(yù)防措施

根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果，深入分析和研究特定段落的工程和水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特點(diǎn)，優(yōu)化施工方法和開挖順序。開挖前應(yīng)確保超前支護(hù)的質(zhì)量，提高預(yù)留變形量，以便為加固處理留下空間。優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，靈活采用注漿技術(shù)、錨噴網(wǎng)和鋼拱架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。提出巖溶段施工處治措施，分別以引、堵、越、繞等措施進(jìn)行綜合處理［9-10］。

3.3.1 隱伏溶洞處治建議

隱伏溶洞是指：①隧道開挖未揭穿，但超前預(yù)報(bào)顯示隧道周邊附近存在溶洞;②隧道開挖和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)均未發(fā)現(xiàn)明顯的溶洞，但實(shí)際開挖面又出現(xiàn)較大涌水量，則圍巖整體地質(zhì)可判定為巖溶不良地質(zhì)。

在出現(xiàn)上述隱伏溶洞時(shí)，處治方法為：

1)根據(jù)掌子面滲水情況，優(yōu)先選擇“先超前預(yù)注漿堵水，再開挖、支護(hù)，一次性通過”的方案進(jìn)行處治。

2)根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)未揭穿周邊溶洞，參照顯式溶洞處治方法實(shí)施。

3.3.2 顯式溶洞處治建議

顯式溶洞是指隧道開挖揭示出隧道周邊不同部位發(fā)育有明顯的溶洞。其處治方案如下：

小型溶洞處理：對(duì)出露于拱部、邊墻及底板的、發(fā)育有限(溶洞洞徑≤1/5隧道開挖洞徑，一般按2.5 m考慮)、溶蝕充填物易于清理的小型溶洞，原則上采用復(fù)合式回填結(jié)構(gòu)，其要點(diǎn)是：①對(duì)溶洞回填斷面采用雙層回填結(jié)構(gòu);②對(duì)于回填材料，遠(yuǎn)離襯砌的那層回填材料應(yīng)選用具有一定滲透力，不會(huì)造成溶洞原有排水通道堵塞的透水材料，如砂袋、干碼片(塊)石等，而對(duì)于緊靠襯砌的那層回填材料應(yīng)選用強(qiáng)度較高、滲透系數(shù)較小的隔水材料，如泵送混凝土或漿砌片石、片石混凝土等。

對(duì)溶洞出露的不同部位的處理建議如下：

1)拱部。出露于拱部的小型溶洞，應(yīng)清除洞內(nèi)充填物，有條件時(shí)，可對(duì)溶壁進(jìn)行噴錨防護(hù)，并保證錨桿嵌入基巖不少于1.0 m。在隧道襯砌施工后，澆筑C25混凝土護(hù)拱，護(hù)拱應(yīng)設(shè)鎖腳錨桿，最后吹砂充填。

2)邊墻處。出露于邊墻的小型溶洞，在隧道襯砌施工前，澆筑C15片石混凝土或M7.5漿砌片石護(hù)墻，墻背以干砌片石回填。

3)底板下部。出露于底板下部的小型溶洞，在隧道底板澆筑前，應(yīng)清除溶蝕充填物，自下而上，以干砌片石或C15片石混凝土換填。

3.3.3 大型溶洞處理

對(duì)洞體充填豐滿、難于回填、不宜填塞的大型溶洞，原則上應(yīng)因地制宜進(jìn)行處理。

1)洞體深、充填豐滿的大型溶洞，且隧道從溶蝕充填體中穿過，建議按預(yù)注漿、管超前、強(qiáng)支護(hù)、梁跨越的方式進(jìn)行處理。

2)出露于隧道邊墻及底板、不能堵塞的大型溶洞(巖溶管道)，建議按梁跨方式處理，梁跨的具體設(shè)計(jì)根據(jù)探明的巖溶特征確定。

3)對(duì)橫穿隧道洞身、不能阻塞的大型溶洞(如地下暗河)，應(yīng)考慮按泄水洞的方式進(jìn)行處理，泄水洞的平縱面設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況而定，其出水口與溶洞(地下暗河)的下游相聯(lián)或引至地表，應(yīng)在充分的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選后確定。泄水洞凈空應(yīng)考慮排水、施工等因素。

3.3.4 突泥、涌水處理

1)注漿封閉，固結(jié)泥石流。

2)在原支護(hù)面上架立工字鋼拱架進(jìn)行加固。

3)初期支護(hù)每榀鋼架邊墻設(shè)置臨時(shí)橫撐，加固初期支護(hù)。

4)采用負(fù)壓集中排水，加大排水，減小水壓力，加大注漿壓力，改良塌體，提高塌體自穩(wěn)能力。

5)24 h監(jiān)控支護(hù)，加密監(jiān)控量測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)頻率，對(duì)初支變形開裂處噴素混凝土封閉裂縫，觀察變形發(fā)展情況。

4 結(jié)論

大坪山超深埋特長隧道中可能存在的主要問題是高地應(yīng)力和巖溶引起的地質(zhì)災(zāi)害問題。高地應(yīng)力可能引起巖爆(堅(jiān)硬巖石)與大變形(軟巖)，巖溶可能引起涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。采用現(xiàn)場勘查、試驗(yàn)、地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測(cè)，以及現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了巖爆的預(yù)防措施與巖溶的處理措施，為隧道施工提供參考依據(jù)。

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U456．3+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．06．23

1003-1995(2013)06-0077-04

2012-08-29;

2013-03-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202201);中央高?？蒲谢鹳Y助項(xiàng)目(CUGL110215);湖北省自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目(2011CDB351)

張紅艷(1966— )，女，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 李付軍)