張承高速公路隧道圍巖級(jí)別劃分問題的探討

任艷斌 鄭金田 王晨濤

(中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050051)

張承高速公路隧道圍巖級(jí)別劃分問題的探討

任艷斌 鄭金田 王晨濤

(中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050051)

分析了地質(zhì)背景對(duì)隧道圍巖的劃分影響，結(jié)合張承高速公路張家口至崇禮段的特殊地質(zhì)構(gòu)造、地層分布和地形地貌情況，綜合研究了圍巖劃分的考慮因素，提出了隧道圍巖級(jí)別劃分和施工過程中需注意的問題，以供類似的工程勘察參考應(yīng)用。

高速公路，隧道圍巖，膨脹巖,隧道

張家口市位于河北省的西北部，京、晉、蒙的交界處，是京、津、唐經(jīng)濟(jì)圈聯(lián)系山西、內(nèi)蒙的樞紐和中介，亦是溝通中原與北疆，連接中西部資源產(chǎn)區(qū)與環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要紐帶，戰(zhàn)略位置上又是國家和首都北京的北大門。項(xiàng)目區(qū)地形、地貌多變，地質(zhì)情況復(fù)雜，特別是膨脹巖的不均勻分布，對(duì)隧道圍巖級(jí)別的劃分影響較大。本文從地質(zhì)背景、地質(zhì)特征和勘察手段等多方面入手，分析隧道圍巖級(jí)別的劃分，并評(píng)價(jià)其對(duì)工程的影響，特別是膨脹巖不均勻分布的分析評(píng)價(jià)。

1 隧道所處地質(zhì)背景及與隧道圍巖的關(guān)系

傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)將地殼表層按其活動(dòng)性劃分為地臺(tái)與地槽兩構(gòu)造單元。“地臺(tái)”屬于地殼的穩(wěn)定區(qū)，上升下降幅度小，褶皺斷裂不甚發(fā)育，未遭受過強(qiáng)烈的地殼變動(dòng)，地層和巖體受到的破壞小，完整性相對(duì)較好。而“地槽”則相反，它是地殼強(qiáng)烈活動(dòng)的地區(qū)，遭受過強(qiáng)烈的地殼變動(dòng)，上升下降幅度大，褶皺斷裂十分發(fā)育，巖漿活動(dòng)頻繁，地層、巖體受破壞嚴(yán)重，完整性差。人們又稱它為褶皺帶或造山帶。

傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)還根據(jù)其相對(duì)活動(dòng)和穩(wěn)定的程度在地臺(tái)和地槽內(nèi)部又進(jìn)一步劃分出若干次級(jí)與更次級(jí)的構(gòu)造單元，以區(qū)分彼此不同的地質(zhì)構(gòu)造特征與成礦地質(zhì)特征。

張承高速公路張家口—崇禮段，所處大地構(gòu)造位置為中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶的宣付天—小營盤斷褶帶內(nèi)。這里人們?cè)凇暗嘏_(tái)”前加了個(gè)“準(zhǔn)”字，意思是說它屬于地臺(tái)區(qū)，但不標(biāo)準(zhǔn)。缺乏真正意義上的地臺(tái)應(yīng)有的穩(wěn)定程度。所謂臺(tái)褶帶、斷褶帶則更進(jìn)一步地說明了它所處具體位置的活動(dòng)程度。

該區(qū)的地質(zhì)發(fā)展歷史也充分說明，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史演變過程中，曾經(jīng)歷多次強(qiáng)烈的地殼變動(dòng)，形成了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造景觀，從所保留下的構(gòu)造形跡來看，尤如“分離立交”，中生代以前以東西向構(gòu)造展布為主，而中生代侏羅紀(jì)則以北東方向疊加其上。

從構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)烈程度與形成過程來看，由早到晚表現(xiàn)出三個(gè)大的構(gòu)造發(fā)展活動(dòng)階段。即早期(太古代—早元古代)基底的形成階段，中期(中、晚元古—中生代三疊紀(jì))蓋層的形成與發(fā)展階段，晚期(侏羅紀(jì))的地臺(tái)活化性亦超出了“地臺(tái)”相對(duì)穩(wěn)定的極限，達(dá)到了與地槽褶皺帶幾乎可以相提并論的程度。

