胡國斌 廖琪斌 王傳虎 先 波 吳建川
(1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司, 成都 610017;2.中鐵十五局集團第四工程有限公司, 鄭州 451152;3.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 成都 610072)
目前軟巖隧道施工已成為隧道工程界的一項難題。當隧道在軟弱圍巖中開挖時,易形成塌方、軟巖大變形、突泥等特殊工程地質(zhì)災害。而受勘察手段和專業(yè)認識制約,往往對軟弱圍巖隧道賦存的地質(zhì)環(huán)境及其工程地質(zhì)特性認識略顯不足。甘孜州S217 線海子山隧道屬于高海拔長隧道,隧道臨近甘孜—玉樹深大活動斷裂帶,隧址位于該斷裂帶的強烈影響區(qū)內(nèi),工程地質(zhì)條件復雜,圍巖軟巖特性明顯。在施工中,因隧址臨近區(qū)域大斷裂帶,洞身各種規(guī)模的斷層破碎帶頻現(xiàn),導致塌方、軟巖大變形、突泥等頻發(fā)。本文通過對隧道賦存的地質(zhì)環(huán)境和基本工程地質(zhì)特性梳理分析,結(jié)合施工中各類病害現(xiàn)象,對病害現(xiàn)象發(fā)生的工程地質(zhì)原因進行了分析探討,便于指導隧道動態(tài)設(shè)計和施工,也為類似項目的建設(shè)提供借鑒和參考。
受路線走廊帶唯一性制約,為了實現(xiàn)高寒高海拔越嶺段公路的全天候通行能力,S217 線在海子山越嶺路段選擇以隧道形式穿越。海子山隧道全長2522m,采用二級公路技術(shù)標準,設(shè)計速度為40km/h,建筑限界10m×5m,隧道最大埋深213m,設(shè)計標高4361~4371m,隧址區(qū)地震烈度為Ⅷ度。是典型的高寒、高海拔、高應力、軟弱圍巖長隧道。隧道南端臨近甘孜—玉樹深大斷裂,該斷裂為全新世活動斷裂,在斷裂演化歷程中,沿斷裂帶發(fā)生過多次中強地震,構(gòu)造活動頻繁。斷裂對區(qū)內(nèi)地形地貌、河谷水系及構(gòu)造演化起主要控制作用。
隧址區(qū)為丘狀高原地貌,最高點為海子山,海拔4634m,呈東-西向丘梁狀展布。隧道近N-S 方向穿越海子山,隧道軸線走向與斷裂帶跡線呈小角度共向展布。區(qū)內(nèi)最低點為隧道南端出口外側(cè)的丹日溝,海拔4283m,相對高差351m。
(1)隧址區(qū)在大地構(gòu)造上位于青、藏、滇、緬、印、尼“歹”字型構(gòu)造體系頭部向中部轉(zhuǎn)折端的東北緣,區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線走向多作北北西、北西向展布,地質(zhì)構(gòu)造復雜。
(2)隧址區(qū)臨近甘孜—玉樹活動斷裂帶。甘孜—玉樹斷裂帶位于鮮水河-小江斷裂系的西北段,它與該斷裂系中的其他斷裂(如鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂和小江斷裂)一起構(gòu)成了順時針旋轉(zhuǎn)的青藏高原南東地塊的北邊界[1],見圖1。斷裂構(gòu)成了巴顏喀拉地塊和羌塘地塊、川滇菱形地塊的邊界斷裂,是一條全新世強烈活動的左旋走滑兼逆沖活動斷裂,總體走向SW,斷裂在該段分為較多分支段落,呈羽列、分叉等形態(tài)展布[2]。隧址區(qū)位于斷裂帶中部,中部斷裂帶由錯阿向西北進入馬尼干戈盆地,經(jīng)日阿、窩工、海子湖跨越海子山(隧址區(qū)),經(jīng)竹慶盆地進入俄支盆地,長約130km,形成一系列與斷層活動相關(guān)的斷陷盆地[4]。隧址區(qū)位于海子山口。
