瀘定地震區(qū)公路隧道不良地質(zhì)評(píng)價(jià)與防治措施研究

摘" 要：為保障瀘定地震災(zāi)區(qū)公路新建隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全，以某新建隧道為例，對(duì)隧道工程地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)隧道施工過程中塌方、巖爆、突水、突泥等不良地質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)程度，提出隧道開挖塌方宜根據(jù)隧道圍巖等級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整超前支護(hù)強(qiáng)度，加強(qiáng)截排水措施；建議隧道巖爆施工采用導(dǎo)洞先行、分步開挖、強(qiáng)化初期支護(hù)等綜合措施；建議隧道涌水采用超前鉆孔探測(cè)、預(yù)注漿封堵水技術(shù)，并且開展隧道結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)。研究成果可以對(duì)高烈度地震區(qū)花崗巖隧道設(shè)計(jì)施工提供參照。

關(guān)鍵詞：公路 隧道 地震 塌方 巖爆 涌水

Research on Adverse Geological Evaluation and Prevention Measures of Highway Tunnel in Luding Earthquake Zone

ZHONG Yanyu¹ LI Hanyi^1* RAN Xiaosong¹ LIU Tailiang¹ HE Yunyong² ZHANG Le²

1. Ya 'an Transportation Construction Group Co.， Ltd.， Ya 'an， Sichuan Province， 625000 China;

2. Sichuan Provincial Highway Planning， Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd， Chengdu， Sichuan Province， 610041 China

Abstract： To ensure the construction and operation safety of new highway tunnels in Luding earthquake-stricken area， the evaluation of the engineering geological conditions of the tunnel was conducted using a newly constructed tunnel as an example. In response to the risk degree of adverse geological conditions such as collapse， rock burst， water inrush and mud inrush during tunnel construction， it is proposed that the advance support strength should be dynamically adjusted according to the level of tunnel surrounding rock during tunnel excavation collapse， and the drainage measures should be strengthened. Comprehensive measures such as guiding tunnel first， step-by-step excavation and strengthening initial support are recommended for tunnel rock burst construction. It is suggested to adopt advanced drilling detection， pre-grouting technology to block water influx in tunnels， and to carry out waterproof design of tunnel structure. The research results can provide reference for the design and construction of granite tunnel in high intensity earthquake area.

Key Words： Highway; Tunnel; Earthquake; Collapse; Rock burst; Water influx

國(guó)道662瀘定至石棉段公路位于青藏高原與四川盆地過渡帶，走廊帶內(nèi)山高谷深、坡陡峻嶺、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。受2022年9月5日四川省甘孜州瀘定6.8級(jí)地震影響，公路沿線誘發(fā)崩塌54處、滑坡46處、泥石流16處、路基垮塌9處，尤其是大渡河大橋至躍進(jìn)村段發(fā)生4處大型滑坡、3處大型泥石流、連片高位崩塌、水庫庫岸路基坍塌等災(zāi)害，導(dǎo)致國(guó)道662中斷交通。國(guó)道恢復(fù)重建以公路改線新建隧道繞避災(zāi)害發(fā)育路段。然而，隧道穿越富水?dāng)嗔褞В瑖鷰r以花崗巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)突水、突泥、塌方、巖爆等災(zāi)害^[1-5]。本文通過對(duì)瀘定地震災(zāi)區(qū)國(guó)道662某新建隧道工程地質(zhì)條件，以及突水、突泥、塌方、巖爆等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為隧道襯砌支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保障高烈度地震區(qū)花崗巖隧道施工與運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

