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        鐵路隧道疑難工程地質(zhì)問題分析
        ——以30多座典型隧道工程為例

        2016-07-20 01:56:48何振寧
        隧道建設(shè)(中英文) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:塌方斷層圍巖

        何振寧

        (中國中鐵股份有限公司,北京 100039)

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        鐵路隧道疑難工程地質(zhì)問題分析
        ——以30多座典型隧道工程為例

        何振寧

        (中國中鐵股份有限公司,北京100039)

        摘要:以30多座在施工中發(fā)生與地質(zhì)因素有關(guān)的工程事件為例,歸納為15類疑難工程地質(zhì)問題:高壓富水巖溶、軟弱圍巖大變形、太古界硬質(zhì)變質(zhì)巖大變形、侵入巖脈蝕變風(fēng)化破碎巖體塌方和突泥、富水逆掩斷層破碎帶大規(guī)模突泥、層狀地層大規(guī)模順層塌方、中更新統(tǒng)老黃土崩塌、新第三系地層突泥涌砂、泥巖頁巖可燃?xì)怏w燃燒和爆炸、白云巖剪漲裂縫突砂涌砂、巖溶地面沉降、含石膏地層圍巖變形、斷層破碎帶與軟巖層面組合圍巖變形、新第三系粉質(zhì)黏土巖(土)垂直節(jié)理坍塌變形及石英砂巖斷層破碎帶突水涌砂。分析各類疑難工程地質(zhì)問題發(fā)生的原因,總結(jié)其工程地質(zhì)特征。針對高壓富水巖溶的分類、斷層破碎帶突水涌砂和大變形問題、高壓地下水的防治、高位選線、大變形及大變形分級標(biāo)準(zhǔn)、擠壓大變形和卸荷大變形、隧道順層偏壓構(gòu)造的危害、5種圍巖變形失穩(wěn)類型的特征對比、隧道圍巖壓力現(xiàn)場實(shí)測、巖溶地面塌陷、Q2老黃土和N2黏土層垂直節(jié)理滲水崩塌、N2弱膠結(jié)地層“流變”、石膏地層隧道襯砌開裂以及非煤系地層的可燃?xì)獾?4類問題進(jìn)行討論,并從依法合規(guī)性、地質(zhì)不確定性、專項(xiàng)地質(zhì)工作、工程劣質(zhì)巖、修訂圍巖分級和納入規(guī)范等方面提出6條建議。

        關(guān)鍵詞:鐵路隧道;工程地質(zhì);工程實(shí)例;地質(zhì)災(zāi)害

        0引言

        進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國掀起了鐵路建設(shè)高潮。由于鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,鐵路隧道的長度、埋深和跨度越來越大,穿越地區(qū)的自然條件越來越復(fù)雜,建設(shè)工程的規(guī)模和難度越來越大,面臨的新問題越來越多,鐵路地質(zhì)勘察工作面對的挑戰(zhàn)也越來越艱巨。本文根據(jù)筆者在鐵路工程建設(shè)中參與的一些重大設(shè)計(jì)變更、工程事故調(diào)查及技術(shù)研討的經(jīng)歷,結(jié)合自身的認(rèn)識和體會,對鐵路隧道工程中的疑難地質(zhì)問題進(jìn)行歸納和分析,并通過一些典型工程實(shí)例,就當(dāng)前鐵路建設(shè)過程中反映的一些疑難工程地質(zhì)問題提出自己的看法,供大家參考。

        1高壓富水巖溶問題

        1.13個重大工程實(shí)例

        1)渝懷鐵路圓梁山隧道“9·10”高壓突泥事件。圓梁山隧道全長11 km,2002年9月10日,DK354+879(3#溶洞)下導(dǎo)坑掌子面突然發(fā)生爆響,瞬間突出4 000多m3硬塑—可塑狀黏土及黏稠狀泥漿(見圖1),泥漿迅速填滿244 m長的正洞下導(dǎo)坑空間,受氣浪和泥石沖擊,洞內(nèi)設(shè)施損壞,并將距掌子面約200 m的電瓶車和梭式礦車向外推移50 m。

        發(fā)生突泥的地段位于毛壩向斜東翼,埋深近500 m,其巖層為二疊系茅口組灰?guī)r,實(shí)測水壓為4 MPa。事后查明,突泥部位為一直徑約2 m的近直立管道,向上逐漸加大并與地面巖溶洼地相通(見圖2)[1]。筆者分析,這一上下連通的巖溶管道是由于硬質(zhì)巖層在褶曲作用下形成的層間滑脫空腔的基礎(chǔ)上溶蝕貫通的,形成貯存高壓地下水、壓縮氣體及細(xì)顆粒黏土堆積物的“水-氣-泥”復(fù)雜巖溶系統(tǒng),一旦從下部開挖便呈爆炸型突泥,瞬間涌出,勢不可擋。毛壩向斜為舟狀的封閉向斜構(gòu)造(見圖3)[1],南北長65 km,東西寬2~4 km,線路從向斜最窄的“拐肘”部位通過,可能是層間滑脫帶最發(fā)育的部位,這是今后選線應(yīng)關(guān)注的問題。

        (a) 擠壓涌出的硬塑狀黏土

        (b) 擠壓涌出的黏稠狀泥漿

        Fig.1High-pressure mud burst from tunnel face at DK354+879 in Yuanliangshan Tunnel

        圖2 圓梁山隧道DK354+879 3#溶洞正面形態(tài)示意圖

        Fig.2Front view of karst cave No.3 at DK354+879 of Yuanliangshan Tunnel

        圖3 圓梁山隧道毛壩向斜地質(zhì)構(gòu)造

        2)宜萬鐵路馬鹿箐隧道“1·21”高壓突水事件[2-3]。馬鹿箐隧道全長7.9 km,最大埋深660 m。2006年1月21日,平導(dǎo)PDK255+978掌子面突水,2 h持續(xù)突水50多萬m3。自2006年1月21日至8月31日陸續(xù)發(fā)生16次較大的涌水,涌水與降雨關(guān)系密切。馬鹿箐隧道高壓突水現(xiàn)場部分照片見圖4。

        (a) 馬鹿箐隧道“1·21”突水洞口照片

        (b) 馬鹿箐隧道“1·21”突水洞外場地照片

        (c) “1·21”突水損壞的ITC312挖掘裝載機(jī)

        (d) 正洞洞口外施工場地部分沖毀

        突水地段巖層屬三疊系大冶組石灰?guī)r,為緩傾角單斜構(gòu)造,馬鹿箐隧道突水的水文地質(zhì)成因見圖5[2]。事后查明,突水地點(diǎn)頂部發(fā)育一總?cè)莘e達(dá)60萬m3的溶洞,通過復(fù)雜的巖溶通道與隧道上部小溪河暗河系統(tǒng)相通,地面匯水面積達(dá)14 km2,一旦下雨每小時可補(bǔ)水2萬~3萬 m3,靜水儲量和動水補(bǔ)給量均較大,突水前實(shí)測水壓達(dá)0.8~1.2 MPa。圖6為突水地點(diǎn)平導(dǎo)掌子面地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)示意圖。

        該隧道在選線階段做了大量的地質(zhì)工作,在完成清江流域1∶1萬地下暗河系統(tǒng)勘察工作的基礎(chǔ)上,線路避開了暗河主干部位,盡量向分水嶺部位靠近,選擇暗河支流上游位置相對較高的部位通過。由于線路限坡標(biāo)準(zhǔn)的限制和巖溶系統(tǒng)的復(fù)雜性,盡管做了大量的工作,但仍未能完全避開暗河危害。

        3)宜萬鐵路野三關(guān)隧道“8·5”高壓突水突石事件[2-3]。野三關(guān)隧道全長13 km,最大埋深684 m。2007年8月5日,Ⅰ線正洞DK124+602左側(cè)邊墻發(fā)生坍塌和突水突石,在半小時內(nèi)突水15萬 m3,突出5萬 m3固體物質(zhì),其中直徑大于20 cm的塊石含量達(dá)60%~70%,最大直徑達(dá)3 m,夾大量灰?guī)r角礫、巖屑和炭質(zhì)頁巖碎片,還可見砂、卵石、礫石等河道沖積物。隧道已施工正洞被塊石和泥沙淤塞400 m長,威力巨大的泥石流將襯砌臺車、挖掘機(jī)、自卸車和裝載機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備沖出500 m遠(yuǎn),并使其扭曲解體。宜萬鐵路野三關(guān)隧道高壓突水突石現(xiàn)場照片見圖7。

        坍塌和突水突石地段巖層屬二疊系下部棲霞組灰?guī)r,為緩傾角單斜構(gòu)造,左側(cè)邊墻圍巖位于棲霞組底部灰?guī)r與炭質(zhì)頁巖接觸面附近,層面以30°傾角傾向隧道。野三關(guān)隧道工程地質(zhì)情況見圖8[2]。事后查明,主要蓄水溶洞位于Ⅰ線隧道左側(cè),向隧道上方延伸,順層發(fā)育巖溶管道與3#暗河及地表水洞坪巖溶洼地相連通(見圖9)。含水層頂板高出隧道200 m,突水前實(shí)測水壓為1.34 MPa[2]。隧道開挖后,隧道左上方的高壓巖溶水壓垮左邊墻厚為4~9 m的順層破碎巖體,形成夾雜大量石塊的突泥突水。突水后水壓降至0.01~0.08 MPa[2]。坍塌范圍平面圖見圖10。沖出的透水堆積物Ⅰ線分布縱斷面見圖11。透水堆積物照片見圖12。

        1.2工程地質(zhì)特征

        圓梁山隧道、馬鹿箐隧道和野三關(guān)隧道的工程災(zāi)害事件均屬于高壓富水巖溶工程地質(zhì)問題,高壓富水巖溶工程地質(zhì)有如下特征。

        1)隧道埋深較大(400~500 m),地下水位較高(高出隧道120~450 m),隧道高程實(shí)測水壓為1.2~4.5 MPa,表明巖溶管道連通性好,水壓基本不折減。

        2)突水點(diǎn)附近發(fā)育有較大的蓄水溶腔(洞),地下水靜儲量較大,且通過巖溶管道系統(tǒng)與地下暗河及地表巖溶洼地相連通,地下水有較大的動儲量補(bǔ)給,涌水量大小與地面降水量、匯水面積的大小關(guān)系密切。

        (a) 馬鹿箐隧道PDK255+978溶腔集水面積圖

        (b) 馬鹿箐隧道PDK255+978溶腔A-A′水文地質(zhì)剖面示意圖

        圖6 馬鹿箐隧道突水點(diǎn)平導(dǎo)掌子面地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)示意圖

        (a) 2007年8月12日Ⅰ線正洞涌水

        (b) Ⅰ線正洞DK124+915附近灰?guī)r塊石堆積

        (c) 被洪水沖走毀壞解體的50裝載機(jī)

        Fig.7Water and stone gushing with high pressure of Yesanguan Tunnel

        3)由于不同地質(zhì)條件的組合作用,伴隨突水的固體物質(zhì)種類有所不同。圓梁山隧道突出物以可塑狀的軟泥為主,并伴有壓縮空氣產(chǎn)生爆突作用;馬鹿箐隧道突出物以水?dāng)y泥砂為主,溶洞中沉積的黏土物質(zhì)被大量沖出;野三關(guān)隧道突出攜大量塊石和巖屑,溶洞中沉積的黏土物質(zhì)較少。

        4)可溶巖上下均夾有泥、頁巖隔水層,對巖溶通道分布的成層性有控制作用。其所夾煤系地層,可能因硫化物溶解產(chǎn)生硫酸而加大溶蝕作用,促進(jìn)巖溶發(fā)育。

        2軟弱圍巖大變形問題

        近年來出現(xiàn)了較多鐵路隧道軟弱圍巖大變形的問題,可歸納為以下3種情況。

        2.1高構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下的軟弱圍巖大變形

        2.1.1典型工程實(shí)例

        在青藏高原周邊板塊碰撞擠壓形成的高地應(yīng)力環(huán)境下,隧道開挖過程中普遍出現(xiàn)軟弱圍巖變形的問題。

        1)既有蘭新鐵路增建二線烏鞘嶺隧道。烏鞘嶺隧道全長22 km,最大埋深1 050 m,最大地應(yīng)力32 MPa,方向N26°E,與隧道走向交角較大。在二疊系、志留系千枚巖夾板巖分布的出口地段,干燥無水,在區(qū)域地應(yīng)力作用下,拱頂圍巖一般下沉50~60 cm,最大下沉1.05 m;左邊墻(西南側(cè))一般收斂55 cm,最大收斂1.03 m;右邊墻(北東側(cè))一般收斂30~40 cm,最大收斂70 cm。