圖1 甘孜一玉樹斷裂及其近代地震破裂分段圖(聞學澤,2003)[3]其中:①示羌塘地塊,②示川滇地塊
(3)隧址區(qū)斷裂破碎帶寬大,活動性強。斷裂帶寬0.5~1.0km 左右,帶內(nèi)巖體極破碎,大多數(shù)具有粉末狀、粒狀特征,糜棱巖、斷層泥發(fā)育,斷裂整體傾向NE,傾角60~80°,是一條高角度走滑左旋逆沖斷裂[4],沿主斷裂兩側(cè)次級斷裂發(fā)育,隧址位于斷裂北東側(cè)主動盤,距主斷裂線約1.1km。據(jù)研究甘孜—玉樹斷裂在隧址區(qū)海子山一帶估計斷層平均左旋滑動最大速率可達(12.8±1.7)mm/a,最大垂直滑動速率可達(1.7±1.6)mm/a[1],見表1。
表1 甘孜-玉樹斷裂斷裂活動速率文獻研究成果一覽表(工程區(qū)附近)
隧址區(qū)出露基巖為三疊紀曲嘎寺組(T3q)的炭質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖等淺變質(zhì)巖石,地表沉積第四系松散堆積層。
(1)地層巖石具有淺變質(zhì)特點。隧道段主要分布的板巖巖石薄片鑒定顯示,板巖具變余砂狀結(jié)構(gòu),原巖為泥質(zhì)長石石英雜砂巖,碎屑約占80%,填隙物約占20%。巖石中石英礦物顆粒被定向壓扁、拉長,原巖雜基粘土礦物在區(qū)域構(gòu)造應力作用下變質(zhì)重結(jié)晶形成絹云母新生特征變質(zhì)礦物。
(2)受強烈的區(qū)域動力地質(zhì)構(gòu)造影響,地層強烈扭曲變形,巖石破碎,見圖2、圖3。
圖2 強烈扭曲的炭質(zhì)板巖
圖3 呈渣狀炭質(zhì)板巖
(1)地表水儲藏條件好。隧址區(qū)海拔4300m 以上,一年之內(nèi)積雪期可達5~6個月,低溫期長,降水、融化冰雪是地表水及地下水的主要來源。地表覆蓋層為冰磧層圓礫土和礫石土,地面為高原草墊,地表水儲藏條件良好。常年低溫,覆蓋層孔隙中多見冰晶,氣溫回暖時易融化,融水易集中下滲。
(2)具備地形、構(gòu)造控水特征,基巖富水。隧址區(qū)山體內(nèi)次級斷層發(fā)育,存在構(gòu)造垂直向控水的地質(zhì)條件,局部富水特性。在地表溪溝流經(jīng)地段,地形控水顯著,地表坡地凹槽、負地形等部位易形成草墊沼澤洼地,負地形其下基巖裂隙連通性相對較好,對應的隧道圍巖區(qū)段滲水量大,對地層的軟化特性也較明顯。
隧道主要圍巖為炭質(zhì)板巖,巖石呈灰黑色,呈薄層、片狀、扭曲狀。層間膠結(jié)差、巖層整體強度低,開挖擾動易呈碎渣狀。
(1)炭質(zhì)板巖具有斷裂破碎帶斷層巖礦物成分特性。隧址區(qū)地層,受區(qū)域大斷裂動力地質(zhì)作用及隧道內(nèi)數(shù)條次級斷裂構(gòu)造擠壓影響,巖石礦物在動力變質(zhì)作用下,礦物成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。據(jù)研究,黏土礦物含量在同震新斷層泥中最高,從老斷層泥、斷層角礫巖到圍巖,黏土礦物含量逐漸降低[5]。經(jīng)對海子山隧道散碎炭質(zhì)板巖進行全巖X 射線粉晶衍射分析,見表3,結(jié)果顯示圍巖礦物組成成分以石英(15%-22%)和黏土礦物(78%-85%)為主,粘土礦物伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物整體含量占比大,類比斷層巖的成分特征,其巖性礦物特征更加接近斷層泥、斷層角礫巖等破碎帶圍巖礦物成分特征[5]。
