高紅杰
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)
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關(guān)角特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)問(wèn)題及成因分析
高紅杰
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安710043)
摘要:關(guān)角隧道是我國(guó)目前已建成的最長(zhǎng)鐵路隧道,施工中遇到了嶺脊灰?guī)r突涌水、軟弱破碎圍巖變形等地質(zhì)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)主要地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行成因分析,歸納總結(jié)特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)問(wèn)題的類(lèi)型和特點(diǎn),尋找各類(lèi)問(wèn)題的內(nèi)在本質(zhì)與機(jī)理,提高處理隧道施工地質(zhì)問(wèn)題的能力,推廣處理復(fù)雜施工地質(zhì)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn),提高復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)大隧道施工技術(shù)水平。
關(guān)鍵詞:鐵路隧道;施工;突涌水;圍巖變形;成因分析
青藏鐵路西寧至格爾木段增建二線(xiàn)關(guān)角隧道,位于青海省天峻縣、烏蘭縣境內(nèi),地面高程3 400~4 500 m,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,于2007年11月6日全面開(kāi)工,2014年4月15日全隧貫通。隧道全長(zhǎng)32.690 km,設(shè)計(jì)為2座單線(xiàn)隧道,線(xiàn)間距40 m,設(shè)有10座總長(zhǎng)為15.141 km的斜井輔助施工,并設(shè)1座長(zhǎng)10.450 km泄水洞疏排地下水。其為國(guó)內(nèi)目前已建成的最長(zhǎng)鐵路隧道,也是目前世界最長(zhǎng)的高海拔隧道。
新建關(guān)角隧道位置見(jiàn)圖1。
圖1 西格二線(xiàn)關(guān)角隧道地理位置
2.1地形地貌
隧道位于青藏高原東北緣,隧道通過(guò)區(qū)屬祁連山南緣支脈青海南山高山區(qū)的關(guān)角日吉山,隧道進(jìn)口位于布哈河沖積平原后緣,出口位于肯德隆溝溝谷中。根據(jù)山體的相對(duì)高差,又進(jìn)一步劃分為關(guān)角日吉山北坡低高山區(qū)、關(guān)角日吉山中高山區(qū)、關(guān)角日吉山南坡低高山區(qū)三個(gè)次級(jí)地貌單元,地面高程3 400~4 500 m,相對(duì)高差200~750 m,山坡自然坡度25°~45°,地勢(shì)陡峻。
2.2地層巖性
本區(qū)地層巖性復(fù)雜,沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類(lèi)均有分布,以變質(zhì)巖為主。隧道通過(guò)的地層巖性主要有第四系砂質(zhì)黃土、黏性土及砂類(lèi)土、碎石類(lèi)土,三疊系、二疊系灰?guī)r及砂巖,石炭系變質(zhì)砂巖、片巖、板巖及大理巖,志留系板巖、變質(zhì)砂巖,下元古界片麻巖、混合巖,并伴有華力西期閃長(zhǎng)巖、花崗巖入侵。
2.3地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域地應(yīng)力特征
由于隧址區(qū)位于新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏高原東北緣,跨越柴達(dá)木陸塊北緣、宗務(wù)隆山裂陷槽、南祁連陸塊三個(gè)大地構(gòu)造單元,區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均發(fā)育,因此隧道區(qū)可能存在較高的地應(yīng)力,根據(jù)水壓致裂法實(shí)測(cè)的地應(yīng)力結(jié)果分析,嶺脊埋深較大的石炭系變質(zhì)砂巖及片巖段存在高地應(yīng)力問(wèn)題。隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,洞身通過(guò)4條區(qū)域性斷裂及13條次級(jí)斷裂,其中二郎洞斷裂帶(F3)由6條次級(jí)斷層組成的斷層束,寬度近3 km,其中主斷帶寬520 m,斷帶內(nèi)巖體破碎,對(duì)工程影響大。
