淺談杭瑞高速公路湖北段上官隧道巖溶及破碎帶區(qū)工程的地質(zhì)比選

盧紅波

(湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院,湖北 武漢　430056)

0　引言

山區(qū)高速公路所處地質(zhì)環(huán)境條件一般較為復(fù)雜,尤其是山區(qū)特長深埋隧道工程,其巖溶、斷裂、軟巖等不良地質(zhì)隱蔽性較大,一般情況下在各階段采用綜合勘察手段查明的基礎(chǔ)上,予以繞避,但有時卻無法完全繞避,則應(yīng)充分注重不同方案場址的工程地質(zhì)條件分析和比較,從地質(zhì)角度優(yōu)選危害性較小的合理工程設(shè)計方案,充分體現(xiàn)“地質(zhì)選線”在公路工程建設(shè)中的意義和作用[1-2]。

杭瑞高速公路上官隧道段因受前后地勢條件限制,無法以明線爬坡方案通過黃家坳埡口,且埡口附近發(fā)育與路線走向近平行的黃家坳區(qū)域斷裂；向南展線又受到南側(cè)山體放射性礦產(chǎn)的較大影響[3]。在此復(fù)雜區(qū)段,最終只能以隧道穿越。擬設(shè)隧道方案有兩個(圖1)：方案一(A1線)為中長淺埋隧道,緊鄰并平行黃家坳斷裂展布；方案二(K線)為特長深埋隧道,穿過北側(cè)可溶巖區(qū)。本文針對方案一斷裂破碎軟巖隧道和方案二巖溶隧道進(jìn)行地質(zhì)分析,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件,最終從施工風(fēng)險及安全角度確定優(yōu)選方案。

圖1　隧道工程方案位置示意圖

1　工程地質(zhì)環(huán)境條件

杭瑞高速上官隧道段位于湖北省陽新縣富水鎮(zhèn)境內(nèi),屬構(gòu)造溶蝕—剝蝕低山區(qū),在南北山嶺之間為坳溝及溝源埡口(圖2)。黃家坳斷裂(逆斷層)呈近東西向通過北側(cè)山嶺坡腳和埡口,該斷裂從地層接觸關(guān)系及其上覆蓋層未錯斷等現(xiàn)象推斷,形成于印支—燕山期,最后一次主活動時期為中第三紀(jì)之前,挽近期沒有活動跡象,斷裂下盤(北側(cè)低山)主要為三疊系大冶組(T1d)灰?guī)r,屬硬質(zhì)碳酸鹽巖類,巖溶發(fā)育；上盤(南側(cè)較緩低山)主要為志留系新灘組(S1x)頁巖,屬軟質(zhì)巖類,并受斷裂影響破碎嚴(yán)重,斷裂帶附近多呈泥化狀,在山頂老虎墩一帶有放射性礦產(chǎn)。

圖2　上官隧道地質(zhì)平面圖

該區(qū)構(gòu)造上處于大磨山復(fù)背斜的次級褶皺帶中,由黃石洞向斜、富水背斜組成。其中方案二前半段位于黃石洞向斜核部,后半段穿越向斜南翼,核部出露三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r地層,巖溶問題突出。方案一主要位于富水背斜北翼。

該區(qū)地處中緯度亞熱帶溫暖潮濕氣候區(qū),屬大陸溫濕季風(fēng)性氣候,四季分明,雨量充沛,年降水量1 200 mm±,降雨多集中在3-9月,6月最大,雨季時間長,區(qū)內(nèi)相對濕度75%±。

區(qū)內(nèi)地表水主要為方案二隧道進(jìn)口附近的小溪,水位及水量受季節(jié)影響變化大,夏季一般為2～3 m3/s,暴雨時形成山洪,水深最大可達(dá)3 m,冬季水量小或干枯。另外沿斷裂北盤有4處巖溶下降泉出露,流量0.6～3.0 m3/s。

區(qū)內(nèi)地下水有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、基巖裂隙水三種類型。其中松散巖類孔隙水及基巖裂隙水水量均較貧乏,對工程影響甚微,而碳酸鹽巖類巖溶裂隙水賦存于三疊紀(jì)碳酸鹽巖中,受層間裂隙、節(jié)理、斷裂及溶蝕洼地、洞穴等控制,水量豐富,對工程影響大。

