云桂線富寧隧道圍巖分級變更分析

劉　偉， 吳朝鋼， 張　瑞， 周飛棚

(1. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 云南 昆明　650200； 2. 中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司， 廣西 南寧　530007)

0　引言

準(zhǔn)確判定圍巖分級一直是隧道勘察中的一個(gè)難題。目前勘察手段比較先進(jìn)，工作中一般都采用多種勘察手段綜合確定圍巖分級，但因地質(zhì)體及環(huán)境的復(fù)雜性，不可預(yù)見因素較多，勘察確定的圍巖分級在隧道施工過程中變更的現(xiàn)象非常普遍，且變更率較高。張家口至集寧鐵路舊堡隧道原設(shè)計(jì)Ⅱ級圍巖和Ⅲ級圍巖洞段占隧道線路總長的 71.8%，而已施工揭露的工程地質(zhì)條件較差，全部變更為Ⅲ級加強(qiáng)及Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，變更率高達(dá)80.3%[1]。南疆吐庫二線喀拉塔格隧道全長7 687 m，圍巖變更段達(dá)3 802 m，占隧道全長的49.5%[2]。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，隧道正洞變更長度占正洞總長高達(dá)76.02%，正洞變更費(fèi)用占隧道建設(shè)費(fèi)用高達(dá)44.67%，且其圍巖級別變更占設(shè)計(jì)變更的75%以上。隧道圍巖分級發(fā)生變化時(shí)，隧道支護(hù)參數(shù)、開挖方法及施工工序等都將進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[3]，這將對施工工期和造價(jià)造成較大的影響，較大的變更甚至?xí)鹚淼拦て谘诱`及造價(jià)失控[4]。施工中隧道圍巖分級的變更是不可避免的，但降低隧道圍巖分級的變更率卻是可行的，將圍巖分級的變更率控制在一定范圍內(nèi)，將大大降低圍巖分級變更對隧道施工的影響，對確保工期和控制投資等會起到重要的作用。

目前關(guān)于鐵路隧道圍巖分級，更多的是側(cè)重于對判別方法、手段及理論的研究[5-7]，很少有通過對施工圍巖變更原因的分析來探究隧道勘察圍巖分級存在問題的研究。本文通過對云桂線富寧隧道圍巖分級變更的分析，尋找該隧道圍巖分級變更的主要原因，并反思勘察過程中應(yīng)注意的問題，以提高圍巖分級判別的準(zhǔn)確性，減小施工中圍巖分級的變更率。

1　隧道概況及勘察情況

1.1　隧道概況

富寧隧道處于富寧縣城北側(cè)，全長13 625 m，屬鐵路特長雙線隧道，一般埋深為100～400 m，最大埋深約465 m。該隧道為云桂線重點(diǎn)隧道之一，屬Ⅰ級高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

富寧隧道區(qū)處于云貴高原向桂東溶原過渡的斜坡地帶，地面高程為597～1 277 m，相對高差為680 m，地形起伏大，屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕及溶蝕地貌。隧道穿過的主要巖層有二迭系下統(tǒng)棲霞茅口組灰?guī)r，石炭系上統(tǒng)馬平組灰?guī)r夾白云巖，泥盆系中統(tǒng)坡折落組硅質(zhì)巖，泥盆系下統(tǒng)芭蕉箐組白云質(zhì)灰?guī)r，坡腳組粉砂質(zhì)泥巖、頁巖及泥質(zhì)粉砂巖，以及中三疊世時(shí)期基性侵入巖輝綠巖。隧道區(qū)地下水較發(fā)育，以基巖裂隙水及巖溶水為主，富水性弱至中等[8]。隧道區(qū)地處華南褶皺帶滇東南褶皺系的富寧經(jīng)向、緯向及北西向構(gòu)造復(fù)合部位，不同規(guī)模構(gòu)造體系的復(fù)合，構(gòu)成了隧道區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造特征，共有8條斷層穿過隧道，造成隧道區(qū)巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體總體較破碎。富寧隧道工程地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1　富寧隧道工程地質(zhì)縱斷面示意圖