2.4水文地質(zhì)
關(guān)角隧道越嶺區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,關(guān)角日吉山北坡和嶺脊附近,出露大面積二疊系、三疊系灰?guī)r,隧道洞身通過(guò)灰?guī)r段長(zhǎng)度約9.17 km。地表巖溶形態(tài)以溶隙、溶槽為主,局部發(fā)育溶洞,還見(jiàn)有沿層面線(xiàn)狀發(fā)育的橢圓形溶洞,屬寒帶、裸露型巖溶,為巖溶不發(fā)育區(qū)。由于巖體受構(gòu)造影響的程度不同,其節(jié)理及巖溶裂隙的發(fā)育程度及連通性也差異較大,因此,不同地段巖體的富水性也差異較大,巖體節(jié)理及巖溶裂隙不發(fā)育地段,巖體較完整,地下水也不發(fā)育,以滴水、滲水為主;巖體節(jié)理及巖溶裂隙發(fā)育地段,巖體較破碎,地下水發(fā)育,以股狀、雨?duì)钣克疄橹?。地表巖溶發(fā)育特征見(jiàn)圖2。
3.1嶺脊灰?guī)r段集中突涌水
3.1.1隧道集中突涌水點(diǎn)分布情況[2]
(1) 2008年7月31日,4號(hào)斜井發(fā)生淹井。淹井前的洞口排水量為8 500 m3/d,淹井后洞口排水量最大達(dá)到30 000 m3/d,最大淹沒(méi)位置X14 + 95(高程:3 622.8 m),距離掌子面(X11+72)淹沒(méi)長(zhǎng)度為323 m,施工中斷。發(fā)生淹井后施工單位積極組織排水,于2008年9月29日排完洞內(nèi)積水,歷時(shí)59 d。
2009年7月5日4號(hào)斜井施工至X4+85處發(fā)生突然涌水,水量很大,并迅速上漲,2 h后水位上漲淹沒(méi)斜井300 m,隨后速度明顯減緩,最終至X11+15(高程:3 603.4 m),淹沒(méi)長(zhǎng)度630 m,根據(jù)水位的上漲速度初步推算涌水量為3 000~4 000 m3/h。經(jīng)過(guò)4個(gè)半月的抽水后才重新回到了斜5+05的位置。經(jīng)各方協(xié)商,決定對(duì)4號(hào)斜井涌水段進(jìn)行封堵,之后采用繞行的方案來(lái)處理,施工至繞斜4+09、繞斜3+88發(fā)生涌水險(xiǎn)情。4號(hào)斜井逐月平均排水量柱狀圖見(jiàn)圖3。
圖2 地表巖溶發(fā)育特征
圖3 4號(hào)斜井逐月平均排水量柱狀圖[1]
(2) 3號(hào)斜井開(kāi)挖涌水量較大,井口平均水量為15 000~20 000 m3/d,由于泵站配備較合理,沒(méi)有出現(xiàn)較大的集中涌水,施工可以基本正常進(jìn)行。
(3) 5號(hào)斜井在斜4+91.4至斜3+40掌子面出現(xiàn)涌水,水壓較大,噴射距離較遠(yuǎn),涌水量約1.5萬(wàn)m3/d,采取了帷幕注漿進(jìn)行堵水。
(4) 6號(hào)斜井涌水情況相對(duì)穩(wěn)定,6號(hào)斜井擔(dān)負(fù)的Ⅱ線(xiàn)隧道在2010年9月19日發(fā)生涌水,洞內(nèi)水位淹至DYK296+110橫通道。
(5)施工中,2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)斜井所擔(dān)負(fù)開(kāi)挖的正洞灰?guī)r段發(fā)生多次涌水險(xiǎn)情,經(jīng)及時(shí)注漿堵水,未發(fā)生大的突涌水,但對(duì)施工產(chǎn)生一定影響。
3.1.2隧道涌水特點(diǎn)
(1)由于巖體受構(gòu)造影響的程度不同,其節(jié)理及巖溶裂隙的發(fā)育程度及連通差異較大,不同地段巖體的富水性也差異較大。巖體節(jié)理及巖溶裂隙不發(fā)育地段,巖體較完整,地下水也不發(fā)育,以滴水、滲水為主;巖體節(jié)理及巖溶裂隙發(fā)育地段,巖體較破碎,地下水發(fā)育,以股狀、雨?duì)钣克疄橹鳌?/p>
(2)隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶,巖溶裂隙及節(jié)理發(fā)育,連通性較好,嶺北降水量較豐富,受該區(qū)降水、融雪水及地表水體補(bǔ)給,巖體賦存著巨大的地下水靜儲(chǔ)量,因此,涌水量大,且衰減緩慢,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。如4號(hào)斜井最大涌水量達(dá)13萬(wàn)m3/d。
(3)灰?guī)r地段隧道埋深大,最大埋深達(dá)791 m,突涌水的水壓大,最大水壓達(dá)4 MPa。
嶺脊灰?guī)r段股狀涌水見(jiàn)圖4。
圖4 嶺脊灰?guī)r段股狀涌水
3.1.3隧道涌水機(jī)制分析