區(qū)內(nèi)地下水主要由北側(cè)山體向南匯集,在斷裂帶南側(cè)分布志留系頁巖,為相對隔水層,受斷裂影響,地層泥化嚴(yán)重,隔水效果更好;而北側(cè)大冶組灰?guī)r與斷裂破碎帶接觸部位,灰?guī)r溶蝕嚴(yán)重,并形成順斷裂帶的串珠狀導(dǎo)水通道。對方案二穿過的山體,在前段黃石洞向斜地段形成儲水溶洞,巖溶通道為向南及東西向。

2　隧道工程地質(zhì)條件分析

2.1　方案二(K線)

方案二采用特長深埋隧道穿越北側(cè)山體,隧道長3 676 m,洞底設(shè)計標(biāo)高80～150 m,最大埋深約354 m,其主要的工程地質(zhì)問題為巖溶。

隧道區(qū)地表溶蝕現(xiàn)象明顯,山體表面遍布溶蝕溝槽、石芽和溶洞,其中溶洞多分布于標(biāo)高220 m以下。地表見有兩處較大的溶洞:位于進(jìn)洞口左側(cè)約100 m的溶洞a,洞口標(biāo)高為50 m,為地下暗河出口,洞口形態(tài)不規(guī)則,大小約2 m×0.5 m,洞體向西延伸。洞身中部左側(cè)220 m的筋骨洞b,洞口標(biāo)高為120 m,為干洞,洞體高大,高約15 m,寬約6 m,向北東延伸。

隧道穿越的山體分水嶺北側(cè)楓樹嶺、伍家一帶,發(fā)育大片山頂巖溶洼地,長1 000 m,寬度50～150 m不等,底部平坦,巖溶洼地四周有大落水洞6處。平常積水都從落水洞下泄,遇暴雨時消水不及時,還出現(xiàn)部分落水洞往外翻水。證明山峰高地周圍仍發(fā)育巖溶洼地、落水洞且與低處的落水洞存在一定的連通關(guān)系。該巖溶洼地山體周圍無其它出水點,與該山體地下水有密切關(guān)系的出水點主要為黃家坳斷裂帶北側(cè)分布的2個泉:泉1,位于K線隧道進(jìn)口(YK58+425)左側(cè)約50 m處,涌水量為0.8～1.6 m3/s,出露口標(biāo)高約46 m,常年有水,雨后1-2天左右水量明顯增大,可達(dá)平常的3倍,且水質(zhì)變渾；泉2,位于K線隧道進(jìn)口前方(YK58+016)右側(cè)20 m處,涌水量為0.6～1.8 m3/s,出露口標(biāo)高約44 m,水量較穩(wěn)定,水質(zhì)清亮,為當(dāng)?shù)鼐用耧嬘盟?。另?南北山體之間的坳溝地帶分布有長200 m、寬50～80 m、深12 m的洼地,其中有2 個圓形落水洞,深6～10 m,平時無水,雨期為地表匯水灌入地下的通道。

2.2　方案一(A1線)

方案一采用中長淺埋隧道穿越南側(cè)山體,隧道長1 969 m,洞底設(shè)計標(biāo)高80～150 m,最大埋深約115 m,最小埋深僅3 m,其主要的工程地質(zhì)問題為軟巖。

隧道緊鄰黃家坳逆斷層并與之大致平行,受黃家坳斷層及其分支斷層的影響,隧道圍巖風(fēng)化較強(qiáng),巖體松散破碎,開挖過程中易發(fā)生洞室變形、坍塌、掉塊、冒頂?shù)惹闆r。但因受斷裂帶的影響,志留系頁巖經(jīng)過擠壓錯動,造成壓碎泥化,客觀上造成了對水的阻隔,隧道區(qū)出現(xiàn)大量涌水事故的可能性非常小。

3　方案比選

3.1　圍巖分級分段差異

兩方案的圍巖分級情況列表如下(表1、表2)。

表1　方案二(K線)上官隧道圍巖分級表

表2　方案一(A1線)上官隧道圍巖分級表

從表列數(shù)據(jù)可見,K線方案圍巖級別明顯好于A1線方案,但圍巖級別僅反映了圍巖的堅硬程度和完整性。

方案二中Ⅲ級圍巖段巖石堅硬,巖體完整性較好,圍巖條件較好；Ⅴ級圍巖主要分布于隧道進(jìn)出洞口淺埋段及隧道遭遇的斷裂破碎帶,圍巖條件差；Ⅳ級圍巖段除少部分為Ⅲ級和Ⅴ級圍巖的過渡段外,多為巖溶發(fā)育段,是該方案遭遇巖溶突水、突泥而最難控制的施工段。

