藏區(qū)高速公路隧道圍巖變更管理方法探討

張樂, 潘恒

[摘要]雅康高速是四川進入甘孜藏區(qū)第一條建成的高速公路，其天全至二郎山段是典型的四川盆地第二階梯向西藏第三階梯過渡帶，地質(zhì)地形極其復(fù)雜造成隧道工程建設(shè)難度大。在定性為主定量為輔的總體思路下，建設(shè)階段總結(jié)出一套適用于川藏地區(qū)典型條件下公路隧道圍巖判別方法，并以此運用到圍巖施工支護參數(shù)調(diào)整，為后期涉藏隧道工程提供借鑒經(jīng)驗。

[關(guān)鍵詞]隧道; 圍巖分級; 支護參數(shù); 工程變更

[中國分類號]U451+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

目前，隧道設(shè)計階采用的圍巖判別方法主要以地勘推算BQ值為主進行歸類劃分，在歸類的基礎(chǔ)上結(jié)合圍巖不同的狀態(tài)，調(diào)整超前支護、鋼架間距及仰拱不同等施工支護參數(shù)的設(shè)置。藏區(qū)高速隧道的特點是：隧道圍巖在開挖揭露前和揭露后往往存在較大差異，頻繁的設(shè)計支護參數(shù)的動態(tài)調(diào)整是不得不面對的現(xiàn)實情況。據(jù)統(tǒng)計，以雅康高速為代表的藏區(qū)高速隧道圍巖最大變更率超過70%，為解決隧道工程建設(shè)與設(shè)計吻合度不高、變更數(shù)量多問題，自2016年2月雅康高速公路實施隧道圍巖變更綜合管理至2018年建成通車，天全至二郎山段在綜合管理下累計產(chǎn)生隧道變更1 000余份，安全高效施工隧道超2萬m。

1工程概況

雅康高速公路是四川進入藏區(qū)第一條建成高速公路，2018年建成通車以來，為實現(xiàn)藏區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展起到重要紐帶作用。天全至二郎山段是地形陡然抬升區(qū)域，是典型的四川盆地第二階梯向藏區(qū)高原第三階梯的過渡帶，沉積巖和火成巖交替出現(xiàn)，陡升段包含二郎山隧道等共12座隧道（含斜井），2016.2-2017.1施工階段隧道變更率如表1所示。

該段場區(qū)屬構(gòu)造、剝蝕高中山地貌區(qū)。區(qū)內(nèi)地貌多形成高山、峽谷。溝谷多呈“V”型，谷底陡窄，溝床坡降大，水系呈樹枝狀。調(diào)繪區(qū)山脊最高約1 720 m，溝谷最低約930 m，地形總體變化大。其中紫石隧道、喇叭河隧道和二郎山隧道為越嶺隧道，其余隧道為傍山隧道，均位于天全河右側(cè)斜坡上.場區(qū)在漫長的地質(zhì)時代，經(jīng)歷了多次不同方式的構(gòu)造運動：經(jīng)向構(gòu)造體系、華夏系、新華夏系、歹字型構(gòu)造體系及香爐山弧形構(gòu)造，不同地質(zhì)時代發(fā)育有眾多構(gòu)造，因此該段工程地質(zhì)分區(qū)劃分為3個小區(qū)（表2）。

2雅康高速圍巖現(xiàn)場判別思路

2.1隧道圍巖分級常見方法

據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界圍巖分級的方法目前有10余種，

主要包括巖體質(zhì)量指標BQ、巖石質(zhì)量指標BQ及修正、巖體質(zhì)量評分、坑道巖體質(zhì)量指標（Rm）、巖體堅固系數(shù)（fkp）等，由于各個行業(yè)不統(tǒng)一，造成各類規(guī)范繁多。

2.2雅康高速隧道圍巖判別方法

為使得隧道圍巖判別現(xiàn)場更具有可操作性，在缺乏部分定量指標的情況下，雅康高速以定性為基礎(chǔ)定量判別為輔助的方法，形成具有雅康高速特點的隧道圍巖判別卡，從而達到快速確定隧道施工支護參數(shù)的目的。本文以雅康高速公路喇叭河隧道某掌子面為例（支護參數(shù)由Z3變更為Z4W+D），簡述判別方法。

2.2.1主要判別指標

強度和完整性是圍巖判定公認最為重要的指標，通過此2項主要指標能判定圍巖的大致級別。

2.2.1.1強度的判別

巖體抗壓強度實測值一般采用巖石單軸抗壓強度或點荷載強度進行換算，2種方法均只能在試驗室完成，缺乏實操性。一切以現(xiàn)場解決問題實際出發(fā)，強度采用巖性判斷和敲擊、錘擊方式方式進行鑒別，采用定期或不定期試驗室取樣測算不同階段巖性下巖石的抗壓強度，只需判定圍巖強度的大致范圍：即堅硬巖（>60 MPa）、較硬巖（30-60 MPa）、較軟巖（15-30 MPa）、軟巖石（5-15 MPa）和極軟巖（<5 MPa）。