1.2　勘察情況

為詳細(xì)查清隧道區(qū)工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，根據(jù)規(guī)范等要求，在初測、定測及補(bǔ)定測階段，對富寧隧道采用了地質(zhì)測繪、鉆探、物探、綜合測井、室內(nèi)試驗(yàn)及水文地質(zhì)試驗(yàn)等綜合地質(zhì)勘察方法，其中完成1∶50 000水文地質(zhì)調(diào)繪300 km2，1∶10 000區(qū)域地質(zhì)測繪70 km2，1∶2 000地質(zhì)調(diào)繪7.5 km2，淺孔鉆探13孔424.8 m，深孔鉆探16孔4 329.27 m，在深孔中進(jìn)行了綜合測井(聲測井、核測井、電測井、熱測井等)及水文地質(zhì)試驗(yàn)，可控源音頻大地電磁法14 km。通過勘察，基本查清了隧道區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

2　勘察圍巖分級的確定

2.1　圍巖分級確定依據(jù)

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等的要求，隧道圍巖基本分級應(yīng)根據(jù)隧道圍巖的巖體或土體特征、巖石的堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度、圍巖的縱波速度及風(fēng)化程度等地質(zhì)條件確定(見表1)，并考慮地下水、高地應(yīng)力的影響及隧道的埋深等因素后綜合確定。

2.2　勘察圍巖分級

富寧隧道通過工程地質(zhì)測繪及隧道洞身物探后初步確定了隧道的圍巖分級，在對洞身進(jìn)行深孔鉆探及孔內(nèi)綜合測井等工作綜合分析后，最終綜合確定了富寧隧道的圍巖分級，作為施工圖設(shè)計(jì)的依據(jù)。

全隧共劃分圍巖分級81段： Ⅲ級圍巖12段4 020 m，占29.5%；Ⅳ級圍巖40段6 500 m，占47.7%；Ⅴ級圍巖29段3 105 m，占22.8%。

表1　巖體圍巖基本分級表

注：Rc為單軸飽和抗壓強(qiáng)度；Kv為巖體完整性指數(shù)。

3　施工圍巖分級的變更

3.1　超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工地質(zhì)工作

富寧隧道為Ⅰ級高風(fēng)險(xiǎn)隧道，預(yù)測全隧突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)為極高度段落占隧道總長度的14.5%，突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)為高度段落占隧道總長度的3.9%，塌方風(fēng)險(xiǎn)為高度段落占隧道總長度的15.5%。全隧采取地質(zhì)調(diào)查法(地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查和隧道內(nèi)地質(zhì)素描)、物探法(TSP、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探測)、超前鉆探法(超前地質(zhì)鉆孔和加深炮眼)等多種手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[9-12]。

通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工地質(zhì)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了隧道洞身圍巖的變化、準(zhǔn)確的地質(zhì)分界線及斷層破碎帶及層間擠壓破碎帶、地下水發(fā)育段等，并根據(jù)實(shí)際情況對圍巖分級進(jìn)行了變更，包括正變更和負(fù)變更。

3.2　圍巖分級的變更

富寧隧道于2010年10月開始組織施工，至2015年12月25日全隧貫通，在5年多的施工過程中，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工地質(zhì)工作、隧道開挖揭示的實(shí)際情況，由四方責(zé)任主體現(xiàn)場確認(rèn)，全隧正洞共發(fā)生圍巖分級變更210次，每次變更長度一般為20～30 m，總變更長度為5 189 m，占隧道總長的38.1%。其中正變更(由好變差： 包括Ⅲ級變Ⅳ級、Ⅲ級變Ⅴ級和Ⅳ級變Ⅴ級)長度為2 994 m，占隧道總長的22%；負(fù)變更(由差變好： 包括Ⅴ級變Ⅳ級、Ⅴ級變Ⅲ級和Ⅳ級變Ⅲ級)長度為2 220 m，占隧道總長的16.3%。隧道變更情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　隧道圍巖分級變更統(tǒng)計(jì)

經(jīng)施工變更后，該隧道最終實(shí)際的圍巖分級為154段： Ⅲ級圍巖39段3 873 m，占28.4%；Ⅳ級圍巖74段5 850 m，占42.9%；Ⅴ級圍巖54段3 902 m，占28.6%。與勘察確定的圍巖分級相比： Ⅲ級圍巖減少了147 m，占3.7%；Ⅳ級圍巖減少了650 m，占10%；Ⅴ級圍巖增加了797 m，占25.7%。變更后圍巖分級劃分得更細(xì)、段落更多。

4　圍巖變更原因分析

4.1　物探解譯不準(zhǔn)