對(duì)工程巖體來說，處在這一地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境是不利的，受到影響的程度均較嚴(yán)重或很嚴(yán)重。作為地下工程的隧道圍巖，穩(wěn)定性一般較差，級(jí)別多偏低，這是這樣的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境所賦予它的必然結(jié)果。

2 張承高速公路幾處隧道圍巖的地質(zhì)特征

張承高速公路共設(shè)計(jì)有4處隧道，均位于路線前半段的盆地低山丘陵區(qū)與中低山區(qū)，所穿越的地層巖性均為侏羅系上統(tǒng)(J3)的火山巖。按其巖性組合特征及上下關(guān)系，可分為四岔組與啕北營組。四岔組區(qū)內(nèi)僅出第一段(J3S1)，其巖性以凝灰質(zhì)為主，夾凝灰?guī)r與石英斑巖。啕北營組可分三段：上段(第三段)，以粗面巖、英安巖、安山巖為主，夾流紋巖與凝灰?guī)r；中段(第二段)，以流紋巖為主，夾石英斑巖、粗面巖與凝灰?guī)r；下段(第一段)，為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖與凝灰質(zhì)砂礫巖。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在以上所有地層中均夾有膨脹巖包體。這種包體系由后期熱流沿原巖的節(jié)理，裂隙蝕變而成，形態(tài)不規(guī)則，分布無規(guī)律，規(guī)模時(shí)大時(shí)小。淺部風(fēng)化強(qiáng)烈，形成膨脹土，深部(100 m以下)風(fēng)化作用差，在微～未風(fēng)化帶則保持原巖(斑脫巖)特征。強(qiáng)度大，與流質(zhì)巖、凝灰?guī)r肉眼難以辨別。

在地質(zhì)構(gòu)造上，隧道穿越段，尤其大華嶺隧道穿越段，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，目前地表所見規(guī)模較大的斷層就有5條，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。

3 隧道圍巖劃分上存在的主要問題

張承高速公路隧道圍巖劃分，主要是根據(jù)巖(土)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、強(qiáng)度等級(jí)，受地質(zhì)構(gòu)造影響程度、完整程度、波速比等綜合考慮，其資料來源主要是地表地質(zhì)觀察、物探和鉆探成果。根據(jù)劃分結(jié)果來看，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)圍巖依據(jù)相對(duì)充分，原因是這些圍巖分布地段一般埋深淺，根據(jù)地表觀察，結(jié)合物探資料易于分析、推斷，加之又有一定的鉆探工程控制，可靠性較大。而Ⅲ級(jí)圍巖劃分則主要的，甚至是唯一的根據(jù)——埋深大。正因?yàn)槁裆畲螅刭|(zhì)分析推斷局限性就大；因?yàn)槁裆畲螅锾娇辈焐疃冗_(dá)不到，資料無法顯示；又因?yàn)樯盥翊?，地形?fù)雜，鉆探工程無法實(shí)施，缺少第一手資料。所以Ⅲ級(jí)圍巖一般可靠程度相對(duì)較差，可變性更大。

除了上述劃分中存在的主要問題外，圍巖中的膨脹巖包體則是影響穩(wěn)定的另一重要因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹巖(土)的自由膨脹率(δef)為38.00%～75.00%，具有弱～中等膨脹性。在空間上的分布又無規(guī)律可尋，即由四岔組的第一段(J3S1)到啕北營業(yè)組的1—3(J3t1-3)段都有分布。目前，在東山隧道和大華嶺隧道前半段所施工的7個(gè)鉆孔以及兩隧道之間的各橋梁鉆孔中均有膨脹巖分布，其比例占到基巖(火山巖)段的20%～50%，有的高達(dá)100%(橋梁孔)。這一事實(shí)說明膨脹巖對(duì)隧道圍巖，尤其東山隧道(長(zhǎng)隧道)和大華嶺隧道(物質(zhì)特長(zhǎng)隧道)的影響程度是十分明顯的、嚴(yán)重的。

4 施工中可能出現(xiàn)的問題

1)鑒于該區(qū)所處大地構(gòu)造環(huán)境、隧道圍巖的地質(zhì)特征以及有限的鉆孔工程控制程度，隧道圍巖級(jí)別的定量分析受到較大的限制，尤其不同級(jí)別圍巖界線的圈定不可避免地存在一定程度的隨意性，因而施工中不同圍巖界線位置的變化不僅是可能的，而且會(huì)是常有的。同時(shí)，圍巖的變更也是難免的。

