溫州雁蕩山地區(qū)鐵路隧道施工地質(zhì)問題探討

聶信輝

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引 言

浙江溫州樂清市雁蕩山地區(qū)鐵路客運(yùn)專線和貨運(yùn)專線兩個(gè)項(xiàng)目分布有雁蕩山隧道等總長(zhǎng)約為28 km的十一座雙線客專隧道，以及烏石嶺隧道等總長(zhǎng)約為6.4 km的八座單線貨運(yùn)隧道。隧道群分布于雁蕩山核心景區(qū)（世界地質(zhì)公園）至中雁蕩山風(fēng)景區(qū)東側(cè)邊緣的低山丘陵火山巖山體中，南北分布范圍約60 km。

客專隧道和貨運(yùn)隧道均歷時(shí)約三年完成施工，各隧道施工總體保持了平穩(wěn)安全的狀態(tài)。各隧道在穿越山體地形、巖石地層等存在一定差異，圍巖穩(wěn)定、施工工況表現(xiàn)出較為豐富的多樣性。本文對(duì)本地區(qū)巖層成因、巖體結(jié)構(gòu)、圍巖形態(tài)進(jìn)行闡述，結(jié)合隧道施工中出現(xiàn)的典型的圍巖穩(wěn)定工況分析，提出優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)、施工和管理的建議。

2 區(qū)域地質(zhì)特性

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

雁蕩山破火山是中國(guó)燕山地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中巖漿大爆發(fā)的一個(gè)典型代表。在中生代時(shí)期，太平洋板塊向亞洲大陸板塊低角度斜向俯沖，地處中國(guó)東南沿海的雁蕩山白堊紀(jì)破火山，即在這一具有全球意義的構(gòu)造背景下形成。該巖帶以酸性巖漿的爆發(fā)占主導(dǎo)地位，大面積的火山碎屑流堆積，包括未熔結(jié)、熔結(jié)凝灰?guī)r，其巖漿爆發(fā)的體積約48萬km3。三期破火山活動(dòng)，造就了雁蕩山享譽(yù)中外的奇秀名山。從工程地質(zhì)來說，地質(zhì)公園內(nèi)巖體抬升、剝蝕、切割，導(dǎo)致火山根部天然裸露成多方位立體斷面模型，其產(chǎn)物涵蓋了不同巖相的巖石，包括地面涌流堆積、火山碎屑流堆積、空落堆積、基底涌流堆積和流紋質(zhì)熔巖等，巖石地層單元、巖相剖面、巖石結(jié)構(gòu)均十分典型。工程區(qū)先后經(jīng)歷了四期噴發(fā)，自下而上形成四個(gè)巖石地層單元。最后一期火山噴發(fā)后又有巖漿侵入，構(gòu)成一個(gè)侵入單元［1－4］。

距今三千多萬年前至二千多萬年前，雁蕩山沉沒在海中，巖體受到海水的侵蝕。以后又遭到多次海水進(jìn)退侵蝕作用，巖體又進(jìn)一步剝蝕風(fēng)化。層層疊置的巨型流紋巖經(jīng)過一億多年的地質(zhì)作用，形成了銳峰疊嶂穹巖巨谷的地質(zhì)奇觀。從工程地質(zhì)來看，區(qū)域巖層呈現(xiàn)強(qiáng)度高、整體性較好的總體特性，以及局部存在巖體破碎、堆積層厚薄不一、侵蝕風(fēng)化嚴(yán)重的地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 地層巖性

（1）凝灰?guī)r，是火山碎屑巖的細(xì)分，其組成的火山碎屑物質(zhì)有50%以上的顆粒直徑小于2 mm，成分主要為火山灰，在火山噴發(fā)中凝（熔）結(jié)而成。依碎屑物粒徑大小可進(jìn)一步劃分為粗火山灰、細(xì)火山灰和火山塵三種。在酸性巖漿噴發(fā)時(shí)，主要成分一般是玻屑和火山灰，巖屑和晶屑居次要地位；在中基性巖漿噴發(fā)中，巖屑和晶屑數(shù)量相對(duì)增加。凝灰?guī)r有些由成分單一的火山灰厚積而成，有些系酸性巖涌流成因，稱為流紋質(zhì)凝灰?guī)r。