        2)蘭渝鐵路隧道軟弱圍巖地段。蘭渝鐵路穿越西秦嶺,通過板巖、千枚巖和碳質(zhì)板巖等軟弱圍巖地段長達(dá)90 km,70%軟弱圍巖地段有隧道通過。該地區(qū)位于板塊交匯部位,斷裂和褶曲構(gòu)造極為發(fā)育,地層巖性變化大,在現(xiàn)今青藏高原向北東方向的持續(xù)擴(kuò)展擠壓作用下,地應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,普遍達(dá)27~30 MPa,隧道變形量為30~100 cm,隧道施工過程中經(jīng)常發(fā)生長時間的持續(xù)變形,支護(hù)開裂和破損情況十分嚴(yán)重,二次襯砌也有開裂現(xiàn)象。

        Q4—第四系殘坡積層;T1d—三疊系大冶組;P2c—二疊系長興組;P2w—二疊系吳家坪組;C1y—石炭系巖關(guān)組;D3x—泥盆系寫經(jīng)寺組;D3h—泥盆系黃家磴組;D2y—泥盆系云臺觀組;P1m—二疊系茅口組;P1q—二疊系棲霞組;C2h—石炭系黃龍組;S2sh—志留系紗帽組;S1lr—志留系羅惹坪組。

        圖8野三關(guān)隧道工程地質(zhì)縱剖面圖

        Fig.8Geological profile of Yesanguan Tunnel

        (a)野三關(guān)隧道水洞坪3#暗河入口

        (b)野三關(guān)隧道周家包3#暗河出口

        圖10野三關(guān)隧道“8·5”突水突石坍塌范圍平面示意圖(單位:m)

        Fig.10Collapse range of Yesanguan Tunnel in “8·5” incident (m)

        ①—淤積泥沙,混雜巨塊狀灰?guī)r孤石;②—泥、炭質(zhì)半膠結(jié)角礫巖塊體;③—砂、礫石及灰?guī)r角礫;④—灰?guī)r塊石。

        圖11野三關(guān)隧道“8·5”突水突石透水堆積物Ⅰ線分布縱斷面示意圖

        Fig.11Permeable deposit distribution of line Ⅰ at Yesanguan Tunnel

        3)既有南疆鐵路吐庫段增建二線中天山隧道。中天山隧道全長22.5 km,最大埋深1 700 m,地層巖性多變,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。實(shí)測最大水平主應(yīng)力為35 MPa,方向?yàn)镹20°E,與隧道走向近平行,夾角僅10°。該隧道主要采用TBM施工,出現(xiàn)的突出地質(zhì)問題是掌子面變形和掉塊,TBM刀具損壞率極高,更換頻繁,停機(jī)時間長,極大地影響了施工進(jìn)度,增加了施工成本。分析其地質(zhì)原因,是由于最大水平主應(yīng)力方向與隧道走向近平行,造成隧道圍巖變形主要發(fā)生在掌子面,這是地應(yīng)力作用的表現(xiàn)。

        2.1.2高構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下的軟弱圍巖大變形的工程地質(zhì)特征

        1)地應(yīng)力大,一般為25~30 MPa,最大可達(dá)50 MPa,收斂變形值為0.5~1.0 m。

        2)變形持續(xù)時間長,隧道開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)較長時間不能達(dá)到新的平衡。

        3)分布范圍廣,軟巖和較硬巖都可能發(fā)生變形,軟巖可形成韌性剪切塑性變形,較硬巖可形成塊狀破碎和層間變形[4]。

        4)最大主應(yīng)力方向如與隧道走向大角度相交,大變形主要發(fā)生在邊墻和洞頂;最大主應(yīng)力方向如與隧道走向近平行,掌子面發(fā)生大變形的情況尤為突出。

        (a) 透水堆積物1棲霞組灰?guī)r塊體(巨塊狀)

        (b) 透水堆積物2-1泥、炭質(zhì)半膠結(jié)角礫巖塊體

        (c) 透水堆積物2-2 泥、炭質(zhì)半膠結(jié)角礫巖塊體

        (d) 透水堆積物3-1砂、礫石、灰?guī)r角礫

        (e) 透水堆積物4-3棲霞組深灰色灰?guī)r塊體(表面有溶蝕)

        5)大變形的強(qiáng)度和幅度與多種地質(zhì)、工程因素相關(guān)。地質(zhì)因素有巖性、局部地質(zhì)構(gòu)造、巖層產(chǎn)狀、地應(yīng)力方向和地下水等;工程因素有單雙線跨度、斷面形狀、支護(hù)措施、輔助導(dǎo)坑位置及施工進(jìn)度等[4]。

        2.2山體壓力作用下軟巖大變形

        2.2.1典型工程實(shí)例

        1)宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道全長11.6 km,埋深200~400 m,發(fā)生大變形的地段位于志留系與奧陶系地層界面位置,單斜構(gòu)造,巖層走向與隧道走向基本平行,巖層從隧道左側(cè)傾向右側(cè),傾角35~55°。實(shí)測最大水平主應(yīng)力為16 MPa,方向?yàn)镹60°W。Ⅰ線隧道恰位于志留系砂巖與奧陶系泥質(zhì)灰?guī)r接觸帶,志留系底部有15 m厚的炭質(zhì)頁巖,在較長地段形成炭質(zhì)頁巖連續(xù)貫通分布于隧道洞室內(nèi)的順層構(gòu)造,傾角35~40°。在層間水的潤滑作用下,產(chǎn)生順層滑動變形,內(nèi)擠100 cm,拱頂下沉35~40 cm,支護(hù)開裂,鋼梁扭曲,部分地段坍塌。

        2)襄渝二線新茨溝隧道、新蜀河隧道和楊河隧道通過以云母片巖和炭質(zhì)片巖為主的軟巖地段時均發(fā)生大變形。其地質(zhì)構(gòu)造走向與線路走向大致平行,地層、斷層走向與隧道走向交角很小,隧道開挖過程中一旦遇到軟弱地層,常出現(xiàn)順層變形,在較長地段連續(xù)重復(fù)出現(xiàn),無法避開。據(jù)統(tǒng)計(jì),3座隧道共揭示軟巖88段,總長6.5 km,炭質(zhì)極軟巖呈“厚層式帶狀”、“互層狀”和“透鏡體或薄層狀”3種狀態(tài)分布,層厚一般為1~4 m,最厚為32 m。大變形以水平變形為主,邊墻收斂30~100 cm,拱頂下沉30~50 cm,支護(hù)開裂和鋼架變形嚴(yán)重,變形持續(xù)時間長。

        2.2.2山體壓力作用下軟巖大變形的特征

        1)大變形具有流變的特征[5],即在外部荷載無變化的情況下,巖體變形隨時間延長逐漸加大,直至破壞垮塌。變形一般經(jīng)歷“阻尼—均速—加速”3個階段,或者“初始蠕變—支護(hù)措施后蠕變—破壞突變”3個階段。例如:楊河隧道大變形阻尼階段時間為6 d,勻速變形階段時間為26~41 d,32~47 d后變形加速,直至隧道破壞;新茨溝隧道22 d后變形加速,36 d隧道破壞。

        2)外部荷載主要是山體重力,一般隧道埋深超過200 m,軟巖就可能發(fā)生大變形。地應(yīng)力高達(dá)10~15 MPa,而圍巖強(qiáng)度小于5 MPa,最低小于1 MPa,圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力的比值)極低,這是變形的基本原因。

        3)除圍巖強(qiáng)度過低外,順層構(gòu)造是長大地段發(fā)生大變形的控制性因素,特別是有地下水的情況,更容易降低層間的結(jié)合強(qiáng)度,發(fā)生順層滑動。地應(yīng)力以水平方向?yàn)橹?,也可能受控順層因素?/p>

        4)變形大小和變形時間受多種因素影響[6]。主要影響因素有:①巖層產(chǎn)狀。巖層走向與隧道走向近似平行的地段越長,隧道越容易發(fā)生變形;順層邊墻與逆層邊墻變形形跡有區(qū)別,巖石傾角陡緩不同,變形也不同。②巖性。圍巖強(qiáng)度低,隧道變形大,尤其是含炭質(zhì)和云母成分多時。層面越發(fā)育變形越大,軟層越厚變形越大。③構(gòu)造。受擠壓形成的摩擦鏡面越發(fā)育,變形越大。④地下水。有水滲流是重要的誘發(fā)因素。⑤埋深。一般埋深超過200 m時,隧道發(fā)生變形。埋深越大,山體壓力越大。⑥有的隧道埋深不大,如牡綏鐵路興源隧道埋深不超過100 m,但整座隧道全部分布在薄層炭質(zhì)泥巖夾砂巖中,巖性軟弱,層面密集發(fā)育摩擦鏡面,由于巖層走向與隧道走向交角小于45°,傾角較大(>50°),加之雙線隧道跨度較大,有利于產(chǎn)生強(qiáng)烈的卸荷作用,發(fā)生了以拱頂沉降為主的大變形,極軟巖厚度大,分布地段長,埋深淺也可能發(fā)生大變形。

        綜上所述,山體壓力環(huán)境下的軟巖變形具有流變塑性變形和順層偏壓滑移剪切變形相組合的特征,與大區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下軟弱圍巖的大變形相比,有相同點(diǎn),但一般僅限于炭質(zhì)極軟巖及長大順層地段,巖性較單一,且與地下水關(guān)系更密切。

        2.3局部陡坡地形因素造成隧道淺埋段變形的問題

        包西鐵路增建二線冒天山隧道全長14 km,其中K514+830~+950地段(勘察設(shè)計(jì)里程IDK444+830~+950),在開通運(yùn)營2年后整體道床軌道板發(fā)生嚴(yán)重開裂和上拱變形,最大拱起量達(dá)50 mm,同時側(cè)溝普遍發(fā)生開裂、位移和錯斷,致使列車限速運(yùn)行。冒天山隧道的破壞情況見圖13。

        深切溝谷陡坡地形隧道淺埋地段山體側(cè)壓力不對稱局部應(yīng)力集中是造成這一地段軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變形的原因。該段隧道埋深僅30 m,地表為2條沖溝交匯處。其線路K514+800~+900地段右側(cè)地表為高65 m的黃土陡坡,陡坡走向平行隧道,其坡腳線恰位于隧道中線附近,而隧道左側(cè)為較寬的平坦谷溝,右側(cè)山體壓力大于左側(cè),隧道受力不對稱,雖然地應(yīng)力不是很大,但因隧道埋深較淺,左、右側(cè)受力有差別,加上隧道底板施工質(zhì)量問題,底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠,從而產(chǎn)生上拱變形,這是非常典型和少見的局部地應(yīng)力集中的現(xiàn)象。冒天山隧道局部變形段橫剖面圖和平面圖見圖14和圖15。

        3太古界硬質(zhì)變質(zhì)巖大變形問題

        3.1典型工程實(shí)例

        張集鐵路舊堡隧道全長9.6 km,大同至太原鐵路(北同蒲鐵路)取直雁門關(guān)隧道全長14 km,都通過華北北部古老的太古界片麻巖、混合巖和變粒巖地層(見圖16)。因變質(zhì)深,結(jié)晶程度高,圍巖屬巖質(zhì)堅(jiān)硬的硬質(zhì)巖、甚至極硬巖。在以往的隧道建設(shè)過程中很少出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)變更的情況,但這2座隧道在施工中卻出現(xiàn)了沒有料到的圍巖大變形問題,給施工造成極大困難,工期一延再延,最后不得不進(jìn)行重大設(shè)計(jì)變更,此次事件使我們不得不重新認(rèn)識華北北部太古界變質(zhì)巖的工程地質(zhì)特征。

        (a) 道床整體錯位、抬升、斷裂

        (b) 側(cè)溝整體隆起、傾斜、斷裂

        (c) 隧底破除無砟軌道后暴露的基巖裂隙

        (d) 隧底挖探情況

        圖14 冒天山隧道局部變形橫剖面示意圖

        Fig.14Profile diagram of local deformation of Maotianshan Tunnel

        圖15 冒天山隧道局部變形段平面示意圖

        3.2太古界變質(zhì)巖的工程地質(zhì)特征[7]

        1)片麻巖、變粒巖和角閃巖普遍含有大量的黑云母,片理發(fā)育,降低了巖石強(qiáng)度。

        2)各類沉積巖,如砂巖和泥巖等在變質(zhì)過程中,經(jīng)受了混合巖化作用,花崗巖物質(zhì)大量順層侵入,由于熔融程度不是很深,未形成熔融為一體的混合巖,而是經(jīng)歷了層面發(fā)育的條痕狀混合巖化作用,同時有大量偉晶巖脈和石英巖脈穿插發(fā)育,不但增多了巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面,而且正長石易蝕變?yōu)閺?qiáng)度低且具有一定膨脹性的高嶺石,再經(jīng)風(fēng)化作用易形成高嶺土,成為軟團(tuán)塊或軟夾層。