2.2.1.2完整性的判別

準確的巖石完整性指標是通過巖體和巖石壓縮波波速比的平方獲得，在需要快速鑒別的情況下，采用體積節(jié)理數(shù)或結(jié)構(gòu)面平均間距來大致區(qū)分完整性程度是最有效方法。相比較而言，采用體積節(jié)理數(shù)比結(jié)構(gòu)面間距方法更有利于與完整性一一對應(yīng)。

體積節(jié)理數(shù)計算方法：每一測點必須不小于2 m×5 m，選擇有代表性的露頭或開挖面統(tǒng)計。除成組節(jié)理外，對于延伸長度大于1 m的分散節(jié)理同樣統(tǒng)計，體積節(jié)理數(shù)計算方法見式（1）。

JV=S1+S2+……+Sn+Sk［4］（1）

式中：Sn為第n組節(jié)理每1 m長測線上的條數(shù)；Sk為每1 m3巖石非成組節(jié)理條數(shù)（條/m3）。

公路隧道開挖斷面約100 m2，在掌子面選擇3個2 m×5 m的大小的區(qū)域（區(qū)域分別選擇拱頂、拱腰兩側(cè)共3處，如圖1所示），基本覆蓋開挖輪廓線周邊，取最差區(qū)域作為計算完整性體積節(jié)理數(shù)的代表區(qū)域，即3個區(qū)域以最不利狀況為控制單元（3處中最差的地方能承受，意味著一環(huán)拱架的其他地方也能承受），通過節(jié)理計數(shù)的方法判定完整性（表3、表4）。

2.2.2次要判別指標

通過圍巖判定的主要因素能初步判定圍巖所處的大類，而進一步的支護參數(shù)修訂需要用到次要判別指標，次要判別采用掌子面附近地下水狀態(tài)及圍巖掌子面產(chǎn)狀矩陣指標。

2.2.2.1地下水的狀態(tài)

按照掌子面附近至二次襯砌未封閉段地下水狀態(tài)綜合情況劃分為3種狀態(tài)：好（掌子面附近干燥或潮濕）、中（掌子面附近淋雨狀態(tài)）、差（掌子面股狀出水或壓力噴水）。

2.2.2.2產(chǎn)狀

產(chǎn)狀中主要影響因素是結(jié)構(gòu)面的傾角以及結(jié)構(gòu)面和洞軸線夾角，基于相互之間關(guān)系劃分為3種狀態(tài)：好（結(jié)構(gòu)面傾角近垂直：大于75°；結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角大于60°（即大角度相交）），中（傾角近水平，0°～30°，結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角其它組合），差（傾角30°～75°，結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角小于30°（即小角度相交））。水的狀態(tài)和產(chǎn)狀按照好、中、差3種狀態(tài)劃定后，按照一定規(guī)則進行綜合折減，Ⅳ級及以下圍巖在涌水條件下均考慮帶仰拱模式（表5）。

快速鑒別掌子面產(chǎn)狀除采用羅盤等設(shè)備外，在現(xiàn)場可采用2種方案快速獲取大致產(chǎn)狀：一是在每一循序中，采用掌子面邊墻露頭線和側(cè)墻臨空面內(nèi)同一結(jié)構(gòu)面露頭形成的兩根交線，兩線確定一面，從而獲得結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀；二是采用相臨兩個循環(huán)掌子面的結(jié)構(gòu)面兩條平行線，兩線確定一面，通過相鄰循環(huán)開挖進尺確定產(chǎn)狀（表6、表7）。

2.2.3其他綜合指標

其他綜合指標可以綜合考慮地應(yīng)力狀態(tài)、巖體風化程度或差異風化程度、長大裂隙的發(fā)育和結(jié)構(gòu)面起伏狀態(tài)、巖石軟化系數(shù)等情況，通過支護參數(shù)再次修正，修正內(nèi)容主要包括超前支護種類及微調(diào)鋼架間距等。

（1）地應(yīng)力狀態(tài)：地應(yīng)力和埋深及地質(zhì)構(gòu)造有較大關(guān)系，地應(yīng)力的檢測需要專業(yè)設(shè)備測定，現(xiàn)場不容易直接獲得為圍巖強度應(yīng)力比，因此在無特殊條件下均可暫時不考慮地應(yīng)力因素，發(fā)生特殊狀態(tài)如巖爆等狀況時進行綜合修正參數(shù)。

（2）巖體風化和差異風化程度：風化程度指巖體風化和未風化彈性縱波速度比值，在隧道施工中可通過掌子面圍巖強度和色澤進行宏觀判別，實現(xiàn)定性判別。

（3）長大裂隙的發(fā)育和結(jié)構(gòu)面起伏狀態(tài)：將隧道貫通性裂縫進行折減并對支護參數(shù)進行修正，一般而言結(jié)構(gòu)面延伸長度達到大于10m條件下，結(jié)合結(jié)構(gòu)面起伏狀態(tài)和充填類型（無充填、巖屑、泥質(zhì)充填），對隧道施工支護參數(shù)進行微調(diào)。