（2）熔結(jié)凝灰?guī)r，是雁蕩山地區(qū)廣泛分布的主要地層巖體，其在第一、第三、第四巖石地層單元中普遍發(fā)育，也是隧道工程穿越的主要巖層。其成因是火山作用時(shí)，剛性和塑性物質(zhì)構(gòu)成的熾熱火山碎屑流，在重力流動(dòng)和負(fù)荷壓力的共同作用下，在沿地表流動(dòng)（或地下涌流）、堆積過程中，使得火山碎屑物質(zhì)彼此熔結(jié)成巖。其碎屑物質(zhì)包括火山作用中熔巖被粉碎而形成的熾熱的熔漿碎屑和玻屑、火山塵、熔漿晶屑，以及灼熱的剛性巖屑。形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)造為熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)、熔結(jié)角礫結(jié)構(gòu)和假流紋構(gòu)造。熔結(jié)凝灰?guī)r因熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，巖石命名為“熔結(jié)凝灰?guī)r”。由于成因差異，熔結(jié)凝灰?guī)r通常細(xì)分為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r等。

（3）流紋巖，噴溢相火山巖是形成雁蕩山景區(qū)觀賞巖體的主體?；鹕阶饔脮r(shí)，巖漿從火山通道中比較平靜溢流和侵出，使巖體具有顯著的流紋構(gòu)造而命名。噴溢的流紋巖，由于內(nèi)部流動(dòng)和冷卻條件的差異，其上部、中部和下部巖石的結(jié)構(gòu)和巖石類型有明顯的區(qū)別。巖流單元的上部，流紋構(gòu)造比較發(fā)育；球泡流紋巖一般發(fā)育在流動(dòng)單元中上部或中下部，含角礫流紋巖（流紋不規(guī)則）一般發(fā)育在巖流單元的下部。

（4）花崗斑巖，在雁蕩山附近山體，侵入巖大多以巖株、巖脈形式出現(xiàn)，巖基地表裸露情況較少。巖性以酸性、中性為主，正、斜長(zhǎng)石礦物成分含量高，屬淺層巖，巖石命名為花崗斑巖，地勘報(bào)告命名為二長(zhǎng)花崗斑巖。隧道穿越山體，經(jīng)常會(huì)遇到巖漿侵入巖的情況。

3 場(chǎng)區(qū)隧道圍巖特征

3.1 巖體結(jié)構(gòu)面及其影響

對(duì)于圍巖強(qiáng)度較高的隧道，通常情況下圍巖穩(wěn)定可以認(rèn)為主要受到結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度和相對(duì)開挖斷面空間位置影響［5－7］。雁蕩山地區(qū)的火山巖巖體整體性較好，巖體強(qiáng)度較高。表1以熔結(jié)凝灰?guī)r為例，說明圍巖結(jié)構(gòu)面的主要形態(tài)及其影響。

表1 熔結(jié)凝灰?guī)r結(jié)構(gòu)面及其影響

3.2 隧道穿越場(chǎng)區(qū)地層形態(tài)及圍巖穩(wěn)定

工程區(qū)總體屬低山丘陵地區(qū)，最高山峰約700 m，濱海平原地面標(biāo)高約5.0 m，隧道線路高程一般為25 m左右。因此，隧道以穿越500 m以下的低山為主，少部分穿越500～700 m的中低山。按隧道埋置深度和穿越地層分類，圍巖拱部自穩(wěn)狀況見表2。

表2 隧道穿越地層圍巖自穩(wěn)狀況

3.3 隧道圍巖等級(jí)分布統(tǒng)計(jì)

按隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)隧道進(jìn)行圍巖分級(jí)［8－10］。隧道Ⅴ級(jí)圍巖主要位于進(jìn)出口淺埋段、沖溝淺埋段、斷裂破碎帶；Ⅳ級(jí)圍巖主要位于Ⅴ級(jí)圍巖的過渡段和淺埋段；Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖位于正常深埋的山體巖層中。Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖占總長(zhǎng)的52.5%。由于貨運(yùn)隧道以中短隧道為主，進(jìn)出口淺埋段相應(yīng)圍巖級(jí)別較低，所占比例偏高。以其中三條中長(zhǎng)隧道的圍巖長(zhǎng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖占總長(zhǎng)的70.0%，與客運(yùn)隧道的圍巖級(jí)別分布基本相同。地質(zhì)勘探資料和現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)情況顯示，場(chǎng)區(qū)圍巖狀況總體較好。場(chǎng)區(qū)中長(zhǎng)隧道的構(gòu)造帶總長(zhǎng)度約占總長(zhǎng)的2.0%。