富寧隧道具有地形復(fù)雜、埋深較大、地層巖性多、巖性復(fù)雜且差異大、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，為查清隧道區(qū)地層界線、斷層破碎帶及巖溶發(fā)育區(qū)的位置，破碎帶、軟弱帶及富水帶的埋深和規(guī)模，侵入巖接觸界線等，對全隧洞身采用可控源音頻大地電磁法、使用V8型大地電磁勘探儀進(jìn)行物探勘察[8]。

可控源音頻大地電磁法是磁法勘探的一種，是以電阻率的差異來區(qū)分巖性及構(gòu)造體，并根據(jù)電阻率值的大小以及在地下的展布形式來識別地下地質(zhì)體的空間分布和性質(zhì)的一種物探方法[8]。該方法具有工作效率高、水平分辨率強(qiáng)、縱向頻點(diǎn)數(shù)靈活、受高阻屏蔽小、對低阻層(體)反映靈敏及探測深度適中等優(yōu)點(diǎn)[13]，適用于探查深部構(gòu)造及地層的變化情況。

經(jīng)物探探測和解譯，全隧物探共劃分124段物探異常段，分別為Ⅴ類異常28段長5 151 m、Ⅳ類異常49段長3 502 m、Ⅲ類和Ⅱ類異常47段長4 966 m，并基本對應(yīng)Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ(含Ⅱ級)級圍巖分級。與隧道最終的圍巖分級相比，物探確定的圍巖分級長度準(zhǔn)確率約為66.6%。

從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工揭示情況來看，物探確定的圍巖分級總體基本合理，但也存在異常段飄移、斷層破碎帶過寬及解譯錯(cuò)誤等問題造成解譯誤差較大。

4.1.1異常段飄移

即解譯的圍巖異常段落是存在的，但位置向大里程或小里程端發(fā)生了飄移，飄移的長度一般為50～120 m，且高阻區(qū)和低阻區(qū)均會發(fā)生飄移。該隧道比較典型的異常段飄移有以下2段。

1)隧道洞身D4K339+454～+520段隧道埋深約150 m，巖性為灰?guī)r，物探為低阻區(qū)，對應(yīng)Ⅴ級圍巖，實(shí)際開挖該段為Ⅳ級，而Ⅴ級飄移到D4K339+400～+459，向小里程飄移了54 m。

2)隧道洞身D4K340+825～+958段隧道埋深約300 m，洞身巖性為灰?guī)r，上覆較厚硅質(zhì)巖，物探為高阻區(qū)，對應(yīng)Ⅲ級圍巖，實(shí)際開挖該段為Ⅳ級夾Ⅴ級，而Ⅲ級飄移到D4K340+945～D4K341+055，向大里程飄移了120 m。

高阻區(qū)和低阻區(qū)均會發(fā)生飄移，物探異常段的飄移比較復(fù)雜，主要與地形、埋深、巖性、物探布置及參數(shù)校正等有關(guān)。異常段的漂移引起圍巖分級總長度的變化不大，但因位置發(fā)生了較大變化，對施工影響較大。

4.1.2斷層破碎帶解譯過寬

該隧道構(gòu)造復(fù)雜，共有8條斷層大角度穿過隧道洞身。

其中下林色5#斷層經(jīng)測繪及鉆探推測，斷層在D4K345+342～+362穿過隧道洞身，寬約20 m，物探解譯斷層帶穿過隧道洞身里程為D4K345+071～+517，寬達(dá)446 m，實(shí)際施工揭示斷層位置為D4K345+260～+310，寬約50 m，與地質(zhì)推測的斷層中心位置相差67 m。

下林色逆斷層經(jīng)測繪及鉆探推測斷層在D4K346+663～+688穿過隧道洞身，寬約25 m，物探解譯斷層帶穿過隧道洞身里程為D4K346+481～+700，寬達(dá)219 m，實(shí)際施工洞揭示斷層位置為D4K346+820～+865，寬約45 m，與地質(zhì)推測的斷層中心位置相差157 m。

物探解譯斷層破碎帶過寬可能與斷層帶附近巖體節(jié)理較發(fā)育、富水性較好、易形成低阻區(qū)有關(guān)，而實(shí)際上除斷層帶巖體確實(shí)破碎，可達(dá)到Ⅴ級，但一般寬度不大，兩側(cè)巖體完整性總體較好，一般為Ⅳ級。總體來說,通過測繪確定的斷層破碎帶位置及寬度較物探準(zhǔn)確。