瀘定地震災(zāi)區(qū)國(guó)道662某新建隧道工程位于青藏高原東南緣向四川盆地過渡之川西南高山區(qū)中部，地形起伏較大，隧道軸線山脊最高高程1 833.89 m，隧道進(jìn)口高程1 148.4 m，相對(duì)高差685.49 m。隧址區(qū)基巖以元古代晉寧-澄江期細(xì)?；◢弾r、中粗?；◢弾r為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，受得妥斷裂、磨西斷裂、石棉斷裂等影響，其地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅷ度?！?·5”瀘定地震后，為繞避地震誘發(fā)的多處大型滑坡、泥石流溝和崩塌區(qū)域（如圖1所示），國(guó)道662改線新建隧道繞避地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，隧道全長(zhǎng)6 360 m。

2 隧道不良地質(zhì)評(píng)價(jià)與防治

2.1 隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與塌方防治措施

國(guó)道662新建隧道全長(zhǎng)6 360 m，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）中圍巖工程地質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3個(gè)等級(jí)。其中：Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度666 m，占隧道全長(zhǎng)的10.5%；Ⅳ圍巖長(zhǎng)度3 464 m，占隧道全長(zhǎng)的54.5%；Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度2 220 m，占隧道全長(zhǎng)的35%。

隧道洞身Ⅲ級(jí)圍巖主要為晉寧期斜長(zhǎng)花崗巖夾板巖俘虜體，微風(fēng)化狀。節(jié)理裂隙發(fā)育一般，層間結(jié)合一般～較好，塊狀結(jié)構(gòu)，局部為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，巖體較完整，微風(fēng)化巖質(zhì)硬，巖石基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]為358.5，圍巖自穩(wěn)能力一般，自穩(wěn)時(shí)間一般。地下水多為點(diǎn)滴狀出水，圍巖開挖易發(fā)生松動(dòng)變形，發(fā)生小型塌方。建議隧道開挖后及時(shí)襯砌，對(duì)不穩(wěn)定塊體進(jìn)行噴錨，加強(qiáng)排水。

隧道洞身Ⅳ級(jí)圍巖主要為晉寧期斜長(zhǎng)花崗巖夾板巖俘虜體，中風(fēng)化狀。節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，層間結(jié)合較差～一般，多呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，巖體破碎～較破碎，[BQ]為264.5，圍巖完整性較差～一般，中風(fēng)化巖質(zhì)較硬，局部較軟，圍巖自穩(wěn)能力較差，自穩(wěn)時(shí)間較短。地下水較豐富，發(fā)生突水、突泥的可能性大，圍巖開挖易發(fā)生中等或大型塌方。

隧道洞身V級(jí)圍巖主要為晉寧期斜長(zhǎng)花崗巖夾板巖俘虜體，中風(fēng)化狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體破碎，完整性差，中風(fēng)化巖質(zhì)較硬，[BQ]為186.5，圍巖自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間很短。地下水較豐富，發(fā)生突水、突泥的可能性大，圍巖開挖易發(fā)生中等或大型塌方。

針對(duì)Ⅳ級(jí)、V級(jí)圍巖，建議根據(jù)隧道圍巖等級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整超前支護(hù)強(qiáng)度，如采用超前管棚、注漿加固等手段增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，并且加強(qiáng)截排水措施，保障施工安全^[6-7]。

2.2 隧道巖爆評(píng)價(jià)與防治措施

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》（JTG 3370.1—2018），通過圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比σ_max/R_b預(yù)測(cè)圍巖巖爆分級(jí)等級(jí)，其中，R_b為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，σ_max為垂直洞軸最大水平應(yīng)力。

新建隧道洞身最大埋深約619 m，洞身圍巖為較堅(jiān)硬巖～硬質(zhì)巖。根據(jù)附近大崗山電站的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，圍巖應(yīng)力σ₁、σ₂、σ₃均表現(xiàn)出隨埋藏深度增加而增大的特征，局部受巖體完整程度的影響而略有起伏，且應(yīng)力值較大。據(jù)此推算，隧道圍巖在埋深較大的段落即446～619 m范圍可能發(fā)生輕微或中等巖爆，見表3。