4 影響場(chǎng)區(qū)圍巖穩(wěn)定的重點(diǎn)因素

（1）場(chǎng)區(qū)淺層土

雁蕩山地區(qū)山體石峰聳立、植被茂盛，山體表層土總體不發(fā)育，局部受地質(zhì)作用影響，存在一定厚度的堆積層。根據(jù)地質(zhì)縱斷面和現(xiàn)場(chǎng)施工情況，山體表層土大多小于2 m，對(duì)隧道進(jìn)出洞影響不大。但是，在大型山坳沖溝處、山體崩塌發(fā)育的坡腳區(qū)，局部地層的堆積土厚達(dá)十余米。因堆積土地層往往地下水也發(fā)育，圍巖地層的穩(wěn)定性很差，隧道施工須引起特別重視。

（2）地下水作用

場(chǎng)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨水充沛。地下水受地形及雨水補(bǔ)給影響較大，通常發(fā)育于沖溝匯水區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造巖石破碎帶區(qū)域。地質(zhì)勘察報(bào)告和隧道掘進(jìn)顯示，中等富水區(qū)出現(xiàn)情況不多，地下水水壓不高，最大涌水量小于200 m3/d。淺埋隧道圍巖穩(wěn)定受地下水影響較大，對(duì)深埋隧道影響不大。

（3）風(fēng)化和海水侵蝕作用

在通常情況下，巖體受風(fēng)化侵蝕作用有限，弱風(fēng)化層基巖埋深較淺。但是，在貨運(yùn)鐵路五重山隧道穿越丘陵山包時(shí)，深埋29 m圍巖出現(xiàn)全風(fēng)化的情況；客專雪嶺隧道和附近的貨運(yùn)隧道，均出現(xiàn)隧底以下10余米處出現(xiàn)全風(fēng)化土層的情況。這種超深、超強(qiáng)風(fēng)化土對(duì)圍巖穩(wěn)定影響很大。出現(xiàn)這種情況的原因可以理解為兩處地層系崩石堆積所致。因堆積地層結(jié)構(gòu)松散，其分布深度又處于海蝕和風(fēng)化交替作用的不利位置，受風(fēng)化和海水侵蝕作用比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖塊完全侵蝕軟化。

5 隧道施工圍巖不穩(wěn)定工況及分析

（1）全風(fēng)化圍巖拱頂塌方

圍巖拱頂塌方是隧道施工非常嚴(yán)重的工程事故，可能造成重大的損失［11－12］。場(chǎng)區(qū)隧道施工極少發(fā)生塌方情況，僅在五重山隧道進(jìn)口段發(fā)生一次塌方。隧道塌方處埋深29 m，位于丘陵山包頂部小平臺(tái)處，土體濕潤(rùn)，塌方處圍巖呈全風(fēng)化“土夾石”狀態(tài)。塌方發(fā)生在掘進(jìn)掌子面處。掘進(jìn)爆破約5 h后，從邊墻開始出現(xiàn)小掉快，進(jìn)而變形發(fā)展；約10 h后出現(xiàn)拱部塌方，形成寬約4.5 m、長(zhǎng)約3.5 m、高約5 m的塌腔，塌方體積約50多立方。塌方系圍巖土體塑性變形、剪切破壞。

塌方的基本原因是圍巖松散、自穩(wěn)性差，初支不及時(shí)。但是，在圍巖和施工工況相近的情況下，為何塌方在此循環(huán)發(fā)生，而不是在之前的開挖循環(huán)中發(fā)生？分析認(rèn)為，塌方循環(huán)位于山頂平臺(tái)處，地層自重壓力最大，邊墻風(fēng)化土在應(yīng)力水平較高的地層壓力作用下塑性變形發(fā)展，導(dǎo)致拱部土體失穩(wěn)，形成拱部塌方。