方案一中Ⅲ級圍巖段巖石較堅硬,巖體完整性較好,圍巖條件較好；Ⅴ級圍巖長度大主要是受隧道埋深淺,從第四系覆蓋層及軟巖風(fēng)化層中通過的段較長；Ⅳ級圍巖主要是受斷裂影響,巖石產(chǎn)生破碎、泥化現(xiàn)象,而巖質(zhì)較軟。因此該方案的主要問題為洞室變形、局部坍塌或冒頂?shù)取?/p>

3.2　巖溶化差異

從調(diào)查所得的資料來看,沿黃家坳斷裂帶及其次斷裂帶附近分布的較大規(guī)模的溶洞和泉點有13處,且均分布于黃家坳斷裂帶北面,這說明這些溶洞和泉點經(jīng)斷層破碎帶形成了貫通帶,對方案二影響較大,而方案一受黃家坳斷裂的阻隔而遭遇巖溶突水的可能性非常小。

方案二隧道的設(shè)計高程80～150 m,地面高程>180 m,北側(cè)山頂洼地高程在460 m以上,黃家坳斷裂帶附近出露的巖溶泉高程在50 m左右。因此北側(cè)山頂洼地四面匯水,通過溶洞匯到黃家坳斷裂附近,在隧道與斷層相交的位置極易產(chǎn)生涌水,對施工安全等產(chǎn)生不利影響。

隧道涌水量預(yù)測如下:按最不利情況估算,僅考慮山頂巖溶洼地積水(匯水面積約1 km2),當(dāng)管道充滿水(山頂消水洞往外翻水是客觀依據(jù)),隧道遇到巖溶管道,水頭有3～3.8 MPa(即300～380 m水柱產(chǎn)生的壓力),按暴雨標(biāo)準(zhǔn)(日降雨量>50 mm),水頭壓力折減后約2.4～3.0 MPa,涌水量達(dá)0.87 m3/s。由于泉1、泉2均為長年不干泉,其日出水量最小值之和按1.4 m3/s計算,100日總量=1.4×60×60×24×100=12 096 000 m3,由此推測山體中有大容量儲水管道,如隧道施工遭遇強(qiáng)突水,后果不堪設(shè)想。

3.3　經(jīng)濟(jì)比選

方案一線路長度較方案二短,雖單個隧道工程投資較大,但經(jīng)綜合造價估算,方案一較方案二少投資150余萬元。隧道運(yùn)營期的通風(fēng)、通電等維護(hù)成本,方案一將明顯低于方案二。

3.4　比選結(jié)論

兩方案地質(zhì)情況優(yōu)劣對比如表3。

對于該隧道工程的比選,圍巖的破碎狀況對于目前已趨于成熟的施工方法來說,風(fēng)險在可控制范圍內(nèi),而最難以控制的風(fēng)險在于不確定性涌水造成施工期間人員的傷亡[4]。因此從地質(zhì)安全角度最終推薦方案一作為優(yōu)選方案。

表3　兩方案的工程地質(zhì)條件對比表

4　結(jié)語

加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是中國的一項基本國策,在公路、鐵路等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中,線路方案常會遇到滑坡、崩塌、巖溶、泥石流等不良工程地質(zhì)問題,但并非遭遇到不良工程地質(zhì)問題一定會導(dǎo)致線路方案不成立,應(yīng)對不同方案從安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性進(jìn)行比選,采用最優(yōu)方案進(jìn)行建設(shè)[5]。本文方案一遇到的問題主要是圍巖破碎,方案二則是巖溶問題,兩方案各有優(yōu)缺點,但方案二的危險性在施工中可采取信息法施工,就有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,即使提前預(yù)測到涌水問題,解決難度也較大,同時經(jīng)疏排水后對地質(zhì)環(huán)境的影響也較大。在兩方案總的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差較小的情況下,選用了可控性較好的方案一。

該隧道最終采用方案一進(jìn)行施工,雖在施工中遭遇了近30次的洞室變形、局部坍塌、大塌方等多種狀況,但均在可控范圍之內(nèi),未發(fā)生安全事故,并于2011年4月4日順利貫通。

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