        3)在漫長的地質(zhì)歷史中,還有大量多期深色超基性、中基性巖體和巖脈侵入,如輝綠巖、橄欖巖和角閃巖等,多順層或切層侵入,經(jīng)蝕變作用,如蛇紋巖化、滑石化、透閃石化、綠泥石化、石棉化、碳酸鹽化及相應(yīng)的片理化,有的還進(jìn)一步形成綠泥石片巖、黑云母片巖和角閃石片巖等軟質(zhì)巖夾層,強(qiáng)度低,遇水軟化,崩解性強(qiáng),易產(chǎn)生大變形。

        4)由于構(gòu)造裂隙和各類蝕變巖類結(jié)構(gòu)面可成為良好的地下水通道,在原始天然狀態(tài)下深部巖體一般無水,一旦隧道開挖,裂隙成為地下水通道,引導(dǎo)地下水匯集滲流,不但軟化各類蝕變夾層,而且沖蝕蝕變物質(zhì),為巖體大變形和發(fā)生坍塌提供了誘發(fā)條件。

        (a) DK123+780~+600圍巖

        (b) DK123+990~+900圍巖

        (c) DK124+380~+090圍巖

        (d) DK124+650~+380圍巖

        總之,華北地區(qū)北部山區(qū)分布的太古界變質(zhì)巖地層雖然總體上屬于硬質(zhì)巖,但由于受多期地質(zhì)構(gòu)造和蝕變作用,巖體軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育,當(dāng)隧道開挖引起地下水匯聚滲流后,結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大為降低;因此,圍巖分級不能按常規(guī)劃定為Ⅲ級,宜定為Ⅳ級,破碎和軟質(zhì)夾層的富水地段應(yīng)定為Ⅴ級[8]。

        當(dāng)硬質(zhì)巖具有碎裂結(jié)構(gòu)時,在高地應(yīng)力環(huán)境下,即使沒有地下水的軟化和沖蝕作用,也可能發(fā)生大變形,這方面的典型實(shí)例是新建天水至平?jīng)鲨F路關(guān)山隧道。該隧道位于六盤山系中的關(guān)山地區(qū),2#斜井所處嶺脊一帶分布大面積閃長巖侵入體,實(shí)測最大水平主應(yīng)力為24 MPa,方向與隧道走向呈28°斜交,其強(qiáng)度應(yīng)力比為3~4.5,屬高或極高地應(yīng)力狀態(tài)。施工開挖表明,巖體結(jié)構(gòu)破碎,節(jié)理發(fā)育,多見摩擦鏡面和擦痕,裂隙面多有綠泥石和云母物質(zhì)充填。

        在施工過程中,1#斜井工區(qū)發(fā)生5次較大的塌方,2#斜井工區(qū)發(fā)生較大的圍巖變形和二次襯砌開裂,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,屬于碎裂硬質(zhì)巖在高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形現(xiàn)象。因受左側(cè)一條大的深切沖溝的影響,1#斜井段變形表現(xiàn)為應(yīng)力解除條件下的松弛變形,并發(fā)生多次塌方;2#斜井段因處嶺脊寬厚山體深埋條件,在地應(yīng)力擠壓作用下產(chǎn)生圍巖收斂,表現(xiàn)為擠壓變形特征,與1#斜井段變形有所不同,經(jīng)采取不同的工程措施,變形得以控制。

        4侵入巖脈蝕變風(fēng)化破碎巖體塌方和突泥問題

        1)集包三、四線新旗下營隧道“3·19”大塌方。該隧道全長2 025 m,最大埋深200 m,最小埋深8 m,為雙線隧道。隧道通過地層主要為太古界大理巖和后期侵入的閃長巖。2010年3月19日,隧道施工至DK587+980處時,首先在DK587+930~+940段發(fā)生塌方,然后迅速牽引帶動大里程方向連續(xù)塌方,2~3 d后坍塌還時有發(fā)生,長50 m已經(jīng)開挖并進(jìn)行初期支護(hù)的地段全部坍塌封死,塌方總量達(dá)四五千m3,隧道洞內(nèi)坍塌情況見圖17。

        圖17 新旗下營隧道洞內(nèi)坍塌物

        經(jīng)調(diào)查鑒定分析,塌方地段巖性以太古界大理巖為主,首先塌方的DK587+920~+946地段為輝綠巖墻,DK587+965處有一閃長玢巖脈,DK587+966處有一輝綠巖脈,擠壓構(gòu)造特征明顯,由于構(gòu)造擠壓和風(fēng)化深重的原因,巖體十分破碎。

        隧道頂部左側(cè)上方約40m處發(fā)育有一條與隧道小角度交匯的沖溝(見圖18),沖溝深十余m,其走向有利于冬季積雪。據(jù)查氣象資料,塌方前半年,冬季降雪量比歷年同期多近1倍,特別是2010年1月3日的大暴雪為歷史罕見,2010年3月有大量融雪水下滲。

        圖18 新旗下營隧道頂部沖溝

        此外,隧道于2009年12月就掘進(jìn)至DK587+980處,因冬季嚴(yán)寒暫停施工,初期支護(hù)地段停工時間長達(dá)4個月,二次襯砌較長時間未跟上,致使變形發(fā)展加快。

        巖脈侵入大理巖中,圍巖分級比照大理巖,一并將DK587+865~DK588+075段圍巖劃定為Ⅲ級,施工中雖然根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行了變更,但由于對輝綠巖也按硬質(zhì)巖對待,加強(qiáng)支護(hù)的措施銜接不緊密,塌方先在隧道薄弱部位發(fā)生,進(jìn)而牽引全段塌方。

        2)廈深鐵路梁山隧道大型蝕變巖墻涌水突泥。梁山隧道全長9.9 km,最大埋深680 m,穿越燕山期花崗巖地層。2009年3月14日施工至DK96+505處突然發(fā)生涌水突泥,突泥砂2 000 m3;至2009年4月6日又相繼發(fā)生3次涌水突泥,共突泥砂2.8萬m3,夾花崗巖碎石、塊石,并于2009年4月6日在隧道埋深270 m的山腰地段形成60 m×30 m、深約25 m的巨型陷坑(見圖19(a))。事后查明,發(fā)生涌水突泥的部位為花崗巖體中的輝綠巖和閃長玢巖巖墻(見圖19(b)),其走向與隧道正交,向兩側(cè)延伸數(shù)百 m,巖墻厚10余 m,傾角近垂直,由后期中基性巖漿沿花崗巖體中北西向構(gòu)造裂隙帶侵入形成。中基性巖漿的化學(xué)穩(wěn)定性差,易風(fēng)化,經(jīng)蝕變作用呈土狀和細(xì)顆粒狀,形成深達(dá)二三百m的板狀風(fēng)化帶,在堅(jiān)硬的花崗巖體中形成富水的軟弱破碎帶,構(gòu)成涌水突泥通道,一旦隧道開挖,便形成大規(guī)模的塌方和突泥。梁山隧道軟弱帶洞內(nèi)平面分布見圖20。

        (a) 梁山隧道巖脈地表陷坑

        (b) 梁山隧道巖脈地表露頭

        Fig.19Sinkhole induced by water and mud gushing of Liangshan Tunnel

        5富水逆掩斷層破碎帶大規(guī)模突泥

        南寧至廣州鐵路白云隧道全長2 km。2010年1月11日,DK334+733處拱頂左側(cè)突然出現(xiàn)大規(guī)模突水突泥,持續(xù)時間約30 s,噴涌長度170 m,突出泥砂2 500多m3,掘進(jìn)停工,轉(zhuǎn)入清理和原因調(diào)查,進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探和物探、水量檢測、圍巖監(jiān)測及輔助性施工作業(yè)等工作。2010年1月16日,現(xiàn)場繼續(xù)進(jìn)行上述工作時,掌子面又突然涌出約3 000 m3的塊石、碎石、

        巖屑和黏土混合物質(zhì),持續(xù)30 s,噴涌長度仍為170 m,隧道頂部上方高80 m地面產(chǎn)生一個30 m×13 m、深6 m的塌陷漏斗坑。事故造成施工臺架、鏟車和裝載機(jī)被推移10多 m,并完全損毀。白云隧道突水突泥現(xiàn)場見圖21。

        白云隧道圍巖為寒武系砂質(zhì)頁巖和炭質(zhì)頁巖夾粉砂巖,單斜構(gòu)造。塌方掌子面前方10 m(即DK334+743~+833段)進(jìn)入?yún)^(qū)域性羅東大斷裂破碎帶及影響帶范圍。該斷層是由相距200 m的2條平行展布的逆掩斷層組合而成,斷層傾角僅25°,如圖22所示。強(qiáng)烈的逆沖擠壓力作用在2條斷層之間,形成極為破碎的剪切帶,經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化作用,呈土夾角礫、塊石狀,富水飽和成流塑狀,致使塌方迅速轉(zhuǎn)化為突泥突水。

        頁巖地區(qū)與灰?guī)r地區(qū)不同,頁巖是貧水的非可溶巖,巖層透水性差,形不成地下水管道和洞穴,所以一般不會發(fā)生大規(guī)模的突泥突水。而此次事故在短時間內(nèi)突然沖出攜泥砂和石塊的地下水,具有可溶巖地區(qū)巖溶洞穴填充物發(fā)生突泥突水的特征,可能是由于頁巖地層中夾有砂巖形成相對富水通道所致。

        6層狀地層大規(guī)模順層塌方

        6.1工程實(shí)例

        6.1.1滬昆客專半山隧道進(jìn)口段塌方

        半山隧道全長5.6 km,為雙線隧道,最大埋深341 m。2012年4月24—25日,DK217+916~+999段發(fā)生連續(xù)塌方,塌方地段長83 m,塌方高達(dá)25 m,并造成相鄰二次襯砌開裂。事后查明,塌方的地質(zhì)成因是由于古老的奧陶系砂質(zhì)板巖地層中發(fā)育層間隱形構(gòu)造節(jié)理密集帶,在連續(xù)3個月的降雨條件下,地下水下滲增加,軟化圍巖和結(jié)構(gòu)面,并加大巖體容重,在隧道施工開挖中的較長地段形成順層坍塌。

        圖20 梁山隧道軟弱帶洞內(nèi)平面分布圖

        (a) 2010年1月17日現(xiàn)場照片

        (b) 2010年1月18日現(xiàn)場照片

        圖22 白云隧道逆掩斷層示意圖(單位:m)

        半山隧道的主要地質(zhì)因素及特征如下:

        ①奧陶系板巖時代古老,經(jīng)受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動,除發(fā)育褶皺和斷裂構(gòu)造外,呈單斜產(chǎn)狀的板巖地層還多發(fā)育層間相對位移形成的隱形節(jié)理密集帶,從表面上看還具有成層巖石的狀態(tài),但內(nèi)部礦物分子連結(jié)已遭到分割破壞,形成隱形節(jié)理,一經(jīng)擾動就分離解體。

        ②巖層及伴生的節(jié)理密集帶走向與隧道走向交角較小,近似平行,順層的不利結(jié)構(gòu)組合在較長的地段斜穿隧道。地層及節(jié)理密集帶以50~60°傾向隧道,松散破碎巖體易沿層面下滑,形成規(guī)模不斷擴(kuò)大的牽引式坍塌;尤其當(dāng)具備地下水沿層面或節(jié)理面加大滲流的條件時,更易誘發(fā)較大的順層坍塌,這是進(jìn)口段塌方長達(dá)83 m的原因。由半山隧道“4·25”塌方發(fā)生前后所進(jìn)行的大地電磁勘探成果圖(見圖23)可清晰看出,由于地下水下滲作用,形成了反映層間節(jié)理密集帶位置的低電阻異常帶,其走向與隧道走向小角度斜交,傾向隧道(見圖24)。

        (a) 半山隧道未塌方前無明顯低阻帶

        (b) 半山隧道塌方后雨水下滲形成低阻帶在縱斷面方向傾向小里程

        圖23半山隧道塌方發(fā)生前后大地電磁勘探成果圖(塌方形成的富水低阻帶產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀趨勢一致)

        Fig.23Magnetotelluric exploration results before and after collapse of Banshan Tunnel

        ①—巖層產(chǎn)狀;②—第1組節(jié)理產(chǎn)狀;③—第2組節(jié)理產(chǎn)狀;④—隧道走向;⑤—2組節(jié)理交匯點(diǎn);隧道走向NE70°,巖層走向NE30~70°,伴生有節(jié)理密集帶走向NE40~60°。

        圖24半山隧道地層、節(jié)理產(chǎn)狀與隧道走向關(guān)系的赤平投影圖

        Fig.24Stereogram of strata and attitude of rock vs.tunnel orientation of Banshan Tunnel