(2)炭質(zhì)板巖圍巖強度低,軟化特性顯著。巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與孔隙性[6]。經(jīng)對巖石礦物成分分析,因含有較多的親水性粘土礦物,抗水軟化能力差。由表2 可知,炭質(zhì)板巖軟化系數(shù)較小,具有較強的軟化性能。同時其飽水系數(shù)較大,反映巖石中大開孔隙相對較多,而小開孔隙較少。因此隧道圍巖巖石力學性質(zhì)整體偏,施工抗擾動能力弱,自穩(wěn)能力弱,工程地質(zhì)性質(zhì)差。
表2 巖石物理力學指標統(tǒng)計
(3)炭質(zhì)板巖具有弱膨脹性。經(jīng)測定巖石中主要礦物成分為伊利石、高嶺石、綠泥石等礦物。研究表明,粘土礦物表現(xiàn)出的親水特性不同,伊利石、高嶺石僅是一般的親水礦物,其親水性分別只有蒙脫石的1/10 和1/60 左右,因此膨脹土的脹縮性主要由蒙脫石含量控制[7]。定量分析炭質(zhì)板巖中黏土礦物含量及膨脹性,將伊利石含量的1/10 與高嶺石含量的1/60 折算為等效蒙脫石含量進行分析[8],見表3。一般多將膨脹巖分為強、中、弱三種情況,表4[9]為部分資料標準,但分級指標并不統(tǒng)一[9,11,12]。按照炭質(zhì)板巖中蒙脫石含量低于7%且自由膨脹量低于40%的判別標準,依據(jù)規(guī)范[13-14]判定屬于非膨脹巖。但也有研究成果表明:當蒙脫石含量達7%以上或伊利石含量達20%以上時,軟巖即具有明顯的脹縮特性[10]。
表3 炭質(zhì)板巖親水礦物成份及膨脹性初判表
表4 膨脹巖分類標準
經(jīng)分析隧道炭質(zhì)板巖的干燥飽和吸水率為14.25%,天然抗壓強度為2.56MPa,等效蒙脫石含量為6.2%,主要礦物成分伊利石含量52%-62%。結(jié)合相關(guān)研究成果及隧道開挖中初支易開裂、變形,圍巖易塑性擠出或造成底板隆起等現(xiàn)象,分析認為本隧道炭質(zhì)板巖屬于弱膨脹巖。
甘孜—玉樹斷裂帶對區(qū)域構(gòu)造起著控制作用,其斷裂破碎帶寬度近1000m,直接控制著工程區(qū)域的穩(wěn)定性,以及控制區(qū)內(nèi)的褶皺、斷層、次級結(jié)構(gòu)面的展布規(guī)律。受其影響次級斷層在隧址區(qū)隱伏發(fā)育。施工中揭示海子山隧道圍巖的結(jié)構(gòu)面化特征如下:
(1)圍巖呈現(xiàn)破碎帶和破碎影響帶分區(qū)分帶特征。斷裂(層)結(jié)構(gòu)由破碎帶和破碎影響帶構(gòu)成[15],分帶結(jié)構(gòu)見表5。
表5 斷層巖分類及其特征
隧道施工中揭示并發(fā)生重大災害的斷層至少有7 處,見表6。斷層巖性在礦物特征、結(jié)構(gòu)特征、粒度成分、滲透性及強度等方面有分帶性特征。施工揭示,破碎帶內(nèi)巖體以斷層角礫巖及斷層泥、泥化團塊為主,以及它們之間所夾雜原巖碎裂物質(zhì)組成,破碎帶內(nèi)地層擠壓、褶皺、揉搓、方解石脈穿插現(xiàn)象明顯(見圖2),軟弱滲水易塌方,塌方后的渣土遇水擾動后成含角礫的泥狀,易陷腳,。揭示的破碎影響帶內(nèi)圍巖以極度破碎的炭質(zhì)板巖和變質(zhì)砂巖為主,呈碎片巖狀,少量的砂質(zhì)板巖呈碎裂、碎塊狀,以破碎為主,泥化物較少,圍巖易碎散掉塊,初支變形大,是大變形易發(fā)區(qū)段。