嶺脊灰?guī)r段集中涌水類(lèi)型以北方巖溶裂隙為主,以股狀、散狀水為主要涌水形式,結(jié)合巖溶發(fā)育的垂直分帶性分析,隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶,涌水多具有一定壓力,受該區(qū)降水、融雪水及地表水體補(bǔ)給影響,巖體賦存著巨大的地下水天然存儲(chǔ)量,涌水衰減緩慢。同時(shí),受地質(zhì)構(gòu)造和后期溶蝕作用的雙重影響,巖溶裂隙水含水介質(zhì)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)各向異性,涌水形式具有水點(diǎn)位置集中、水量大等特點(diǎn)。
嶺脊灰?guī)r段地表水系發(fā)育,灰?guī)r以裸露型為主,有利于降水的入滲補(bǔ)給,受季節(jié)性降水量及降水強(qiáng)度影響,動(dòng)態(tài)變化特征明顯,隧道涌水和地表水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系,排水設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮季節(jié)性降水及融雪水對(duì)地下水的快速補(bǔ)給可能引起水量增大等因素的影響。
關(guān)角隧道屬巖溶不發(fā)育區(qū),其地下水的分布及運(yùn)移具有北方巖溶水特征。巖溶水是目前地下水類(lèi)型中最為復(fù)雜的一種,因此需加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)、進(jìn)行連續(xù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前探水工作,確保施工安全。
3.2變形與塌方[3]
關(guān)角隧道施工中遇到的變形與塌方主要發(fā)生在斷層破碎帶、軟弱圍巖段以及淺埋段,其變形塌方機(jī)制和特征各不相同。
3.2.1斷層破碎帶及影響帶變形與塌方
(1)變形塌方概況
以F3斷層破碎帶為例(圖5),Ⅰ線(xiàn)隧道DK303+ 540~DK304+070段洞身通過(guò)地層為F3斷層破碎帶,斷層帶物質(zhì)為斷層泥、斷層角礫巖,局部為碎裂巖,巖體呈灰色、灰黑色,擠壓強(qiáng)烈,多見(jiàn)不規(guī)則擠壓光滑面。該段地下水不發(fā)育,巖面潮濕,屬Ⅴ~Ⅵ級(jí)圍巖。施工中發(fā)生了多段變形,最大收斂變形達(dá)到338.87 mm/d。
圖5 F3斷層破碎帶碎裂巖
(2)變形原因分析
F3斷層在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上叫二郎洞斷裂,是由多條斷層組成的斷裂帶,為該隧道通過(guò)的最大的斷層,破碎帶寬度100~500 m,破碎帶物質(zhì)受構(gòu)造影響強(qiáng)烈,巖體極破碎,強(qiáng)度低。隧道開(kāi)挖前,巖體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),開(kāi)挖揭露以后,工程擾動(dòng)引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布。臨空面的形成和受地下水的浸濕作用影響下,圍巖在應(yīng)力釋放過(guò)程中,工程性質(zhì)和穩(wěn)定性變差,經(jīng)歷了蠕滑-拉裂過(guò)程,初期支護(hù)不能有效抵制其變形,在二次模筑襯砌施做之前就遭到剪切破壞,造成變形塌方。
3.2.2軟弱圍巖大變形
(1)典型軟弱圍巖大變形特征
9號(hào)斜井工區(qū)正洞DyK304+370~+540段地層為石炭系板巖,節(jié)理裂隙及小型褶曲發(fā)育,巖體極破碎,巖質(zhì)軟弱,易風(fēng)化,含有膨脹性礦物,遇水易軟化而強(qiáng)度降低,開(kāi)挖過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,由于二次永久襯砌跟進(jìn)不及時(shí),該段在開(kāi)挖后發(fā)生了不同程度的變形,最大變形達(dá)505 mm,嚴(yán)重危及施工安全并影響了工期。
關(guān)角隧道軟弱圍巖的變形特征[3],有變形迅速,變形量大,收斂時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料,在10 d內(nèi)變形量可達(dá)300 mm以上,達(dá)到最大變形量的60%;在初期變形發(fā)生后的1個(gè)月時(shí)間內(nèi),變形繼續(xù)發(fā)展,在采取橫向和豎向支撐措施以后,大變形才慢慢趨于穩(wěn)定(圖6)。
(2)變形原因分析