        ③砂質(zhì)板巖屬脆性巖石,受力時塑性變形不明顯,具有硬質(zhì)巖破壞變形的突發(fā)性特征,會造成塌方前變形征兆不明顯,或征兆表現(xiàn)較晚,使得板巖地層坍塌很突然,而且坍塌的起點(diǎn)也不易判斷,預(yù)防和預(yù)警的難度很大。

        6.1.2黎南鐵路那適二號隧道DK698處塌方

        2010年7月11日,黎南鐵路那適二號隧道DK698處二次襯砌前方正在進(jìn)行仰拱施工的地段突然發(fā)生塌方。相距掌子面54 m處,2010年7月14—28日又接連發(fā)生6次塌方,填埋掌子面至二次襯砌正在施工地段。2010年7月29日地表發(fā)生塌陷。那適二號隧道塌方現(xiàn)場見圖25。

        (a)

        (b)

        該隧道地層屬寒武系粉砂巖夾頁巖,為單斜構(gòu)造,巖層走向近東西向,與隧道走向夾角15~20°,為小角度斜交,巖層傾角陡立為70~80°。塌方后,在地表整治工程中,開挖和清除了較大范圍的表土和風(fēng)化層,可以清晰看到發(fā)育有順層節(jié)理密集帶。且相隔數(shù)m至十余m還發(fā)育擠壓破碎帶。結(jié)構(gòu)面多見摩擦鏡面和片狀炭質(zhì)成分,成為巖體中相對軟弱夾層。這種產(chǎn)狀陡立,縱向延伸較長,且結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀不利組合的延伸方向與隧道走向小角度斜交,是該段發(fā)生大規(guī)模坍塌的基本地質(zhì)條件。那適二號隧道頂部坍陷穴與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系見圖26。

        該地區(qū)塌方前1個月連降5次大雨,地下水大量下滲,對巖體和結(jié)構(gòu)面有軟化作用,而且加大巖體容重,這是發(fā)生塌方的重要誘發(fā)因素。塌方地段以粉砂巖為主,也呈現(xiàn)脆性巖石變形破壞的特點(diǎn),塌陷前變形征兆不明顯,且由于牽引作用不斷擴(kuò)大,持續(xù)發(fā)展形成多次塌方。圖27為那適二號隧道塌方的工程地質(zhì)模式示意圖。

        圖26 那適二號隧道頂部坍陷穴與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系示意圖

        Fig.26Relationship between sinkhole and geological structure of Nashi Tunnel No.2

        圖27 那適二號隧道塌方的工程地質(zhì)模式示意圖

        Fig.27Sketch diagram of collapse principle of Nashi Tunnel No.2

        6.2層狀地層順層塌方特征

        1)圍巖為成層性明顯、強(qiáng)度中等和硬度偏軟的板巖、粉砂巖、頁巖,其強(qiáng)度不是很大,但具有硬質(zhì)巖脆性的特征,圍巖級別常被判定為Ⅲ~Ⅳ級,隧道一般不采取強(qiáng)大的支護(hù)加固措施;

        2)巖層為單斜構(gòu)造,傾角偏陡(45~90°),在單斜構(gòu)造的局部地段可能形成順層發(fā)育的層間滑動面和滑動帶,嚴(yán)重的可形成層間節(jié)理密集帶或擠壓構(gòu)造密集帶,其走向與隧道走向一旦接近平行,即在隧道中形成順層構(gòu)造,在較長地段形成不穩(wěn)定巖體傾向隧道洞室的危險(xiǎn)狀態(tài),這是牽引形成較大規(guī)模塌方的關(guān)鍵地質(zhì)條件;

        3)中等硬度偏軟的巖石強(qiáng)度,塑性變形不明顯,其失穩(wěn)變形具有脆性巖石破壞變形的突發(fā)性和隱蔽性等特征;

        4)沿層面和構(gòu)造節(jié)理結(jié)構(gòu)面滲流的地下水,可降低巖石和結(jié)構(gòu)面的結(jié)合強(qiáng)度,增大巖體容重,因此,降雨是誘發(fā)塌方的重要原因;

        5)塌方的起始部位具有很大的偶然性,不易判斷。

        7中更新統(tǒng)老黃土崩塌

        錦赤鐵路燒鍋地隧道全長1.1 km,為單線隧道。2010年10月18日,進(jìn)口淺埋黃土地段發(fā)生塌方,塌方造成隧道二次襯砌左側(cè)邊墻向隧道內(nèi)擠1 m(見圖28)。

        圖28 燒鍋地隧道DK156+714處塌方照片

        經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,本次塌方是由于隧道淺埋黃土地段在異常降雨條件下雨水大量下滲形成的突發(fā)性事件。燒鍋地隧道塌方的具體原因分析如下。

        1)老黃土垂直節(jié)理發(fā)育(見圖29)是基本地質(zhì)條件。隧道塌方地段為中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土,干燥條件下呈硬塑—堅(jiān)硬狀。突出的特性是垂直節(jié)理發(fā)育,一旦有較大的降水條件,坡面地表水可沿垂直節(jié)理下滲至一定深度,并侵潤軟化垂直節(jié)理周邊黃土,使其含水量增加,強(qiáng)度降低,形成軟弱直立的網(wǎng)格狀“過濕帶”(見圖30)。而“過濕帶”之間的黃土仍呈硬塑—堅(jiān)硬狀,被切割分離成片狀和柱狀。如果淺埋隧道通過的黃土地段“過濕帶”密集發(fā)育,黃土地層的整體穩(wěn)定性則大為降低,一旦隧道開挖形成凌空面,靠近隧道的黃土柱、板承受不了上覆土層的壓力,就可能發(fā)生“折斷式”坍塌。這種破壞突發(fā)性強(qiáng),征兆不明顯,很難預(yù)先監(jiān)測,雖然土方量不大,但沖擊力強(qiáng),對隧道結(jié)構(gòu)的破壞較大。

        2)異常降雨是直接原因。據(jù)當(dāng)?shù)匕綕h旗氣象局提供的資料,2010年9—10月降水量為162 mm,是歷年同期降雨量(64 mm)的2.53倍,是2009年同期降雨量(13.5 mm)的12倍。隧道頂上為右高左低的平緩漫坡,有利于地面降水漫流下滲,在黃土地段形成密集發(fā)育的“卸荷過濕帶”。由于隧道埋深淺,僅為7~9 m,又位于沖溝岸坡的“卸荷過濕帶”范圍內(nèi),垂直節(jié)理張開度高,有利于地表水下滲,對黃土體的“切割、濕化”作用明顯,這是造成黃土坍塌的直接誘發(fā)原因。

        (a) 燒鍋地隧道頂部黃土中的柱狀節(jié)理

        (b) 燒鍋地隧道頂部沿柱狀節(jié)理剝落的柱狀黃土

        (c) 燒鍋地隧道塌方處黃土中的柱狀節(jié)理

        3)隱伏的土石界面和靠近沖溝是隧道左側(cè)發(fā)生坍塌的主控因素(見圖31)。隧道坍塌地段距左邊墻不遠(yuǎn)是黃土與下伏砂巖的接觸帶,該土石界面以緩傾角傾向隧道,干旱季節(jié)無地下水,但由于2010年降雨量大,地表水通過黃土裂隙下滲,侵潤黃土地層的同時,有一部分下滲至基巖,賦存在風(fēng)化裂隙中,并沿傾斜土石界面向隧道方向運(yùn)移,使黃土底部富水軟化,造成隧道左側(cè)土體整體不穩(wěn)定,形成擠向隧道的較大推力,加之左側(cè)靠近沖溝岸坡“卸荷帶”,張開節(jié)理發(fā)育,水易下滲,黃土層整體強(qiáng)度降低,這是造成坍塌、初期支護(hù)開裂和收斂變形發(fā)生在左側(cè)的主控因素。

        圖30 燒鍋地隧道DK156+714塌方形成機(jī)制示意圖

        圖31燒鍋地隧道DK156+675橫斷面巖層傾向示意圖(單位:m)

        Fig.31Sketch diagram of rock strata dip of DK156+675 of Shaoguodi Tunnel (m)

        雖然DK156+714處塌方規(guī)模不是很大,但后果嚴(yán)重,主要是具有難于預(yù)料的突發(fā)性。這種突發(fā)性成因復(fù)雜,以脆性變形特征為主,又兼有土層蠕變的特性,屬多種因素的組合成因。

        8新第三系地層突泥涌砂

        8.1蘭渝鐵路桃樹坪隧道涌砂塌方

        桃樹坪隧道全長3 225 m,地表覆蓋厚層黃土、卵石土和圓礫土,其下為新第三系砂巖。隧道于2009年開工,原計(jì)劃2010年完成鋪軌,由于施工開始后圍巖發(fā)生嚴(yán)重的涌砂塌方問題,施工嚴(yán)重受阻,導(dǎo)致進(jìn)行重大設(shè)計(jì)變更,并于2012年發(fā)生塌方。該隧道和桐麻嶺隧道都通過新第三系地層。

        該隧道通過新第三系砂巖地層,原定圍巖級別以Ⅴ級為主,部分地段為Ⅳ級。施工開挖發(fā)現(xiàn)該砂巖地層富水,砂巖膠結(jié)極差,一經(jīng)開挖擾動即成流砂狀,全部變更為Ⅵ級,采取井點(diǎn)降水、長大管棚注漿以及水平旋噴樁等一系列措施,施工進(jìn)度緩慢,嚴(yán)重影響了蘭渝鐵路全線的建設(shè)工期,建設(shè)成本也大為提高。

        經(jīng)測定,該地層黏粒含量很少,成巖程度很差。桃樹坪隧道黏粒含量為0.53%~2%,桐麻嶺隧道黏粒含量為5.2%~8.5%,膠結(jié)作用很弱,一旦有水沖、水溶和擾動即刻崩解,形成流砂狀。掌子面剛開挖時圍巖含水率一般為4%~10%;開挖后3~5 h含水率增大至12%~16%,開始產(chǎn)生塑性變形;開挖6~10 h后含水率達(dá)到18%,即開始產(chǎn)生流變,圍巖發(fā)生坍涌。因此,這種地層稱之為“第三系弱膠結(jié)、遇水?dāng)_動具有流變性的粉、細(xì)砂巖”,簡稱為“第三系流變砂巖”更能鮮明準(zhǔn)確地表達(dá)其地質(zhì)特性。

        我國西北地區(qū)第三系和中生界地層中常見類似弱膠結(jié)性質(zhì)的砂巖,無論對橋基還是隧道圍巖,其工程性質(zhì)均較差,應(yīng)引起重視。

        8.2牡綏鐵路雙豐隧道塌方和涌泥、砂

        雙豐隧道全長7.2 km,地表覆有玄武巖蓋層,下伏花崗巖,中間沉積新第三系泥巖和砂巖,其不整合界面波狀起伏很大。隧道多次穿過新第三系泥巖、砂巖底部與花崗巖接觸的低凹富水地段,由于軟化和沖蝕作用,施工中多次發(fā)生突泥、涌砂和塌方,施工嚴(yán)重受阻。在原勘察的22個鉆孔的基礎(chǔ)上,又補(bǔ)鉆22個鉆孔,基本查明了不整合界面起伏、泥巖軟化、花崗巖風(fēng)化層及富水狀況,并進(jìn)行了重大設(shè)計(jì)變更,包括變更為Ⅵ級圍巖和大幅度加長平導(dǎo)的措施。

        9泥、頁巖可燃?xì)怏w燃燒和爆炸

        9.12個工程案例

        1)云桂鐵路老石山隧道可燃?xì)怏w燃燒。老石山隧道全長8 km,位于云南省宜良地區(qū),通過地層為二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系和寒武系地層,巖性有灰?guī)r、砂巖和頁巖等,夾有少量的薄煤層。老石山隧道的地質(zhì)剖面見圖32。

        2012年3月施工過程中,平導(dǎo)PDK717+780處底板起火(見圖33),火焰噴出1.7 m高,火點(diǎn)范圍1.2 m2,伴隨有出氣聲。經(jīng)檢測12個樣品,甲烷(CH4)含量最大體積分?jǐn)?shù)為7.432 6%,最小體積分?jǐn)?shù)為0.008 4%,有3個樣品達(dá)到瓦斯燃燒爆炸界限值(5%);PDK717+210~+900段高瓦斯工區(qū),天然氣涌出量為22.5萬m3,單位時間最大涌出量為1.152 m3/min。