表6 隧道內(nèi)次級斷層分布及病害發(fā)育統(tǒng)計表
(2)隧道洞身圍巖視電阻率分帶特性。探測顯示低阻帶(ρ<100Ω·m)和相對高阻帶(ρ=200~600Ω·m)間隔穿插。在低阻帶向相對高阻帶過渡區(qū)域(ρ=80~150Ω·m)揭示發(fā)育較大的斷裂數(shù)條。且經(jīng)病害統(tǒng)計,高低阻過渡區(qū)域易發(fā)生塌方災害。分析認為,因斷層的發(fā)育及其結(jié)構(gòu)的分帶特性,導致巖體破碎程度和含水程度的不同,使得全隧圍巖視電阻率存在明顯的分區(qū)、分帶特征,見圖4。
圖4 海子山隧道EH4 大地電磁測深物探電阻率斷面圖及斷層分布圖
(3)圍巖整體碎裂作用顯著,局部碎散化嚴重。圍巖在構(gòu)造擠壓作用下,導致板理化、片理化嚴重,產(chǎn)狀凌亂。而節(jié)理、裂隙局部的密集發(fā)育、切割層理,使得圍巖以碎裂狀、碎片狀為主,圍巖極易失穩(wěn)。①據(jù)(圖4)物探資料,洞身圍巖視電阻率ρ=50~100Ω·m 區(qū)段占比65%,圍巖視電阻率為ρ=100~200Ω·m區(qū)段占比24%,洞身圍巖視電阻率為ρ=200~600Ω·m 區(qū)段占比11%??梢娙韲鷰r整體電阻率極低且不均,除巖性軟弱影響因素外,主要是巖體破碎、富水所致。②開挖中極易在拱頂、拱腰位置發(fā)生散碎圍巖的遛塌。且一旦發(fā)生不易控制,松散破壞范圍逐漸擴大,直至將一定深度范圍的松散圍巖遛塌完,發(fā)展形成自穩(wěn)的塌落拱為止,結(jié)果是形成一定規(guī)模的塌腔,增加處治難度和措施,據(jù)統(tǒng)計,受圍巖碎散影響,全隧平均每30~40m 發(fā)生一次拱頂、拱腰遛塌。③受圍巖碎散化影響,全隧幾乎以挖機、銑挖頭等開挖為主,幾無爆破開挖。而棄渣也具有粒度小、不成型、碎散嚴重特征。對全隧棄渣渣土粒度進行分析,粒級<20 ㎜成分占比約80%,粒級20~200 ㎜約占10%~15%,大塊狀的僅占不足5%。
(4)薄層單斜板狀巖體在開挖中拱頂?shù)膹澢鷿⑶絿乐?。受隧道近南北軸線(N17°W)和巖層產(chǎn)狀的相互組合關(guān)系影響,見圖5,掌子面開挖時表現(xiàn)出薄層單斜板狀巖體的偏壓破壞行為。體現(xiàn)為拱頂一側(cè)巖層彎曲碎散、塌落,另一側(cè)拱頂圍巖掉快滑移。①分析原因,受斷裂構(gòu)造影響伴生的X 共軛節(jié)理,其中一組(J2 組)走向和隧道軸向近平行,該組節(jié)理裂隙的密集發(fā)育,使得薄層板巖層面的切割更加劇烈。加之圍巖層較薄、板理發(fā)育,使得開挖中隧道西側(cè)拱頂?shù)膹澢鷿⑶冃嗡揭赜跂|側(cè)拱頂?shù)募羟谢谱冃?。圍巖與支護體系受力和變形也不對稱,結(jié)構(gòu)受力和變形量的最大值位于層面和隧道開挖輪廓線的切線部位即西側(cè)拱頂。隧址區(qū)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育如下:地層產(chǎn)狀222°∠33°;J1 組節(jié)理走向N70~80°E,傾向NE,傾角70~80°,節(jié)理面較粗糙,延伸長度0.3~1m,線密度3~5 條/m;J2 組節(jié)理走向N10~20°W,傾向SE,傾角80°~近直立,節(jié)理面較粗糙,延伸長度1m 左右,線密度3~8 條/m。J1 組與J2 組是隧址區(qū)的主控裂隙,巖體體積節(jié)理數(shù)為Jv=5~8 條/m3。②在施工中,拱部初期支護沿軸向存在較多的初支扭曲、變形、壓潰、剝落現(xiàn)象,表明單斜薄層板狀地層結(jié)構(gòu)引起了較為嚴重的偏壓效應。據(jù)統(tǒng)計,施工中南段出口方向80%的遛塌發(fā)生在左側(cè)拱頂,而北段進口方向80%的遛塌發(fā)生在右側(cè)拱頂,與不利裂隙發(fā)育規(guī)律、板巖產(chǎn)狀及隧道軸線組合關(guān)系較為吻合。