軟弱圍巖大變形的影響因素主要有高地應(yīng)力、巖性和地下水3個(gè)方面。關(guān)角隧道區(qū)位于特殊大地構(gòu)造部位,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地殼大幅度水平收斂,垂直方向加厚,具有較大的殘余構(gòu)造應(yīng)力,大變形附近最大水平主應(yīng)力達(dá)22.04 MPa,隧道開(kāi)挖后應(yīng)力重分布導(dǎo)致徑向應(yīng)力急劇降低,圍巖壓力增大,在洞壁附近,原本因高圍壓而緊密閉合的破碎巖體結(jié)構(gòu)面張開(kāi),形成累進(jìn)性松動(dòng),導(dǎo)致作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載逐漸增加,使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和嚴(yán)重破壞;軟巖的礦物成分中含有黏土礦物和絹云母、綠泥石、石英等,其特點(diǎn)是巖體破碎,巖質(zhì)軟,易風(fēng)化,含有膨脹性礦物,遇水強(qiáng)度降低顯著,工程性質(zhì)差;變形段局部滲出的地下水與軟弱圍巖發(fā)生水-巖作用,從而降低圍巖的力學(xué)性能,為圍巖的塑性變形提供了外部條件。該段隧道施工實(shí)踐表明,有裂隙水滲出的段落,較之圍巖干燥處明顯變形大,鋼拱架變形嚴(yán)重。
圖6 水平收斂監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)
3.2.3河谷淺埋段變形塌方
(1)變形塌方概況
DK281+765~DK282+165段為關(guān)角山河谷淺埋段,隧道埋深20 m左右,地表為托洛合攏洼河,常年流水。地表分布沖洪積細(xì)角礫土,厚度約13 m,洞身通過(guò)地段地層為閃長(zhǎng)巖及板巖,巖體受風(fēng)化、構(gòu)造影響嚴(yán)重,風(fēng)化節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體破碎,層間結(jié)合差,整體穩(wěn)定性差。該段地下水較發(fā)育,拱部線(xiàn)狀滴水,邊墻股狀出水,屬Ⅴ-Ⅵ級(jí)圍巖,施工過(guò)程中掌子面有突泥突砂現(xiàn)象且坍塌嚴(yán)重。
2011年4月6日正洞Ⅱ線(xiàn)DyK281 + 903~DyK281+914段起拱線(xiàn)位置初期支護(hù)混凝土開(kāi)始剝落,隨即撤出所有施工人員,10 s后DyK281+903~DyK281+914段初期突然變形開(kāi)裂,同時(shí)DyK281 + 914~DyK281+931段突然坍塌,2 min后坍塌體堆滿(mǎn)整個(gè)斷面,從DyK281+903~DyK281+914段線(xiàn)路右側(cè)鋼架整體變形,最大變形量42 cm,裂縫寬度約15 cm。
(2)變形塌方原因分析
地下水作用因素。淺埋段地表為托洛合攏洼河,常年流水,隧道埋深約20 m。由于隧道埋深淺,地下水流通渠道短,地表水及第四系空隙潛水容易沿著第四系松散層及風(fēng)化破碎基巖滲入隧道施工范圍,洞內(nèi)出水形式拱頂為淋雨?duì)睢⑦厜楣蔂畛鏊?。在地下水作用下,圍巖強(qiáng)度降低,同時(shí)巖體結(jié)構(gòu)面上的充填物被沖刷流失,結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度進(jìn)一步降低,層間結(jié)合力進(jìn)一步削弱,巖體穩(wěn)定性變差。
地層巖性因素。淺埋塌方段地層以板巖為主,局部發(fā)育閃長(zhǎng)巖侵入體。板巖礦物成分中含有綠泥石、絹云母等,抗吸水軟化能力差,浸水后巖體強(qiáng)度顯著降低;閃長(zhǎng)巖成分主要為斜長(zhǎng)石、石英和角閃石等,粗粒結(jié)構(gòu),受構(gòu)造影響嚴(yán)重,巖體風(fēng)化嚴(yán)重,結(jié)合差,水流沖刷作用下較多變?yōu)樯碃钗?,施工掌子面有突泥突砂現(xiàn)象,圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性變差,易變形失穩(wěn)。
支護(hù)參數(shù)與施工工序的影響。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力,主要來(lái)自于圍巖松動(dòng)之后產(chǎn)生的松動(dòng)圈施與的壓力。由于初期支護(hù)屬于臨時(shí)支護(hù),其儲(chǔ)備強(qiáng)度不能完全抵抗來(lái)自圍巖的壓力,此時(shí)及時(shí)二次襯砌就顯得尤為重要。本段塌方的形成與初期支護(hù)參數(shù)偏弱以及二次襯砌不及時(shí)關(guān)系較大,因此,為控制變形塌方的多發(fā),調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工工序顯得非常重要。