這樣說并不等于否定我們的勘察成果，貶低我們的設(shè)計(jì)，更不是回避我個(gè)人的責(zé)任。恰恰相反，而是說明，對(duì)隧道這樣的特殊工程，人們對(duì)它要取得真正的認(rèn)識(shí)，也必然離不開由點(diǎn)到面，由淺入深，即實(shí)踐—認(rèn)識(shí)，再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)這一辯證的認(rèn)識(shí)過程。目前，公路工程界普遍認(rèn)為公路隧道的施工圖設(shè)計(jì)只是“預(yù)設(shè)計(jì)”，而在開挖過程中根據(jù)隧道監(jiān)控、超前預(yù)報(bào)所作的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)才是最終的設(shè)計(jì)。這是人們經(jīng)過多年實(shí)踐對(duì)公路隧道工程設(shè)計(jì)與施工所作出的一個(gè)科學(xué)總結(jié)。所以隧道的設(shè)計(jì)與變更，不僅張承高速公路運(yùn)輸會(huì)這樣，乃至全國，甚至世界各地，也都是這樣。

2)按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，膨脹性隧道圍巖應(yīng)采取復(fù)合式襯砌，二次襯砌采用等厚、圓順斷面，并宜采用鋼筋混凝土襯砌。同時(shí)，支護(hù)均應(yīng)設(shè)置仰拱，而張承高速公路隧道設(shè)計(jì)在Ⅲ級(jí)圍巖地段采用兩套方案，即正常圍巖段二次襯砌采用素混凝土，如遇膨脹性圍巖，則采用鋼筋混凝土。這一設(shè)計(jì)思路于方案本來是完全正確的，無可非議的，但問題在于該區(qū)膨脹巖不僅分布無規(guī)律、形態(tài)不規(guī)則、空間變化大，在圍巖所占比例比較大，而且在埋深大、微風(fēng)化～未風(fēng)化的情況下與流紋巖、凝灰?guī)r肉眼難以區(qū)分，強(qiáng)度二者沒有多大差異，如果這一特征在隧道開挖后能長(zhǎng)久地保持下去，而不發(fā)生任何變化，二次襯砌采取素混凝土也是可以的。但這是不可能的，隨著隧道的開挖，地質(zhì)環(huán)境將隨之變化。地下水由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，流動(dòng)加速，循環(huán)加快，圍巖風(fēng)化作用隨之加劇。在經(jīng)過一定的時(shí)段后，膨脹巖的膨脹性即顯示出來，如果設(shè)計(jì)不到位，就將直接影響到支護(hù)襯砌的穩(wěn)定性，造成不良后果。大華嶺隧道隧址附近已建二道邊軍事隧道底鼓的發(fā)生與側(cè)墻的開裂、傾斜就是一個(gè)很好的例證。

5 結(jié)論與建議

1)由于本區(qū)膨脹巖分布的無規(guī)律性及在圍巖中所占比例之大，在埋深大、微風(fēng)化、未風(fēng)化情況下，又與流質(zhì)巖、凝灰?guī)r肉眼難以區(qū)分的特點(diǎn)，而隧道工程又是修復(fù)困難的重大工程，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，為了保證初砌的安全性，建議Ⅲ級(jí)圍巖分布地段二襯全部采用鋼筋混凝土初砌并施作仰拱，以防留下隱患。

2)加強(qiáng)隧道施工監(jiān)控，根據(jù)開挖實(shí)際，對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)(施工圖設(shè)計(jì))隨時(shí)提出修改意見，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 鄭金田，任艷斌，梁軍平.張承高速公路張家口至崇禮段詳細(xì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].

[2] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Inquiry on Zhang-Cheng highway tunnel surrounding rock level division

Ren Yanbin Zheng Jintian Wang Chentao

(ChinaCommunicationYuanzhouTrafficScience&TechnologyGroupCo.,Ltd,Shijiazhuang050051,China)

The paper analyzes influence of geological background upon surrounding rock division. Combining with special geological structure, stratum distribution and landform of Zhangjiakou-Chongli section of Zhang-Cheng highway, it comprehensively studies surrounding rock division factors, and points out matters needing attention in tunnel surrounding rock level division and construction process, with a view to provide some guidance for similar engineering survey.

highway, tunnel surrounding rock, expansive rock, tunnel

2015-01-14

任艷斌(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0175-02

U451.2

A