        中鐵二院與天燃?xì)獠块T合作對此可燃?xì)怏w的成因、分布及對工程的影響開展專題研究,得出如下結(jié)論:①隧道本身不通過油氣富集區(qū),但靠近宜良油氣田,斷裂和褶曲構(gòu)造有可能造成少量可燃?xì)怏w向隧道地區(qū)運(yùn)移;②隧道穿越多套生油氣地層和儲氣層,隧道巖體已受油氣侵染,在紫外光照射下發(fā)光;③可燃?xì)怏w來源于深部地層,斷裂構(gòu)造為其向上運(yùn)移的通道(見圖34);④深部生油、生氣地層主要為志留系、寒武系黑色頁巖和生物灰?guī)r,而其他砂巖和灰?guī)r為良好的儲氣層;⑤隧道有長700 m的地段為高瓦斯工區(qū),其余地段為低瓦斯工區(qū)。

        C—石炭系;D—泥盆系;S—志留系;∈—寒武系;Z—震旦系。

        圖32老石山隧道地質(zhì)剖面圖

        Fig.32Geological profile of Laoshishan Tunnel

        (a)

        (b)

        ①—陽宗丫口斷層;②—龍泉寺斷層;③—陡馬箐斷層。

        圖34老石山隧道天然氣運(yùn)移的通道

        Fig.34Gas flow channels of Laoshishan Tunnel

        2)達(dá)成鐵路炮臺山隧道瓦斯爆炸。炮臺山隧道全長3 km,穿越地層為侏羅系紅色泥巖夾砂巖,本身不具有生氣條件,但在20世紀(jì)90年代施工中發(fā)生瓦斯爆炸。后經(jīng)調(diào)查判斷,瓦斯來源于隧道之下3 000 m深的須家河組煤系地層,煤層之上的厚層砂巖裂隙是瓦斯的上移通道和儲氣層,上部泥巖組成的穹隆構(gòu)造是良好的封閉層,因此,造成侏羅系地層有瓦斯逸出的條件。

        9.2可燃?xì)饽阁w分類

        可燃?xì)饽阁w可分為以下2類。

        1)煤系地層。大量植物殘骸在高溫高壓環(huán)境成煤過程中產(chǎn)生瓦斯,煤層和炭質(zhì)頁巖是可能的氣源。

        2)生油氣地層。大量動植物殘骸在高溫高壓和還原環(huán)境中形成油珠,匯集成油田,同時產(chǎn)生天然氣體,黑色泥巖、黑色頁巖和生物碎屑灰?guī)r都可能形成良好的生油氣巖。

        10白云巖剪漲裂縫涌水、涌砂

        昆明至河口鐵路秀山隧道全長10 km,其出口5 km長地段為震旦系白云巖夾砂巖、頁巖組成的五里箐向斜和里山背斜,褶曲構(gòu)造兩翼發(fā)育3條區(qū)域性大斷層,其中通海斷層為全新活動斷層。在施工期間相繼發(fā)生11次大的涌水、涌沙,日涌水量達(dá)5萬~12萬 m3,最大水壓達(dá)2.3 MPa。11次涌水點(diǎn)均為寬張裂縫,裂縫長數(shù)百 m,多數(shù)寬0.3~1 m,個別達(dá)3 m,產(chǎn)狀直立,走向與隧道走向小角度交匯,近似平行。每次涌砂都達(dá)數(shù)百至數(shù)千 m3,使施工嚴(yán)重受阻。秀山隧道涌水、涌砂情況見圖35。

        (a) PDK35+770處涌水、涌砂

        (b) PDK35+308處坍塌及涌水

        (c) 出口段PDK35+735處寬大裂隙(頂部深度不可測)貫穿掌子面

        Fig.35Large scale water and sand gushing of parallel adit of Xiushan Tunnel

        對于此種裂縫的性質(zhì)和成因,成都理工大學(xué)的研究者判定為剪漲裂縫,是硬質(zhì)巖層在褶曲過程中形成的伴生構(gòu)造,新地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動中繼承老構(gòu)造形成的。其走向大致垂直褶曲軸向,主體走向垂直現(xiàn)代地應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向,通常是在新構(gòu)造運(yùn)動作用和近地表低溫低壓條件下形成的,剪切錯動過程中常伴有明顯的剪漲作用,產(chǎn)生大量的空隙,空隙成群出現(xiàn),貫通性好,匯水面積大;因此,此類剪漲裂縫具有良好的透水和儲水性能,裂縫之間的巖體松散破碎,強(qiáng)度很低,手抓即散,在富水條件下形成水砂流和不斷擴(kuò)大的空腔,威脅隧道圍巖的穩(wěn)定。因?yàn)榧魸q裂縫長距離與隧道平行而無法避開,形成間歇性、突發(fā)性的涌水、涌砂災(zāi)害。這是地質(zhì)新構(gòu)造對隧道工程影響的新類型。

        11隧道巖溶地面沉降

        1)沈陽至丹東客運(yùn)專線于家?guī)X隧道地面塌陷。于家?guī)X隧道全長4.67 km,為單洞雙線隧道。在施工過程中,DK114+300~+700地面為溝谷地段,地面發(fā)生塌陷,威脅村莊和公路的安全,且隧道內(nèi)二次襯砌嚴(yán)重漏水,不得不采取工后封堵加固措施,對工期和投資造成不利影響。圖36為于家?guī)X隧道地面塌陷坑。

        圖36 于家?guī)X隧道地面塌陷坑

        經(jīng)補(bǔ)充勘察和分析,該段工程問題屬于“巖溶地面塌陷”類型的地質(zhì)災(zāi)害,其成因和特征是:①隧道經(jīng)此地段地表為寬緩溝谷地貌,隧道最淺埋深二三十m,沖溝走向與隧道走向大角度斜交,溝中溪流發(fā)育且常年流水,地下水位較淺,有較豐富的地表水和地下水補(bǔ)給,具備地下水作用條件;②溝谷地表有厚3~5 m的第四系松散層覆蓋,巖性為粉質(zhì)黏土,下伏粗圓礫土和角礫土,具備地表塌陷的地質(zhì)條件;③溝谷基巖和隧道圍巖為大理巖,層面和構(gòu)造節(jié)理密集,縱橫交錯發(fā)育,并且有一定的溶蝕特征,局部發(fā)育裂隙型巖溶,巖溶裂隙水發(fā)育,具備發(fā)育巖溶地面塌陷的條件。于家?guī)X隧道巖溶塌陷段地質(zhì)見圖37。

        圖37 于家?guī)X隧道巖溶塌陷段地質(zhì)縱斷面

        上述地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)具備形成巖溶塌陷的地質(zhì)條件,在隧道開挖過程中由于地下排水,造成地表水和地下水下滲流失,產(chǎn)生沖蝕作用,攜帶大批松散物質(zhì)泄流,造成地表塌陷和隧道嚴(yán)重滲水,整治難度較大。

        2)龍巖至廈門鐵路象山隧道地面沉降。該隧道全長15.9 km,為雙線隧道。YDK24+000~+300地段分布三疊系溪口組厚層石灰?guī)r。隧道埋深150~180 m,地表為九龍江北溪上游2條小溪匯合處,形成半封閉低洼地帶。洼地地表覆蓋層為10~50 m厚的第四系松散層,為粉質(zhì)土夾卵石土。隧道未開挖前地下水位接近地表,2007年隧道開挖后地下水大量流失,日涌水量由最初的2萬m3,增加至10萬~20萬m3,地下水位下降20~50 m,水壓由初期的1.4 MPa下降至0.5 MPa左右。隧道大量涌水造成地下水位急劇下降,地表土體產(chǎn)生不均勻沉降,截至2010年3月,地表累計(jì)沉降量達(dá)5~80 cm,造成水泥廠及村鎮(zhèn)房屋搬遷。象山隧道巖溶地面沉降段地質(zhì)縱斷面見圖38,YDK24+158掌子面突水突泥示意圖見圖39。

        圖38 象山隧道巖溶地面沉降段地質(zhì)縱斷面圖(單位:m)

        以上2個工程具備形成巖溶地面沉降的典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件,為研究隧道施工可能引起的環(huán)境問題提供了生動的案例。今后對于類似地段,應(yīng)做出可能發(fā)生地面沉降原因的預(yù)測和分析,提前采取工程措施。

        12含石膏地層隧道襯砌開裂

        山西中南部鐵路大通道南呂梁山隧道全長23.4 km,為單線雙洞隧道,于2013年4月建成開通。2012年施工完成的地段,大約2年后,2014年起,左、右線隧道二次襯砌相當(dāng)長的地段發(fā)生不同程度的開裂(見圖40)。

        圖39 象山隧道YDK24+158掌子面突水突泥斷面圖

        Fig.39Cross-section of water and mud gushing at YDK24+158 in Xiangshan Tunnel

        (a)

        (b)

        (c)

        (d)

        1)開裂情況。經(jīng)全面排查,截至2015年3月,左線二次襯砌共有30處開裂,裂縫累計(jì)長度為 651 m;右線二次襯砌共有54處開裂,裂縫累計(jì)長度為 440 m。開裂地段圍巖以奧陶系膏溶角礫巖和含石膏角礫狀泥灰?guī)r為主(見圖41),占75%~77%,但泥灰?guī)r地段也有多處發(fā)生開裂。裂縫以邊墻水平縱向裂縫和斜向裂縫為主,延伸較長,多位于兩側(cè)水溝蓋頂板以上 1~1.5 m 處,大部分地段左、右邊墻裂縫對稱發(fā)育。拱頂縱、斜向及環(huán)狀裂縫僅個別段落出現(xiàn),分布較少。

        (a) 含石膏角礫狀泥灰?guī)r(鉆孔)

        (b) 膏溶角礫巖(鉆孔)

        (c) 含石膏角礫狀泥灰?guī)r(掌子面)

        (d) 膏溶角礫巖(掌子面)

        2)巖性特征。經(jīng)測定,3種巖性中,泥灰?guī)r強(qiáng)度最高,平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度為21.6 MPa,屬較軟巖;含石膏角礫狀泥灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度為2~14.2 MPa,平均為7.4 MPa,屬軟巖,具有吸水膨脹和浸水崩解的特性,易軟化,自由膨脹率為20%~28%,飽和吸水率為17%~31%,膨脹力為10~20 MPa;膏溶角礫巖自由膨脹率為28%~49%,平均值為29.2%,陽離子交換量為18~156 mmol/kg,蒙脫石含量為4%~12%,平均為6.7%。試驗(yàn)指標(biāo)表明,該3類巖石具有微弱的膨脹性、崩解性和吸水軟化性,但達(dá)不到典型膨脹巖和極軟巖的程度。

        3)地下水特征。施工開挖過程中,圍巖有滲水和滴水的現(xiàn)象,局部地段股狀出水,地下水有弱硫酸鹽侵蝕。全隧道監(jiān)測到的出水量僅為400 m3/d,分布不均勻,其中開裂最嚴(yán)重的地段出水量達(dá)80 m3/d,占全隧水量的20%。據(jù)推測,純膏溶角礫巖地段和分布在向斜軸和斷層附近的泥灰?guī)r地段,地下水量相對較大。

        4)開裂的地質(zhì)原因。①多因素伴生的綜合作用。已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,本地區(qū)中奧陶統(tǒng)馬家溝組和峰峰組含石膏地層,既不是典型的石膏巖,也達(dá)不到強(qiáng)膨脹巖、極軟巖或強(qiáng)腐蝕巖的判定標(biāo)準(zhǔn),不存在大范圍的高壓地下水條件,任何單一地質(zhì)因素都難以造成二次襯砌大范圍開裂,應(yīng)該是膨脹、軟化、溶蝕、侵蝕和局部高水位水壓等多條件地質(zhì)因素復(fù)合綜合作用的結(jié)果。②圍巖作用力方向?yàn)樗椒较???v向裂縫發(fā)育,而拱部開裂的情況很少,表明圍巖作用力方向?yàn)樗椒较颍@可能與地層產(chǎn)狀近水平有關(guān)。③隧道開裂分布的不均勻性。隧道開裂僅發(fā)育在中奧陶統(tǒng)馬家溝組和峰峰組地層分布的地段,開裂程度和巖石中石膏含量及地下水分布有關(guān),有明顯的分段性。④隧道開裂具有滯后性和持續(xù)性。開裂發(fā)生在隧道施工后2年,表明多因素復(fù)合作用需要一定的時間才會顯現(xiàn),而且會持久發(fā)展下去,這對隧道的長期安全使用極為不利。

        5)工程措施要點(diǎn)。①采用有利于抵抗水平壓力和抗腐蝕的隧道初期支護(hù)、二次襯砌結(jié)構(gòu)以及混凝土材料。特別在二次襯砌整治中撤換了素混凝土結(jié)構(gòu),改為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),從目前情況看,效果良好;②做好隧道防排水工作;③對運(yùn)營期間發(fā)生滲漏和腐蝕的隧道,注意查明隧道支護(hù)內(nèi)是否有地下水積存,對積水盡可能排出,并采用具有良好防腐抗?jié)B性能的低熱膨脹水泥封堵,已取得一定的成功經(jīng)驗(yàn)。