(1)關(guān)角隧道施工中遇到的地質(zhì)問(wèn)題主要為嶺脊灰?guī)r段集中突涌水以及變形塌方問(wèn)題,變形與塌方可歸納為斷層破碎帶變形塌方、軟弱圍巖大變形和河谷淺埋段變形塌方3種類(lèi)型,其成因機(jī)制各不相同。
(2)關(guān)角隧道嶺脊灰?guī)r段集中突涌水屬北方巖溶裂隙水,具有出水形式多樣且出水點(diǎn)分布不均衡不規(guī)律、靜儲(chǔ)水量大、水量衰減緩慢、水壓大等特點(diǎn)。隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶,含水介質(zhì)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)各向異性,巖溶水是目前地下水類(lèi)型中最為復(fù)雜的一種。
(3)斷層破碎帶物質(zhì)受構(gòu)造影響強(qiáng)烈,巖體極破碎,強(qiáng)度低。隧道開(kāi)挖前,巖體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),開(kāi)挖揭露以后,工程擾動(dòng)引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布,圍巖在應(yīng)力釋放過(guò)程中,經(jīng)歷了蠕滑-拉裂過(guò)程,最終演變?yōu)樗健?/p>
(4)關(guān)角隧道區(qū)位于特殊大地構(gòu)造部位,地應(yīng)力較高,同時(shí)地下水與軟弱圍巖發(fā)生水-巖作用,從而降低圍巖的力學(xué)性能,因此,軟弱圍巖大變形主要由于高地應(yīng)力、巖性和地下水3個(gè)方面因素共同作用的結(jié)果。
(5)淺埋段地表有常年流水,地表水與洞內(nèi)涌水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系,在地下水作用下,圍巖強(qiáng)度降低,巖體穩(wěn)定性變差,極易產(chǎn)生塌方。
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Geological Problems in the Construction of Guanjiao Supper Long Tunnel and Cause Analysis
GAO Hong-jie
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)
Abstract:GuanJiao tunnel is the longest railway tunnel built in our country at present.During the construction,such geological problems as water burst,soft and broken surrounding rock deformation are encountered.This article focuses on the main geological problems encountered in the construction of Guanjiao tunnel to conduct cause analysis,summarize the types and characteristics of super long tunnel construction geological problems,identify the mechanism of such problems so as to improve the ability to deal with the geological problems,promote the practices in copying with complex geological problems and improve technological levels.
Key words:Railway tunnel; Construction; Water burst; Deformation of surrounding rock; Cause analysis
作者簡(jiǎn)介:高紅杰(1969—),男,高級(jí)工程師,1993年畢業(yè)于蘭州大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè),理學(xué)學(xué)士,E-mail:778325901@ qq.com。
收稿日期:2015-08-01;修回日期:2015-08-12
文章編號(hào):1004-2954(2016) 03-0087-04
中圖分類(lèi)號(hào):U452.1+1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.03.019
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2016年3期