（4）遇水軟化巖石：雅康高速天全至二郎山段的以巖漿巖和沉積巖為主，含部分斷層變質(zhì)巖。總體而言，區(qū)域常見的硬質(zhì)巖漿巖為不軟化巖石，而處于強風化或卸荷帶等變質(zhì)后的巖漿巖呈軟質(zhì)態(tài)，成為遇水軟化巖石（喇叭河隧道K71+500段即為此類型）；區(qū)域常見的砂巖為透水巖石，基本無軟化，但侏羅紀石英砂巖、奧陶系砂巖（如二郎山隧道東支斷裂即為此類型）、新第三系紅砂巖為等軟化巖石；其它常見的遇水軟化或分解巖石如泥巖、碳酸鹽、泥質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r、硫酸鹽巖及部分變質(zhì)巖等。有水狀態(tài)下遇水軟化或分解的圍巖

必須采用帶仰拱施工方案，否則運營后路面有開裂風險較高（表8、表9）。

3隧道變更主要過程管理方法

3.1雅康高速公路隧道變更主要的流程

雅康高速公路隧道專項變更管理方法2016年2月起在雅康高速公路天全代表處范圍內(nèi)試用，經(jīng)試用后逐步向整個雅康高速隧道專項管理中推廣應(yīng)用。其主要思路是堅持四方現(xiàn)場會審及分級管理原則。在需要變更的里程到達前一循環(huán)由施工單位技術(shù)負責人與駐地高監(jiān)、隧道專監(jiān)共同到掌子面現(xiàn)場，經(jīng)施工方和監(jiān)理方核實填寫《雅康高速公路圍巖級別（支護參數(shù)）現(xiàn)場初步判別卡》（以下簡稱“判別卡”），初步判定是否需要變更及變更大致金額。在四方會審前由駐地辦監(jiān)理將核實后的判別卡、超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測資料及現(xiàn)場照片、地質(zhì)素描圖發(fā)總監(jiān)理工程師，總監(jiān)理工程師審核后通過線上（或平臺）傳至代表處負責人、業(yè)主代表及隧道專業(yè)工程師，并由隧道專業(yè)工程師知會隧道及地質(zhì)設(shè)計代表。經(jīng)確認需要變更的，按照相應(yīng)流程進行現(xiàn)場（或遠程）四方會審，通過將現(xiàn)場實際狀況與超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論和監(jiān)控量測反饋數(shù)據(jù)結(jié)合起來，綜合判定支護參數(shù)并修正判別卡后予以實施。

3.2圍巖級別判別及支護參數(shù)調(diào)整主要方法和要求

采用定性和定量相結(jié)合的方式，以定性為主來確定圍巖級別和具體施工支護參數(shù)，按照前述分3個重點板塊：主要指標（強度和完整性）、次要指標（地下水和產(chǎn)狀）、其它綜合指標（地應(yīng)力、風化及差異風化程度、長大裂隙發(fā)育狀態(tài)及裂隙充填狀況、巖石軟化性質(zhì)等）進行綜合判定。

一般條件下按照10 m進行一次工程變更，在以下條件下可增加或減少一次變更長度，以實現(xiàn)動態(tài)管理的目的：

（1）如圍巖條件較好、施工較快、前方圍巖判定明確，例如確定為Z3J支護參數(shù)，可一次變更20 m。

（2）圍巖條件很差，變化頻繁、施工速度較慢，或者局部小型坍方等，可按照局部加強，例如確定為Z5J支護參數(shù)，可按照實際情況采用5 m或者小于10 m長度進行支護。

4小結(jié)

（1）隧道圍巖級別和支護參數(shù)的調(diào)以定性為主定量為輔，重點分3個大板塊：主要指標（強度和完整性）、次要指標（地下水和產(chǎn)狀）以及其它綜合指標。

（2）藏區(qū)高速公路地質(zhì)條件極其復(fù)雜造成隧道變更數(shù)量多，沒有好的管理方法和動態(tài)圍巖管理思路就容易造成隧道安全事故，就不能實事求是推動工程建設(shè)。按照“執(zhí)行合同、規(guī)范行為、精細管理、強化控制”的建設(shè)要求，將制度流程和技術(shù)結(jié)合，堅持現(xiàn)場四方會審機制，不斷完善和總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗是未來藏區(qū)高速公路隧道的必經(jīng)之路，也為藏區(qū)高速公路隧道圍巖支護參數(shù)動態(tài)調(diào)整提供建設(shè)經(jīng)驗。

參考文獻

［1］中華人民共和國國家標準.巖土工程勘察規(guī)范： GB 50021-2001（2009版）［S］.北京：中國建筑出版社，2009.

［2］中華人民共和國國家標準.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范： GB 50487-2008［S］.北京：北京計劃出版社，2009.

［3］中華人民共和國國家標準.工程巖體分級標準： GB/T50218-2014［S］.北京：北京計劃出版社，2014.

［4］中華人民共和國行業(yè)標準.公路隧道設(shè)計規(guī)范： JTG 3370.1-2018［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.

［5］中華人民共和國行業(yè)標準.公路隧道設(shè)計細則： JTG/T D70-2010［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［6］沈中其，關(guān)寶樹.鐵路隧道圍巖分級方法［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2000.