        13斷層破碎帶與軟巖層面組合形成圍巖順層性蠕滑變形

        京沈客運(yùn)專線遼西隧道長約13 km,2015年開工建設(shè)。3#斜井工區(qū)DK310+220~+640已開挖和初期支護(hù)地段,在施工中發(fā)生了嚴(yán)重變形,中、上臺階在施工過程中普遍發(fā)生拱部下沉和邊墻收斂變形,初期支護(hù)多處發(fā)生坍塌、環(huán)形開裂、鋼架扭曲、起皮、鼓脹和掉塊等;有2個地段拱部侵限,有1處在地表形成長16 m、寬25 cm的裂縫。

        根據(jù)鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院的專項(xiàng)勘察資料和中鐵十二局的施工資料,筆者認(rèn)為這一變形現(xiàn)象可以定義為斷層破碎帶及其影響帶構(gòu)造面與巖層層面、界面組合形成的順層性蠕滑變形,是人工開挖隧道形成凌空空間引發(fā)的圍巖失穩(wěn)工程地質(zhì)問題。

        13.1地質(zhì)條件和成因分析

        13.1.1斷層破碎帶及其影響帶陡傾結(jié)構(gòu)面的順層性坍滑因素

        該段隧道走向與斷層擠壓破碎帶小角度(5~25°)交匯,交匯點(diǎn)位于DK310+310處,斷層向隧道兩端延伸,幾乎與隧道平行,相距僅二三十 m,隧道全段位于斷層影響帶內(nèi)。

        斷層主破碎帶寬約15 m,巖體破碎呈鱗片狀,可見糜棱巖化和密集劈理,高角度節(jié)理面及摩擦鏡面極為發(fā)育,并有地下水滲流形成串珠狀淋水或滴水,巖石強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面結(jié)合強(qiáng)度都很低。影響帶可見巖層單斜產(chǎn)狀,但構(gòu)造節(jié)理及摩擦鏡面也很發(fā)育,寬達(dá)30~50 m。

        由于斷層走向與隧道走向交角較小(5~25°),在DK310+300~+330段,斷層主要結(jié)構(gòu)面從左向右傾向線路,形成較陡角度(65°)的斜傾順層條件。

        13.1.2巖石層面和巖組界面的順層性滑移因素

        小里程段DK310+220~+300位于該斷層下盤影響帶內(nèi)(見圖42(a)),地層為侏羅系吐呼嚕組以凝灰?guī)r為主的火山巖組(J3t),中厚層夾薄層,層面中等發(fā)育,巖層產(chǎn)狀為傾向80~170°,平均傾角40°(傾角20~55°),從左側(cè)傾向右側(cè)。

        中段DK310+330~+525位于該斷層上盤強(qiáng)烈影響帶和影響帶內(nèi)(見圖42(b)和圖42(c)),地層為侏羅系九佛堂組以泥巖為主的沉積巖組(J3jf),薄層狀為主,夾中厚層粉砂巖和砂巖,層面非常發(fā)育,巖質(zhì)軟弱,且發(fā)育高角度構(gòu)造節(jié)理面及摩擦鏡面,巖石強(qiáng)度和構(gòu)造面、層面的結(jié)合強(qiáng)度也很低,層面總產(chǎn)狀平均傾向150°∠30°,從隧道左側(cè)傾向右側(cè)。

        大里程段DK310+525~+640也處于斷層上盤影響帶內(nèi)(見圖42(d)),情況同中段。但在隧道下部出現(xiàn)J3t凝灰?guī)r地層,J3t 與J3jf地層不整合接觸,界面產(chǎn)狀與層面一致,從隧道左側(cè)傾向右側(cè),傾角為 20~50°。

        13.1.3隧道開挖致滑因素

        如上所述,該段斷層以高角度從左側(cè)傾向右側(cè),地層以緩角度從左側(cè)斜傾向右側(cè),都具備順層的變形條件,由于巖體破碎,巖石強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面、層面結(jié)合強(qiáng)度都很低,加之地下水滲流的軟化和潤滑作用,一旦隧道開挖形成凌空面,極易向下滑移變形。由于客運(yùn)專線隧道跨度較大,開挖對圍巖穩(wěn)定的影響更顯突出。

        (a) 隧道位于主干斷層下盤凝灰?guī)r地層(J3t)中

        (b) 與斷層相交,隧道處于斷層破碎帶內(nèi)

        (c) 隧道位于主干斷層上盤泥巖地層(J3jf)中

        (d) 隧道位于主干斷層上盤泥巖與凝灰?guī)r界面位置

        圖42遼西隧道3#斜井工區(qū)DK310+200~+640代表性地質(zhì)橫剖面示意圖

        Fig.42Typical geological profiles of DK310+200~+640 of inclined shaft No.3 of Liaoxi Tunnel

        13.2變形特征

        1)分段性。根據(jù)施工開挖情況,全段變形可劃分為6段,從小里程起依次為:輕度變形段、最嚴(yán)重變形段、嚴(yán)重變形段、中度變形段、嚴(yán)重變形段和超前注漿試驗(yàn)段(見圖43)。

        本段的起點(diǎn)DK310+220和終點(diǎn)DK310+690僅是(截至2016年3月)的掌子面施工位置,繼續(xù)向兩端施工,推測大里程沈陽方向地質(zhì)條件仍同第5段,具備較嚴(yán)重的順層變形條件,應(yīng)繼續(xù)采取超前預(yù)注漿措施。小里程北京方向,巖性為凝灰?guī)r組,雖也存在斜順層條件,但巖體穩(wěn)定性相對較好,可不采取超前預(yù)注漿措施。

        2)拱部變形為主。收斂變形和滑移下沉主要發(fā)生在中、上臺階頂部和拱部,左、右兩側(cè)都有變形的可能;但變形形態(tài)和變形特征有區(qū)別:左側(cè)以擠壓變形為主,右側(cè)以卸荷變形為主。因此,工程措施要重點(diǎn)針對中、上臺階和拱部,加固措施應(yīng)上下不同,左右有別。

        3)蠕滑性質(zhì)。由于隧道埋深較淺,上覆巖層較薄,山體重力造成的下滑推力不是很大,變形基本屬于蠕滑狀態(tài)。但地面發(fā)生裂縫的地段恰處于斷層主破碎帶變形最嚴(yán)重的地段,表明已產(chǎn)生較大的通天下滑位移,其長期穩(wěn)定性還要進(jìn)一步評估。對其他已發(fā)生變形的地段,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測,判別其長期穩(wěn)定性是否可靠。

        13.3工程措施建議

        1)從注漿試驗(yàn)段的開挖情況看,超前預(yù)注漿所注入的漿液沿節(jié)理面和層面擠入,實(shí)測拱部下沉和邊墻收斂大為減小,填充和加固效果明顯,注漿對固化裂縫、增加層面結(jié)合力和加強(qiáng)巖體完整性有良好的作用。大里程沈陽方向有必要繼續(xù)采取超前預(yù)注漿措施,包括前方淺埋地段。

        2)對巖體特別破碎,層面特別發(fā)育,有可能繼續(xù)發(fā)展產(chǎn)生較大位移和塌方的地段,應(yīng)考慮增加側(cè)向抗滑的措施。

        3)一般地段僅靠超前預(yù)注漿還不能徹底解決變形問題,應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

        4)加強(qiáng)監(jiān)測,防止在隧道較長地段形成較大規(guī)模的順層滑塌。

        14新第三系粉質(zhì)黏土巖(土)垂直節(jié)理坍塌變形

        呂臨鐵路楊家?guī)X1號隧道和楊家?guī)X2號隧道均通過新第三系粉質(zhì)黏土巖(土)地層,總長2.8 km。該地層為棕紅色、半堅(jiān)硬,因受地質(zhì)構(gòu)造的作用,垂直節(jié)理特別發(fā)育,局部可見小斷層,節(jié)理面直立,且構(gòu)造節(jié)理走向與隧道平行,存在圍巖失穩(wěn)的地質(zhì)條件。

        分段序號①(DK310+220~+300)②(DK310+300~+330)③(DK310+330~+400)④(DK310+400~+525)⑤(DK310+525~+600)⑥(DK310+600~+640)變形程度輕度最嚴(yán)重嚴(yán)重中度嚴(yán)重嚴(yán)重輕度地質(zhì)分段斷層下盤影響帶主斷層斷層上盤強(qiáng)烈影響帶斷層上盤影響帶斷層上盤影響帶與巖組界面組合段巖性凝灰?guī)r斷層巖泥巖、泥質(zhì)砂巖泥巖、泥質(zhì)砂巖上部泥質(zhì)砂巖,下部凝灰?guī)r巖組J3t吐呼嚕組混雜J3jf九佛堂組J3jf九佛堂組上部J3jf九佛堂組,下部J3t吐呼嚕組構(gòu)造單斜,中厚層,節(jié)理發(fā)育擠壓破碎單斜,中薄層,擠壓構(gòu)造發(fā)育單斜,中薄層,擠壓構(gòu)造較發(fā)育單斜,中薄層,擠壓構(gòu)造發(fā)育產(chǎn)狀巖層80°∠40°、走向350°、斜傾115°∠65°巖層150°∠40°,層面斜傾向線路巖層150°∠25~35°、走向NE60°、層面斜傾向線位超前預(yù)注漿段拱頂下沉/mm<200650133~67590~13390~30047080左拱下沉/mm896186~22318047046976右拱下沉/mm71280559132收斂/mm<10053~30516890~11588~152120~40229侵限有有(355~400)無有(552~580侵限350)無環(huán)形裂縫有有,+355左側(cè)坍塌無有無地下水串珠狀滴水串珠狀滴水串珠狀淋水串珠狀滴水、小股狀滲流水滴水無

        圖43遼西隧道3#斜井工區(qū)DK310+220~+640圍巖變形段隧道底板高程處地質(zhì)構(gòu)造平面示意圖

        Fig.43Lithology and tunnel deformation from DK310+220 to DK310+640 section of Liaoxi Tunnel

        因巖層比較堅(jiān)硬,原設(shè)計(jì)為Ⅳ級圍巖,未設(shè)鋼架支護(hù),噴混凝土厚度為10 cm,滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的要求。但隧道開挖后,頻繁發(fā)生掉塊、片幫、剝落和坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象,嚴(yán)重影響隧道施工和運(yùn)營的安全。不得不變更設(shè)計(jì),采取增加噴混凝土厚度(C25,厚度為18 cm)、增加拱頂和邊墻錨桿及架設(shè)格柵拱架等多項(xiàng)加強(qiáng)初期支護(hù)的措施,才控制住圍巖變形的發(fā)展。

        圍巖變形的原因主要是由于構(gòu)造節(jié)理發(fā)育和地表水滲流,使圍巖的完整性被破壞,圍巖壓力分布不均,節(jié)理密集和有水部位等薄弱地段圍巖壓力增大,同時地表地形右高左低,總體看還存在偏壓條件。

        為了驗(yàn)證對地質(zhì)成因認(rèn)識的正確性和采取加強(qiáng)初期支護(hù)措施的必要性,在施工中選擇了2個斷面,開展圍巖應(yīng)力、初期支護(hù)應(yīng)力和鋼架應(yīng)力現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)研究,查明了隧道全環(huán)圍巖壓力的數(shù)值、分布特征和最大壓力的部位,同時實(shí)測了初期支護(hù)錨噴混凝土和鋼架的受力,確定其左、右不對稱的受力情況(見圖44),為設(shè)計(jì)變更和實(shí)施方案評價提供了實(shí)測數(shù)據(jù)和依據(jù)。

        15石英砂巖斷裂密集破碎帶突水涌砂

        新建懷邵鐵路巖鷹鞍隧道目前正在施工。2016年1月4日蠟犁坪斜井工區(qū)施工進(jìn)入F4斷層影響帶,掌子面推進(jìn)至DK87+998處時,在線路左側(cè)起拱線位置突然發(fā)生涌水涌砂,涌水口面積約為0.8 m2,涌出物為石英質(zhì)細(xì)砂夾石英巖巖塊。自2016年1月4日至5月20日,涌水始終未間斷,平均每天涌水量為3 600 m3,累計(jì)涌水量為47.9萬m3。截至2016年5月底,日涌水量約為3 200 m3。經(jīng)過連續(xù)監(jiān)測,靜水壓力保持在0.6 MPa左右。涌砂時斷時續(xù),含砂量時大時小,日涌砂量為1 450~3 100 m3,截至2016年5月20日,累計(jì)涌砂約為1.65萬m3。

        突水涌砂發(fā)生后,設(shè)計(jì)和施工單位立即進(jìn)行補(bǔ)充地面地質(zhì)調(diào)查、隧道內(nèi)掌子面水平鉆探、洞內(nèi)外水文觀測和圍巖變形監(jiān)測等工作,分析發(fā)生突水涌砂的地質(zhì)原因,提出整治方案,并進(jìn)行整治。