（2）拱部掉塊

根據(jù)不完整統(tǒng)計(jì)，發(fā)生掉塊情況約為20余次，掉塊發(fā)生概率約為0.2%，屬于小概率事件。拱部掉塊體積均小于10 m3，通常與爆破同時(shí)發(fā)生。除淺埋因素，發(fā)生圍巖掉塊與圍巖軟硬、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、埋深、開挖斷面尺寸等因素關(guān)系不大。換言之，發(fā)生掉塊與圍巖結(jié)構(gòu)面不利組合有關(guān)，是不利結(jié)構(gòu)面組合的概率結(jié)果。

圖1為貨運(yùn)鐵路某隧道拱部掉塊發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)。掉塊發(fā)生在Ⅴ級(jí)強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r圍巖中，拱頂埋深約14 m，掉塊體系巖層頂板位于拱頂中央，可以明顯看出不利的結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系。

（3）圍巖整體失穩(wěn)

圍巖整體失穩(wěn)導(dǎo)致隧道不能正常掘進(jìn)，對(duì)隧道施工會(huì)造成極大的危害，這種情況在場(chǎng)區(qū)隧道施工中很少見。2005年，在客運(yùn)專線雪嶺隧道進(jìn)洞掘進(jìn)時(shí)，因拱部初支下沉量過大（約20 cm），導(dǎo)致進(jìn)洞受阻，采用地基加固等措施后，才艱難掘進(jìn)進(jìn)洞。

分析原因，除了洞身圍巖坡積土不穩(wěn)定，偏壓地層使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)差，主要原因是隧底軟化。除了如前所述的落石遭海水侵蝕風(fēng)化成黏土，地基承載力較低，還因地下水發(fā)育，加之施工擾動(dòng)，導(dǎo)致隧底地基承載力進(jìn)一步降低，致使發(fā)生圍巖整體失穩(wěn)。另外，拱架支護(hù)剛度不足，施工進(jìn)洞方案考慮欠周全，以及處置措施等也存在一定問題。

6 結(jié)論與建議

（1）雁蕩山地區(qū)隧道圍巖巖石堅(jiān)硬，巖體多成塊狀結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)條件較好，隧道施工病害較小，施工中發(fā)生的問題主要以拱頂?shù)魤K為主。但在隧道進(jìn)出口、淺埋地段，特別是風(fēng)化層深厚地段，隧道施工易發(fā)生拱頂塌方冒頂；加之圍巖壓力過大，隧底軟化，地基承載力不足，易導(dǎo)致圍巖整體變形下沉。設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)采取針對(duì)性的預(yù)防措施。

（2）根據(jù)區(qū)域圍巖掉塊通常由不利結(jié)構(gòu)組合下發(fā)生的特點(diǎn)，隧道系統(tǒng)錨桿打設(shè)應(yīng)根據(jù)施工揭示的地質(zhì)情況，尤其是結(jié)構(gòu)面特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地層，當(dāng)施工揭示無不利結(jié)構(gòu)面或組合時(shí)，系統(tǒng)錨桿可以優(yōu)化；在圍巖不利結(jié)構(gòu)面比較確定情況下，應(yīng)針對(duì)性地打設(shè)錨桿，以穩(wěn)固巖體。對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖來說，開挖后有暫時(shí)穩(wěn)定性，在拱架跟進(jìn)支護(hù)的條件下，設(shè)計(jì)采用的系統(tǒng)錨桿也可以進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于淺埋的土石堆積Ⅴ級(jí)圍巖地層來說，通常在超前支護(hù)和開挖后拱架支護(hù)下施工，拱架的鎖腳錨桿必要時(shí)應(yīng)予加強(qiáng)。

（3）《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）對(duì)隧道圍巖判別提出了定量指標(biāo)，在圍巖基本分級(jí)的基礎(chǔ)上提出了圍巖的亞分級(jí)。其中Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)Ⅴa、Ⅴb、Ⅴc三個(gè)亞級(jí)，Ⅳ級(jí)圍巖設(shè)Ⅳa、Ⅳb二個(gè)亞級(jí)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況看，設(shè)置圍巖亞級(jí)，使現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)圍巖及穩(wěn)定情況更有針對(duì)性地選擇支護(hù)措施。對(duì)于設(shè)計(jì)來說，在施工圖設(shè)計(jì)文件中，系統(tǒng)全面地闡述場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)歷史、巖層成因、巖體結(jié)構(gòu)、地層命名，細(xì)化明確圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工程技術(shù)人員加深圍巖性質(zhì)的理解及指導(dǎo)施工十分必要。