4.1.3物探多解性造成的解譯錯(cuò)誤

對于巖體極軟弱、極破碎及富水帶，物性特征基本相同，均呈現(xiàn)為低阻，特別是硬質(zhì)巖的富水地帶，因富水解譯為Ⅴ類異常，實(shí)際開挖則巖體較好，多變更為Ⅲ級和Ⅳ級圍巖。同時(shí)受地形和環(huán)境等的影響，也很容易造成物探解譯錯(cuò)誤。該隧道物探解譯錯(cuò)誤的地段主要有以下2段。

1)D4K344+075～+300段物探解譯為斷層破碎帶，以Ⅳ級為主，實(shí)際施工揭示以Ⅲ級為主，未發(fā)現(xiàn)斷層帶。

2)D4K344+866～D4K345+071段物探解譯為斷層破碎帶，以Ⅴ級為主夾Ⅳ級，實(shí)際施工揭示以Ⅲ級為主，未發(fā)現(xiàn)斷層帶。

解譯錯(cuò)誤原因較多，但錯(cuò)誤率控制在一定范圍內(nèi)是可以接受的。

4.2　巖溶發(fā)育

隧道洞身主要處于地下水的垂直循環(huán)帶及季節(jié)變動帶，因巖體節(jié)理和裂隙較發(fā)育，區(qū)內(nèi)降雨量豐富，地下水滲流和運(yùn)移較強(qiáng)烈，造成巖溶較發(fā)育。

該隧道洞身主要分布有6段可溶巖，總長8 280 m，可溶巖與碎屑巖、侵入巖呈相間分布。經(jīng)施工揭示，可溶巖地段巖溶總體中等發(fā)育，以溶洞、溶縫和溶蝕破碎帶為主，其中在D4K340+760～+840、D4K341+080～+140段施工揭示出2處大型溶洞。對施工揭示的巖溶發(fā)育地段圍巖分級均根據(jù)巖溶發(fā)育程度降低1—2級，但因可溶巖為硬質(zhì)巖，對局部的巖溶發(fā)育及富水物探難以發(fā)現(xiàn)，物探總體呈高阻區(qū)，造成圍巖分級變更較多。

該隧道洞身D4K339+248～D4K341+466段為泥盆系灰?guī)r，物探解譯以Ⅲ類及Ⅳ類異常為主，夾Ⅴ類異常，勘察結(jié)合物探確定的Ⅴ級圍巖段不多，但施工實(shí)際開挖揭示Ⅴ級圍巖的段落及長度增加較多，共造成10段762 m長的Ⅲ級和Ⅳ級圍巖變更為Ⅴ級圍巖。

隧道洞身D4K349+000～D4K350+170段為二疊系灰?guī)r，物探解譯以Ⅲ類及Ⅱ類高阻異常為主，被確定為長段的Ⅲ級圍巖，也未進(jìn)行深孔驗(yàn)證，而實(shí)際開挖揭示主要為Ⅳ級圍巖，Ⅲ級很少，造成該段有3段共1 050 m的Ⅲ級圍巖變更為Ⅳ級圍巖，為該隧道最長的一段圍巖變更?？辈熘袑ξ锾降妥璁惓^(qū)一般均進(jìn)行鉆探驗(yàn)證及調(diào)整，而往往容易忽視對高阻異常區(qū)的驗(yàn)證。

4.3　層間擠壓破碎帶

該隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，并存在侵入巖的作用，造成隧道區(qū)巖體總體較破碎，在局部巖體軟弱地帶、軟質(zhì)巖與硬質(zhì)巖接觸帶易形成層間擠壓破碎帶，巖體被切割、擠壓破碎呈碎塊狀、角礫狀，巖體破碎，并且易形成相對富水區(qū)，這些地帶一般長10～40 m，施工開挖揭露擾動后圍巖強(qiáng)度下降明顯，易發(fā)生變形、坍塌。原勘察提供的圍巖分級一般為Ⅲ級和Ⅳ級，最終多變更為Ⅴ級，屬正變更，這樣的地段共有13段計(jì)288 m，占正變更的9.8%。

4.4　地下水發(fā)育

富寧隧道地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致隧道區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道區(qū)地下水以巖溶水和裂隙水為主，富水性弱至中等。地下水對軟質(zhì)巖、破碎帶及接觸帶圍巖分級的影響較大。施工中富寧隧道共揭示出水點(diǎn)37處17段，其中有7段123 m造成圍巖分級發(fā)生變更，主要為Ⅲ級變更為Ⅴ級和Ⅳ級變更為Ⅴ級，占正變更的4.1%。