該段隧道施工時(shí)，首先，通過超前導(dǎo)洞釋放部分應(yīng)力，降低主洞開挖時(shí)的能量積聚；其次，分步開挖，采用短進(jìn)尺、弱爆破或機(jī)械開挖，減少圍巖擾動(dòng)，并且在掌子面或拱頂鉆設(shè)深孔，誘發(fā)小規(guī)模破裂，釋放集中應(yīng)力，向巖體高壓注水，降低巖石脆性，延緩能量釋放速度；最后，強(qiáng)化初期支護(hù)，采用高強(qiáng)度錨桿，配合可壓縮墊板，吸收巖爆沖擊能量，噴射鋼纖維混凝土或柔性防護(hù)網(wǎng)，提高表面抗沖擊能力。通過以上多維度措施，可以有效降低巖爆發(fā)生概率與危害程度，確保隧道施工安全與長(zhǎng)期穩(wěn)定^[8-9]。

2.3瓦斯及有害氣體評(píng)價(jià)與防治措施

新建隧道未穿越煤系地層，隧道主體圍巖的巖性以花崗巖為主，無生烴能力。但由于隧址區(qū)存在斷層，須家河組煤系地層（烴源層）在隧址區(qū)左側(cè)有分布且距隧道約200 m，巖漿巖與煤系地層呈斷層（得妥斷層）或不整合接觸關(guān)系，在斷層帶附近與不整合接觸帶上有利于瓦斯的富集儲(chǔ)藏，這些臨近煤系地層的裂隙（斷層）瓦斯有可能通過斷層或裂隙上逸并存儲(chǔ)于巖漿巖體中，隧道開挖有可能局部存在瓦斯氣體、氣包。

隧道施工前，建議通過地質(zhì)鉆探和礦物分析，識(shí)別花崗巖地層中的裂隙帶、放射性礦物富集區(qū)與潛在瓦斯賦存層?，采用超前鉆孔探測(cè)技術(shù)，對(duì)開挖面前方5 m范圍內(nèi)的有害氣體進(jìn)行預(yù)判，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)或物探手段預(yù)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)?。建立多級(jí)隧道通風(fēng)系統(tǒng)，使用大功率風(fēng)機(jī)或風(fēng)管加速空氣流通，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诒ㄏ孪蓿╨t;5%）以下，同時(shí)降低放射性氣體（如氡氣）的積聚風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)隧道富水或高濕度區(qū)增設(shè)局部通風(fēng)設(shè)備，防止瓦斯和有害氣體在隧道頂部或斷面變化處聚集。隧道洞內(nèi)布設(shè)瓦斯、氧氣和放射性氣體濃度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并設(shè)置超限報(bào)警閾值（如瓦斯?jié)舛取?%時(shí)報(bào)警、≥1.5%時(shí)停工撤人）?。??

2.4 隧道突涌水評(píng)價(jià)與防治措施

隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水和巖溶水，其主要受地貌形態(tài)、地層巖性、裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度與地質(zhì)構(gòu)造控制。隧道進(jìn)出口各穿越一個(gè)匯水單元，洞身段穿越3個(gè)匯水單元，穿越的地質(zhì)構(gòu)造主要為褶皺。

針對(duì)隧址區(qū)地質(zhì)特征，采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法進(jìn)行分析計(jì)算，綜合對(duì)比預(yù)測(cè)擬建隧道涌水量^[10]。

2.4.1大氣降水入滲法

隧道沿線出露基巖以花崗巖為主，地下水分布不均。洞室地下水以基巖裂隙水為主。隧址區(qū)沿線以基巖斜坡地形為主，地表水入滲即補(bǔ)給于基巖裂隙中。隧道涌水量概算采用大氣降雨滲入法計(jì)算，計(jì)算公式如下。

Q=2.74a·W·A""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （1）

式（1）中：Q為平均滲入量單位為m³/d；a為降雨滲入系數(shù)，取0.20；W為年降水量，單位為mm/a，隧道所在石棉縣年均降水量876.6 mm；A為隧道通過含水體地段的集水面積，單位為km²，計(jì)算得22.25 km²。最終，由大氣降水入滲法計(jì)算得到隧道正常涌水量為10 808.5 m³/d。