        根據(jù)設(shè)計(jì)和施工單位的匯報(bào)材料,對巖鷹鞍隧道F4斷層突水涌砂的特征和成因,提出以下看法。

        (a) DK27+868斷面圍巖應(yīng)力分布

        (b) DK27+868斷面初期支護(hù)噴混凝土應(yīng)力分布(外側(cè)為壓力,內(nèi)側(cè)為拉力)

        (c) DK27+868斷面鋼架應(yīng)力分布(外側(cè)為壓力,內(nèi)側(cè)為拉力)

        圖44呂臨鐵路隧道圍巖壓力及初期支護(hù)內(nèi)力實(shí)測試驗(yàn)情況(單位:MPa)

        Fig.44Experimental results of tunnel surrounding rock pressure and primary support stress in Lyuliang-Linxian Railway(MPa)

        15.1F4斷層雖然不是區(qū)域性主干斷層,但規(guī)模大

        F4斷層發(fā)育在泥盆系跳馬澗組石英砂巖地層內(nèi),不是2種時代不同的地層的接觸面,而是單一的石英砂巖,這表明斷層級別較低。經(jīng)設(shè)計(jì)單位進(jìn)一步勘察,其斷層破碎帶及影響帶寬度可能達(dá)到350 m(DK87+650~DK88+000)。而與其相鄰270 m的F3斷層破碎帶加影響帶寬度僅為120 m(DK87+300~+420)。F3斷層是2個地質(zhì)年代地層(泥盆系與志留系)相接觸的區(qū)域性大斷層,其斷距比F4斷層大得多,但F3斷層破碎帶的寬度較小。

        這可能是湖南省西部地區(qū)硬質(zhì)巖和較硬巖發(fā)育“順層”斷裂構(gòu)造的特征,同時代的地層順層面發(fā)生層間相對位移和錯動構(gòu)造十分發(fā)育。例如F4斷層具有“先逆沖,后正斷”多期活動的特點(diǎn),應(yīng)是斷層破碎又松散富水的構(gòu)造成因。由于缺少地層位移標(biāo)志,這種斷層不易鑒別,容易被“漏判”或“輕判”。前文滬昆客專半山隧道,就曾在施工中發(fā)生過較大規(guī)模的塌方,其地質(zhì)成因就是“順層節(jié)理密集帶”所致,因此應(yīng)引起重視。建議向地質(zhì)區(qū)測部門了解當(dāng)?shù)厥欠癜l(fā)育較大規(guī)模的“順層斷裂構(gòu)造”。必要時,開展技術(shù)合作,分析“順層斷裂構(gòu)造”的特征、成因和分布規(guī)律,研究此類地質(zhì)條件的特殊性和工程對策。

        15.2堅(jiān)硬的石英砂巖也可能形成“構(gòu)造破碎—風(fēng)化深槽”

        石英砂巖是一種硬質(zhì)巖,其工程性質(zhì)和穩(wěn)定性主要取決于膠結(jié)物成分。巖鷹鞍隧道的石英砂巖為鈣質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié),穩(wěn)定性不是很高,在構(gòu)造應(yīng)力、地下水和風(fēng)化的綜合作用下,易形成石英質(zhì)細(xì)砂松散體包裹石英砂巖巖塊和巖條的混雜結(jié)構(gòu),一經(jīng)擾動即成“流砂夾碎、塊石狀”。經(jīng)測定,F(xiàn)4斷層上盤破碎帶內(nèi)較完整的巖塊與砂粒松散體的比例為20%~50%,破碎帶以松散砂土為主,軟硬相間。在宏觀上,斷層破碎帶形成寬350 m、深400多m的“構(gòu)造破碎—風(fēng)化深槽”,成為地下水的良好通道和儲存空間,為突水涌砂提供了水和固體物質(zhì)的來源。

        15.3F4斷層破碎帶具備發(fā)生較大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害的條件,保住巖盤很重要

        F4斷層為陡傾角斷層(傾角70~78°),所形成的斷裂密集破碎帶和風(fēng)化深槽,其走向與隧道走向及3條平行排列的沖溝大角度相交(51~64°),且隧道高程比沖溝高程低100~300 m,F(xiàn)4斷層成為連通隧道與地表山坡及3條沖溝的地下水通道,山頂、山坡和沖溝的地表水、地下水都可能下滲補(bǔ)給隧道。據(jù)測定,F(xiàn)4斷層在隧道內(nèi)的涌水與降雨關(guān)系密切,涌水量峰值一般出現(xiàn)在雨后1~2 d,隨著水位的上升,水壓可能增大。隧道掌子面前方較完整的巖盤一旦遭到破壞,流砂涌出,就可能發(fā)生災(zāi)難性的突水涌砂。該隧道施工中F4斷層在DK87+998處保留了4~6 m厚的巖盤,并及時停止爆破開挖施工作業(yè),從而避免了一次大的地質(zhì)災(zāi)害。

        小里程前方F4斷層下盤及影響帶和F3斷層及影響帶具有相似的地質(zhì)條件,一旦水壓升高就可能發(fā)生突水涌砂災(zāi)害,隧道施工中必須做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào),找準(zhǔn)斷層破碎地段,保護(hù)巖盤,進(jìn)行超前預(yù)加固。特別是確認(rèn)主干斷層F3的破碎富水程度及水壓情況至關(guān)重要。

        15.4設(shè)計(jì)單位提出采取“泄水洞—超前長管棚帷幕注漿—迂回導(dǎo)坑”的方案可行

        1)增設(shè)永久性泄水洞可以達(dá)到降低和控制水壓的目的,確保隧道在低水壓條件下進(jìn)行注漿作業(yè),同時有利于運(yùn)營期間隧道的安全;采取長管棚帷幕注漿可實(shí)現(xiàn)超前預(yù)加固和地下水的封閉;迂回導(dǎo)坑可加快整治進(jìn)度,有利于工期控制。

        2)由于F4斷層破碎帶具有軟硬相間的復(fù)雜結(jié)構(gòu),不太適合采用水平旋噴樁方案。

        3)要保護(hù)掌子面巖盤,在穩(wěn)固巖盤的基礎(chǔ)上,實(shí)施超前預(yù)加固,這是防止發(fā)生突水涌砂災(zāi)害的前提條件。

        4)為確保泄水洞和迂回導(dǎo)洞在低水壓環(huán)境下開挖,可考慮采取交替作業(yè)方案。

        5)研究利用長管棚“超前探測圍巖軟硬—排水減壓—修定注漿參數(shù)—注漿預(yù)加固”連續(xù)作業(yè)進(jìn)行正洞施工的可行性,減少施工步驟和對破碎帶的干擾,并利用水平鉆孔穿過“硬巖塊”可能起到的支撐作用,實(shí)現(xiàn)快速封堵和穩(wěn)定加固結(jié)構(gòu)的目的。

        6)目前F4斷層上盤斷層破碎帶地段(DK87+920~+998)有7個水平鉆孔探查,地質(zhì)情況明朗;而小里程前方F4斷層下盤和F3斷層破碎帶僅根據(jù)地面物探資料推測,尚需水平鉆探確認(rèn)。

        16討論

        16.1關(guān)于高壓富水巖溶的分類問題

        總結(jié)國內(nèi)近年來隧道建設(shè)的經(jīng)驗(yàn),隧道的高壓富水巖溶問題可以劃分為以下幾類。

        1)緊閉褶曲和斷層組合型。以襄渝鐵路大巴山隧道和宜萬鐵路齊岳山隧道為代表(見圖45),緊閉向斜或背斜褶曲及相伴斷層組合,可溶巖形成眾多突水涌水點(diǎn),雖然暗河系統(tǒng)規(guī)模不是很大,單點(diǎn)突水量不會過大,但出水點(diǎn)多、水量穩(wěn)定,常年總涌水量大。

        (a)襄渝線新大巴山隧道

        (b) 宜萬鐵路齊岳山隧道

        2)封閉單個向斜構(gòu)造型。以渝懷鐵路圓梁山隧道為代表,巖溶管道主要發(fā)育在向斜核部和兩翼層間滑脫構(gòu)造部位,出水點(diǎn)相對集中,水量大而穩(wěn)定,且水壓較大。

        3)巖溶化構(gòu)造裂隙型。以青藏鐵路關(guān)角隧道和精伊霍鐵路北天山隧道為代表,溶洞和暗河不發(fā)育,構(gòu)造裂隙發(fā)育且普遍輕度溶蝕,蓄水性好,水量相對集中突水點(diǎn)不多,但構(gòu)造裂隙普遍淋水,且形成統(tǒng)一地下水位,具有一定水壓。

        4)寬大單斜構(gòu)造型。以馬鹿箐隧道和野三關(guān)隧道為代表,多層厚層可溶巖夾隔水層的緩傾角單斜構(gòu)造,易發(fā)育網(wǎng)絡(luò)化順層巖溶系統(tǒng)和較大規(guī)模的暗河系統(tǒng),與大型儲水洞、腔不利組合部位可發(fā)生大規(guī)模災(zāi)難性的突水事件。

        16.2關(guān)于斷層破碎帶突水涌砂和大變形問題

        前文介紹了4座隧道(白云隧道、秀山隧道、遼西隧道和巖鷹鞍隧道)斷層破碎帶發(fā)生突水涌砂和大變形的特征及地質(zhì)成因,4座隧道斷層破碎帶的特征見表1。這4種與斷層有關(guān)的工程災(zāi)害,在以往的鐵路建設(shè)中并不常見,對發(fā)生塌方、突水涌泥(砂)和大變形的可能性很難做出準(zhǔn)確的預(yù)測,極易發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難事件。針對此類問題,有以下幾點(diǎn)值得注意:

        1)硬質(zhì)巖斷層破碎帶可形成突水、涌砂災(zāi)害。其基本地質(zhì)條件是隧道埋深較大,地下水位較高,地下水量較大,斷層破碎帶較寬,以松散砂粒狀為主的固體物質(zhì)豐富,一旦掌子面完整的“封閉巖盤”被破壞,可即刻形成突發(fā)性突水、涌砂。

        表1 4座隧道斷層破碎帶特征對比

        2)以軟質(zhì)巖為主形成的斷層破碎帶,如果其走向與隧道走向近平行,或小角度相交,可以與巖層層面組合形成“順層結(jié)構(gòu)”,在較長地段發(fā)生順層性偏壓大變形。

        3)緩傾角的逆掩斷層往往是規(guī)模巨大的區(qū)域性大斷裂,在強(qiáng)大的地質(zhì)構(gòu)造力作用下,斷層上盤逆推,破碎帶極其發(fā)育,在軟巖地區(qū)一旦富水,隧道開挖后發(fā)生突水、突泥災(zāi)害在所難免;在硬質(zhì)巖地區(qū),一旦富水也會發(fā)生突水、突砂、突石災(zāi)害,這是值得特別注意的一種災(zāi)害性不良地質(zhì)類型。

        16.3關(guān)于高壓地下水的防治

        隨著深埋長隧道的增多,高水壓問題越顯突出,相關(guān)法規(guī)應(yīng)明確“高水壓”的界定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的承受能力,筆者認(rèn)為“水壓≥1.0 MPa”為高水壓比較合適。對高水壓的防治提出以下技術(shù)原則供參考:

        1)在勘察設(shè)計(jì)階段,對于富水的深埋長隧道要特別重視水壓問題,通過調(diào)查和深鉆孔的實(shí)測,研究地下水位變化、巖層的透水性、主要地下水通道、地下水量和水壓與降雨的關(guān)系、地下水運(yùn)移規(guī)律及絕對年齡等,預(yù)測隧道高程部位可能形成高水壓的地段及主要參數(shù);

        2)在施工階段,在觀測涌水量的同時,進(jìn)行全過程水壓觀測,特別要測出發(fā)生突水、涌水前后水壓的變化;

        3)地下水“靜儲量”多是長期積蓄的“老水”,可在保護(hù)掌子面巖盤的條件下,采取超前水平鉆孔提前排水降壓;

        4)地下水“動儲量”與降雨和匯水范圍有關(guān),可按不同涌水量級別,分別采取“排水減壓”、“堵排結(jié)合”、“以堵為主”和“限量排放”等控制措施[3];

        5)巖溶暗河要查明“全水文地質(zhì)單元”的特征,包括補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)、排泄區(qū)及匯水面積;

        6)對于常年涌水量特別大的巖溶暗河及相連通的巖溶管道,或由于其他原因形成的常年富水量較大的地段,在隧道之外設(shè)泄水洞,控制水壓;