受隧道臨近的甘孜—玉樹區(qū)域斷裂影響,隧道山體內(nèi)發(fā)育多條次級斷層,因此隧道地下水分布具有斷層控水特征。斷層各部位發(fā)育的裂隙性、巖體的碎散性不相同,其導水性、富水性也就不均勻,形成斷層富水性的分段特性[16]。隧道埋深淺,因此地下水發(fā)育受隧址區(qū)斷層和地表水共同作用較顯著。
(1)地下水在水平方向的滲透能力分帶性。洞身受多條斷層影響,使得全隧地下水運移環(huán)境較為復雜,但從大的規(guī)律上是符合斷層地下水運動的水平分帶性的。①破碎帶巖石受力大、應力集中,組成破碎帶主要物質(zhì)為斷層角礫巖、片理化巖、斷層泥等,圍巖相對致密、泥化情況較嚴重,體現(xiàn)出相對較好的隔水性能。②斷層破碎影響帶巖石受力和牽引作用而產(chǎn)生的機械破碎劇烈,節(jié)理發(fā)育,尤其是構(gòu)成羽狀節(jié)理更為發(fā)育,裂隙斷續(xù)延伸更遠,深度大,范圍也相較破碎帶寬度大,相對更加具有富水條件。③在斷層影響帶內(nèi),開挖后圍巖的滲水相對要點多面廣些,呈現(xiàn)淋雨或局部線狀,滲水點相對要穩(wěn)定一些;而在接近斷層破碎帶時,地下水的滲水情況總體要稍好轉(zhuǎn),呈現(xiàn)潮濕、點滴出水情況,但軟化情況嚴重。④因斷裂結(jié)構(gòu)的分帶特性,導致巖體破碎程度和含水程度的不同,圍巖視電阻率存在明顯的分區(qū)、分帶特征,印證了地下水在水平方向的滲透能力分帶性。在隧道開挖過程中,發(fā)生重大富水災害的斷層有4 條(F1、F2、F4、F6),與物探結(jié)果具有較好的印證關(guān)系。
(2)地下水具有較好的垂向補給條件。地下水補給分帶一般垂向上分入滲帶、徑流帶(地面下50~60m 至150~200m 深度不等)、滯流帶[16]。隧道最大埋深僅為213m,最大埋深僅是長度的1/10。山體地表有冰磧礫石土覆蓋層和較厚的保水草甸層,使得入滲帶具有較好的地表水補給、入滲特性。隧道埋深大部分位于徑流帶深度范圍區(qū)內(nèi),因而在隧道淺埋情況下,地下水經(jīng)山體徑流帶易下滲。尤其是在融雪季及雨季,地表充沛的降水加之較好的地下水下滲條件,更是隧道變形量突增的首因。物探電阻率斷面圖(圖4)顯示,受斷層向地下深部發(fā)育影響,圍巖低阻、富水的破碎帶及影響帶可達地表下約400m,幾乎接近隧址區(qū)主干溪谷匯水面,表明地下水垂直運移具有較好通道。
(3)地表負地形在垂向上對地下水補給效應較顯著。受高角度的斷層發(fā)育影響,裂隙垂直密集發(fā)育,導致地表裂隙密集發(fā)育區(qū)在地表形成軟弱區(qū)段,經(jīng)風化剝蝕,逐漸形成地表溝槽。①在隧道開挖中,地表為負地形或溪溝處相應的圍巖發(fā)生數(shù)次塌方,存在巖體斷層破碎帶顯現(xiàn)在負地形下的特征,體現(xiàn)淺埋深隧道逢溝易塌的現(xiàn)象。②地表水較多的匯集負地形、溝槽,經(jīng)垂直裂隙密集帶下滲,對斷裂破碎帶和破碎影響帶進行補給,軟化破碎帶。F4 斷層破碎帶在施工甚至發(fā)生了重大突泥地質(zhì)災害,見圖6。