2.4.2地下徑流模數(shù)法

計(jì)算經(jīng)過多個(gè)地表水流域的隧道涌水量時(shí)，可以根據(jù)各含水巖組地層出露位置、地貌形態(tài)與在水文地質(zhì)單元中的徑流條件，選擇不同的地下水徑流模數(shù)和地表流域范圍取值，利用地下水徑流模數(shù)法進(jìn)行預(yù)測(cè)隧道涌水量，計(jì)算公式如下。

Q_s=86.4M·A""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （2）

式（2）中：Q_s為隧道日正常涌水量，單位為m³/d；86.4為單位換算系數(shù)；M為地下水徑流模數(shù)，單位為L(zhǎng)/（s·km²）；A為隧道通過含水體地段的集水面積，單位為km²。工程區(qū)內(nèi)M值根據(jù)水資源量計(jì)算確定，同時(shí)參考水文地質(zhì)專題報(bào)告，并且結(jié)合溪溝流水流量與附近已建隧道工程經(jīng)驗(yàn)綜合分析確定，取3.5 L/（s·km²）。最后，由地下徑流數(shù)模法計(jì)算得到隧道正常涌水量為6 728.4m³/d。

按上述2種方法大致確定本隧道正常涌水量建議值為10 808.5 m³/d，最大涌水量按正常涌水量2倍取值即21 616.9 m³/d。隧道洞身段穿淺埋段圍巖裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，完整性差，富水性和導(dǎo)水性好。隧道施工建議采用超前鉆孔探測(cè)，每循環(huán)施工前鉆設(shè)30～50 m超前探孔，結(jié)合全景鉆孔攝像識(shí)別含水構(gòu)造。采用預(yù)注漿封堵水技術(shù)，對(duì)隧道富水破碎帶采用水泥—水玻璃雙液漿或超細(xì)水泥，擴(kuò)散半徑3～5 m，形成堵水帷幕；針對(duì)滲漏點(diǎn)采用高壓旋噴注漿，壓力20～30 MPa，封堵裂隙。同時(shí)，開展隧道結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)，噴射混凝土中添加防水劑，配合防水板鋪設(shè)，接縫熱熔焊接。

3 結(jié)" 語

隨著高等級(jí)公路向我國(guó)西部橫斷山區(qū)延伸，公路隧道占比越來越高。然而，橫斷山區(qū)活動(dòng)斷裂密布、地震頻發(fā)，第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水等地下水豐富，巖體裂隙發(fā)育，隧道工程建設(shè)不得不面臨突水、突泥、塌方、巖爆等不良地質(zhì)影響。根據(jù)隧道圍巖等級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整超前支護(hù)強(qiáng)度，如采用超前管棚、注漿加固等手段增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，并且加強(qiáng)截排水措施，可以保障施工安全。

超前導(dǎo)洞，分步開挖，采用短進(jìn)尺、弱爆破或機(jī)械開挖，在掌子面或拱頂鉆設(shè)深孔，誘發(fā)小規(guī)模破裂，向巖體高壓注水，強(qiáng)化初期支護(hù)，采用高強(qiáng)度錨桿配合可壓縮墊板，噴射鋼纖維混凝土或柔性防護(hù)網(wǎng)，以上多維度措施可以有效降低巖爆發(fā)生概率及危害程度。早探測(cè)，多通風(fēng)，勤監(jiān)測(cè)，能夠有效避免隧道瓦斯病害的形成。

大氣降水入滲法和地下徑流模數(shù)法是獲取隧道日正常涌水量的有效途徑，超前鉆孔探測(cè)、預(yù)注漿封堵、高壓旋噴注漿是封堵裂隙的實(shí)現(xiàn)方法，隧道結(jié)構(gòu)防水是減少運(yùn)營(yíng)期水毀的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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