5　勘察工作反思

隧道圍巖分級的確定是一個(gè)由淺入深、由粗到細(xì)、由定性到定量綜合分析的復(fù)雜過程，需采取工程地質(zhì)測繪、鉆探、物探、測試及綜合分析等手段。為更合理地確定隧道圍巖分級，降低圍巖分級的變更率，減小因圍巖變更對施工及造價(jià)等造成的影響，通過對富寧隧道圍巖變更的分析，對勘察工作有如下思考。

1)工程地質(zhì)測繪是基礎(chǔ)，必須做好工程地質(zhì)測繪工作。鉆探能直觀查看地質(zhì)體特征，但較難以點(diǎn)帶面，且不可能大量鉆探，需針對性地合理布置鉆探。

2)雖然存在多解性及適用性等問題，但物探仍是確定圍巖分級的重要輔助手段，需根據(jù)隧道區(qū)地形、巖性、構(gòu)造、不良地質(zhì)、埋深及環(huán)境等合理選用物探方法，針對復(fù)雜長大深埋隧道采用可控源音頻大地電磁法是比較合適的，但需解決異常段漂移、斷層破碎帶解譯過寬及多解性等問題，以提高解譯精度。

3)對物探應(yīng)進(jìn)行深孔鉆探驗(yàn)證，并根據(jù)鉆探情況對物探進(jìn)行修正。深孔驗(yàn)證應(yīng)有代表性，對不同的物探異常區(qū)(低阻區(qū)、地層界線、斷層帶等)均應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，并應(yīng)重視高阻區(qū)的驗(yàn)證。

4)巖溶及層間擠壓破碎帶有其復(fù)雜性、隨機(jī)性及偶然性，勘察時(shí)很難準(zhǔn)確確定，對圍巖分級影響較大，對施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。一般只能根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工揭示情況及時(shí)進(jìn)行變更，屬正常的變更。

5)地下水發(fā)育的地段，在勘察時(shí)一般均能做出較好的預(yù)計(jì)，主要是可溶巖段、可溶巖與非可溶巖接觸帶及斷層帶等，并能對圍巖分級進(jìn)行相應(yīng)的降低，但也有一些局部富水的地段預(yù)測困難，如巖體的層間擠壓破碎帶、可溶巖中的管道水，施工揭示后需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

6)因地質(zhì)體的復(fù)雜性、勘察技術(shù)及工作量投入的有限性，以及對地質(zhì)體認(rèn)識的局限性，施工中對圍巖分級的變更是難免的，故對復(fù)雜長大隧道目前在施工過程中采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及加強(qiáng)施工地質(zhì)工作，仍是及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件變化并進(jìn)行變更的最好方法，但需合理布置超前地質(zhì)工作，并采取合適的方法。

6　結(jié)論與建議

1)富寧隧道正洞施工中共發(fā)生圍巖變更210次，造成圍巖分級變更的主要原因是物探解譯不準(zhǔn)、巖溶發(fā)育、巖體層間擠壓破碎和地下水發(fā)育，其中物探解譯不準(zhǔn)的原因有異常段飄移、斷層破碎帶解譯過寬和解譯錯(cuò)誤等。

2)富寧隧道可溶巖分布段落較長，可溶巖段巖溶總體較發(fā)育，因巖溶造成的圍巖變更也較多，應(yīng)重視可溶巖段圍巖分級的確定，盡量細(xì)化圍巖分級，避免出現(xiàn)長段的高圍巖分級。

3)巖體層間擠壓破碎帶和地下水發(fā)育也會造成隧道圍巖分級的變更，但變更率一般較小，這些地段范圍較小，勘察很難查清，需加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)來調(diào)整圍巖分級，屬正常變更。

4)在隧道勘察過程中對地質(zhì)條件復(fù)雜的長大深埋隧道應(yīng)全隧進(jìn)行物探，可控源音頻大地電磁法目前對長大深埋隧道是一種比較適宜的物探方法，但應(yīng)解決物探解譯過程中存在的問題，并應(yīng)對主要物探異常區(qū)布置鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，以提高解譯精度。

5)采用工程地質(zhì)測繪、鉆探、物探、測試及分析等綜合勘察手段是目前確定圍巖分級的主要方法。工程地質(zhì)測繪與鉆探仍然是隧道勘察及確定圍巖分級的前提和基礎(chǔ)，物探是重要的輔助手段，應(yīng)重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工地質(zhì)工作。