圖5 結(jié)構(gòu)面赤平投影
圖6 隧道突泥
圖7 支護大變形
我國《工程巖體分級標準》利用巖石或巖體的強度應力比,即巖石飽和單軸抗壓強度(Rc)與最大初始應力(σmax)的比值,巖石強度應力比Rc/σmax大小來劃分地應力狀態(tài)。Rc/σmax>7 為一般地應力,Rc/σmax=4~7 屬于高地應力,而Rc/σmax<4 即為極高地應力。海子山隧道炭質(zhì)板巖巖石單軸抗壓強度小于2.56MPa,飽和抗壓強度僅僅是0.63MPa。即使以埋深產(chǎn)生的垂直應力大小來測算,隧道在極小埋深情況下的炭質(zhì)板巖區(qū)段即處于高地應力或極高地應力狀態(tài)。隧道90%的區(qū)段為連續(xù)的炭質(zhì)板巖區(qū)段,即極高和高地應力的情況幾乎占到全部隧道的90%。因此對于海子山隧道而言,軟弱圍巖造成的大變形難免成為主要地質(zhì)問題。
海子山隧道原勘察階段預估以Ⅳ級圍巖為主,長度為2197m、占總長的87%;Ⅴ級圍巖為長323m、占總長的13%。但施工階段通過對地質(zhì)條件不斷的認識,對圍巖級別及支護參數(shù)據(jù)揭露情況進行了調(diào)整設(shè)計。經(jīng)統(tǒng)計,隧道全長2522m,實際V 級段達2222m,占88.1%,Ⅳ級段僅300m;在所有V 級圍巖段,用一般V 級支護措施支護的有1489m,占比59%,用超強支護措施加強支護區(qū)段733m,占比59%。較勘察階段比較,整個隧道炭質(zhì)板巖段比例達到88%,洞身段揭露有7 條次級斷層,小斷層無數(shù),整個隧道圍巖的強片理化、碎裂巖化、泥化夾層現(xiàn)象均較顯著。且越臨近甘孜—玉樹斷裂的隧道南段,圍巖的三化程度更加劇烈。通過開挖揭示及施工動態(tài)設(shè)計,調(diào)整后的圍巖級別基本符合地質(zhì)現(xiàn)狀。
在高原、高海拔、復雜地質(zhì)條件下修建軟弱圍巖隧道,面臨的困難和挑戰(zhàn)是非常大的。通過工程實踐,有以下體會為類似項目的建設(shè)提供借鑒參考。
(1)通過對海山隧道工程地質(zhì)的再分析,認為受區(qū)域性活動斷裂影響,隧道呈現(xiàn)出極軟巖、弱膨脹性、破碎帶發(fā)育、易塌方、地下水豐富、高應力狀態(tài)的工程地質(zhì)特性。是施工中導致塌方、軟巖大變形、突泥等災害頻發(fā)的主要地質(zhì)原因。
(2)通過隧道開挖揭示,認為區(qū)域性的大斷裂最新錯動面或地表活動線顯然具有局限性,斷裂破碎帶及斷裂影響帶寬度可以很大,且伴生的次級斷層會較發(fā)育。必須關(guān)注臨近大斷裂區(qū)域的工程地質(zhì)巖組的工程特性。
(3)綜合運用遙感、地面調(diào)查、物探、鉆探、試驗測試等工程地質(zhì)勘察技術(shù),加強相關(guān)技術(shù)的綜合分析能力,精確呈現(xiàn)軟弱圍巖隧道工程地質(zhì)巖組的特性及圍巖分類,提高前期地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量,是軟巖隧道實現(xiàn)快速施工和經(jīng)濟效益最大化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
(4)施工中應該加強對各種病害現(xiàn)象發(fā)生的地質(zhì)解譯,加強施工地質(zhì)工作。對隧道賦存的地質(zhì)環(huán)境的再認識,是指導隧道動態(tài)設(shè)計和動態(tài)施工的關(guān)鍵保障。