        7)對地下水環(huán)境敏感的地區(qū),可在深部隧道排水的同時,研究在地表實(shí)施“淺層封堵”改善淺層水文地質(zhì)條件的可行性。

        16.4關(guān)于高位選線

        新建鐵路實(shí)施高位選線是減少高壓巖溶水害的有效措施??扇軒r分布范圍廣,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的地區(qū),在全面查清可溶巖分布、特性及高程分帶的基礎(chǔ)上,特別是查清地下暗河系統(tǒng)與地表溶蝕洼地的相互關(guān)系,適當(dāng)“拔高”線路高程,使隧道盡可能走行于巖溶垂直發(fā)育帶,盡量規(guī)避暗河和高壓巖溶水發(fā)育的水平徑流帶,已成為鐵路選線的重要技術(shù)原則。值得注意的是“拔高”線路高程,可能會增加高橋、短隧道群和高陡路基工程的不良地質(zhì)問題,因此,在研究線路方案時應(yīng)兼顧利弊。

        16.5關(guān)于大變形及大變形分級標(biāo)準(zhǔn)

        大變形的概念是相對鐵路隧道開挖斷面的最大直徑而言的。以隧道分別對應(yīng)開挖斷面徑跨8~15 m計(jì),分別對應(yīng)開挖斷面拱頂下沉和邊墻收斂超過8~15 cm和10~20 cm,屬于大變形的范疇。

        為了更準(zhǔn)確地分析和評價大變形的程度,以便采取相應(yīng)的工程措施,中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院總結(jié)蘭渝鐵路的經(jīng)驗(yàn),提出了軟巖隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

        表2 軟巖隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)

        注:圍巖相對變形量是指洞壁位移量與洞徑的比值,%;Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;σ1為最大主應(yīng)力,MPa。

        筆者認(rèn)為,這個分級是以巖石強(qiáng)度和圍巖相對變形量為基本因素。在勘察設(shè)計(jì)階段,其判別標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)在區(qū)別是以大域構(gòu)造地應(yīng)力為主還是以小區(qū)域山體重力為主的前提下,同時考慮圍巖強(qiáng)度、地層產(chǎn)狀、地下水和層面結(jié)構(gòu)因素,進(jìn)行綜合判別。

        16.6關(guān)于擠壓大變形和卸荷大變形

        擠壓變形和卸荷變形的表現(xiàn)形式都是隧道圍巖向內(nèi)收斂,但其形成機(jī)制和防治措施不同:擠壓大變形是由地應(yīng)力作用引起的,變形有蠕變和流變特征,作用力大,持續(xù)時間長,作用力一般以水平方向?yàn)橹鳎乐蔚拇胧┲饕沁m當(dāng)擴(kuò)大開挖斷面,超挖預(yù)留變形空間和適時增加支護(hù)強(qiáng)度;卸荷大變形主要是巖體松弛解體后,在重力作用下滑動位移的坍塌,防治措施主要是預(yù)加固。2種變形都與地下水有密切關(guān)系。在隧道設(shè)計(jì)和施工中,應(yīng)分別分析2種變形的形成條件,做出準(zhǔn)確評價和判別。

        16.7關(guān)于隧道順層偏壓構(gòu)造的危害

        無論是斷裂構(gòu)造、巖脈,還是層狀沉積巖層,當(dāng)其走向與隧道走向相近似,或與隧道走向小角度斜交時,不論傾角陡緩,都對隧道圍巖的穩(wěn)定性極為不利,特別是雙線單洞客運(yùn)專線鐵路,隧道橫向跨度大,對其穩(wěn)定性更為不利。其中層狀巖層的層間節(jié)理密集帶,因標(biāo)志不明顯,不易被發(fā)現(xiàn),一旦在隧道較長地段形成順層偏壓狀態(tài),極有可能發(fā)生牽引式大塌方,而且多為關(guān)門式塌方,對施工安全威脅極大。因此,在勘察選線階段,應(yīng)特別注意線路走向,規(guī)避順層地段;當(dāng)無法避開時,應(yīng)詳細(xì)查清順層特征,并進(jìn)行穩(wěn)定性評價;在施工過程中,加強(qiáng)對掌子面的觀察和素描,判斷是否存在長大地段順層問題,以及早采取預(yù)加固措施。

        16.8關(guān)于5種圍巖變形失穩(wěn)類型的特征對比[10]

        隧道施工中5種圍巖變形失穩(wěn)的特征和地質(zhì)成因既有共性,又有不同。共性是變形的最基本因素均是軟弱破碎巖性和結(jié)構(gòu)面在外力作用下失去平衡;不同之處是巖性、軟弱結(jié)構(gòu)面的成因、變形失穩(wěn)特征及作用力機(jī)制又各有特點(diǎn)和不同的表現(xiàn)形式,因此,工程對策也有一定的區(qū)別。為了加深對這5種圍巖變形失穩(wěn)問題的認(rèn)識,列表進(jìn)行對比(見表3)。

        16.9關(guān)于隧道圍巖壓力現(xiàn)場實(shí)測

        前文呂臨鐵路隧道在現(xiàn)場開展了圍巖壓力的實(shí)測工作,并取得良好的效果,為地質(zhì)分析和工程方案評價提供了依據(jù)。應(yīng)把這項(xiàng)工作規(guī)范化,凡涉及可能發(fā)生大變形的隧道,須明確指出在施工中合理安排預(yù)埋圍巖應(yīng)力測定裝置進(jìn)行有關(guān)應(yīng)力的觀測工作,并保證現(xiàn)場觀測的質(zhì)量,為驗(yàn)證變更設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        16.10關(guān)于巖溶地面塌陷

        隧道通過巖溶和巖溶水發(fā)育地段,開挖時不可避免需要排水。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件具備“土-水-巖溶”組合特征時,往往引發(fā)地面沉降或塌陷。前文所述沈丹鐵路于家?guī)X隧道埋深僅20余 m,地表覆蓋土層厚為3~5 m;龍廈鐵路象山隧道埋深150~180 m,地表覆蓋土層厚為10~50 m;京廣鐵路局部取直改建大瑤山隧道埋深 450 m,地表覆蓋土層厚為10~20 m。3座隧道無論位于北方還是南方,埋深大小相差很大,但都具有地表土層覆蓋、地下水位較高、水量較大和基巖巖溶發(fā)育的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)叵滤徊▌訒r,均發(fā)生了比較嚴(yán)重的地面塌陷,造成地表村鎮(zhèn)居民用水枯竭和房屋開裂等不良后果。不僅造成巨額賠償,而且給居民生活帶來極大困難。近年來,鐵路隧道施工排水引發(fā)的災(zāi)害和環(huán)境問題,已成為非常棘手的工程問題。

        表3 鐵路隧道施工中圍巖變形失穩(wěn)類型對比[10]

        大瑤山隧道全長14 km,1988年建成開通運(yùn)營。1986年施工通過斑谷坳灰?guī)r槽谷地段時,隧道內(nèi)發(fā)生較大突水,地面形成大面積塌陷,地下水位下降,泉水?dāng)嗔?,?yán)重影響了地表居民的生活。在施工期間和開通運(yùn)營后,一直不斷地采取地表、地下封堵和隧道增加排水導(dǎo)洞等堵、排結(jié)合措施,取得一定的效果。加之自然界有一定的“封堵自愈能力”,在開通運(yùn)營6年后,地下水位抬升,泉水復(fù)流,塌陷停止發(fā)展,水文地質(zhì)條件得以恢復(fù)。這表明,在人工措施的“干預(yù)”下,只要采取合理的工程措施,水文地質(zhì)條件有可能向良性方向發(fā)展。

        建議在相關(guān)技術(shù)和法規(guī)中,明確提出要求,凡巖溶地區(qū)必須開展巖溶地面塌陷的專項(xiàng)地質(zhì)勘察、評估和工程處理措施的設(shè)計(jì)工作,通過針對性的技術(shù)方案,促進(jìn)其水文地質(zhì)條件向良性發(fā)展,使水文地質(zhì)條件得到一定程度的恢復(fù)。例如:采取地面注漿封堵方案時,注漿孔的深度不必過深(直到隧道高程),只要找準(zhǔn)巖溶水主要通道,通過在中、淺部注漿,促進(jìn)自然界從地下水“暢流”向“阻流”發(fā)展,經(jīng)過一定時間的“自然沉積”和不斷擴(kuò)大封堵范圍,起到改善水文地質(zhì)條件的作用。

        16.11Q2老黃土和N2黏土層垂直節(jié)理滲水崩塌

        前文介紹的赤錦鐵路燒鍋地隧道和呂臨鐵路2座隧道,分別存在通過Q2老黃土和N2粉質(zhì)黏土?xí)r發(fā)生崩塌的問題。其地質(zhì)成因有共性,即干硬土層垂直節(jié)理發(fā)育,雨季時降水大量滲入,形成密集、直立和軟弱的“過濕帶”,使土層形成網(wǎng)格狀的“硬夾軟”不穩(wěn)結(jié)構(gòu),當(dāng)隧道開挖形成臨空面,可能發(fā)生“折斷式”變形。一旦隧道附近存在斜傾一定角度和富水的土石界面時,就可能形成一定規(guī)模的崩滑式變形,這是一種值得注意的地質(zhì)災(zāi)害類型。

        16.12新第三系(N2)弱膠結(jié)地層特性

        蘭渝鐵路桃樹坪、桐麻嶺、哈達(dá)鋪3座隧道和牡綏鐵路雙豐隧道,都通過新第三系(N2)砂層或粉質(zhì)黏土層,成巖程度極差,膠結(jié)極其微弱,一旦遇水即刻泥化、崩解,形成“流砂”或“流泥”狀,工程性質(zhì)極其惡劣,鐵路選線及高程選定應(yīng)盡量規(guī)避通過這類地層,無法繞避必須通過時應(yīng)按Ⅵ級圍巖實(shí)施超前預(yù)加固。

        16.13關(guān)于石膏地層隧道襯砌開裂

        按地球化學(xué)原理,埋深大于150 m(有資料定為300 m)的石膏礦物呈無水硬石膏狀態(tài),到淺層即轉(zhuǎn)化為石膏(含水分子),體積膨脹61%,強(qiáng)度大幅度降低,同時還會產(chǎn)生較大的膨脹力,這一轉(zhuǎn)化過程是石膏地層成災(zāi)機(jī)制之一。建議研究深層石膏地層開挖、卸荷和吸水后,是否有硬石膏轉(zhuǎn)化為石膏的膨脹、軟化過程以及同時產(chǎn)生的致災(zāi)因素。

        16.14關(guān)于非煤系地層的可燃?xì)鈫栴}

        隧道通過煤系地層有可燃?xì)鈫栴}好理解,但老石山隧道和炮臺山隧道并未直接穿過煤層也發(fā)生可燃?xì)馊紵捅ǖ膯栴},這增加了問題的復(fù)雜性。經(jīng)石油天燃?xì)獠块T確定,老石山隧道天然氣來源于深部志留系黑色頁巖,因此可稱為“頁巖氣”,砂巖、石灰?guī)r為儲氣層,且可沿龍泉寺斷裂向上運(yùn)移至隧道內(nèi)溢出。炮臺山隧道瓦斯來源于隧道正下3 000 m深的須家河組煤系地層。2個隧道的地質(zhì)構(gòu)造具有共性:生氣層位于隧道之下深部,有裂隙發(fā)育的砂巖或灰?guī)r為儲氣層,有斷裂構(gòu)造提供運(yùn)移通道,上部有背斜式穹隆構(gòu)造封閉,凡具備這些條件的工點(diǎn)均應(yīng)引起高度重視。

        17體會和建議

        17.1關(guān)于“依法合規(guī)”性

        參加安全大檢查和事故調(diào)查,分析事故原因和確定事故責(zé)任的主要依據(jù)就是檢查地質(zhì)工作及成果資料是否符合技術(shù)法規(guī)、設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程及有關(guān)審批文件的要求。與一般資料審查評定不同,事故調(diào)查不是評定地質(zhì)工作好壞及水平高低,而是檢查地質(zhì)工作是否滿足規(guī)范的基本要求,如技術(shù)原則、工作內(nèi)容、技術(shù)方法、工作量、工作精度及成果資料等是否符合規(guī)范和規(guī)程的相關(guān)要求,是對相關(guān)工作是否達(dá)到“技術(shù)底線”或是否“及格”的衡量。因此,設(shè)計(jì)院在開展地質(zhì)工作中,務(wù)必要認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究規(guī)范的要求,經(jīng)常對照規(guī)范,檢查自己的工作,避免出現(xiàn)“違規(guī)”和“漏規(guī)”的問題,一旦發(fā)生工程事故,確保能經(jīng)受住按規(guī)范和規(guī)程逐條逐句的檢查。

        例如,在南廣線白云隧道塌方、突水、突泥事故調(diào)查中,針對羅東斷層只進(jìn)行了1個鉆孔勘探是否違規(guī)的問題,調(diào)查組產(chǎn)生了不同意見。筆者認(rèn)為,由2條逆掩斷層組成的大斷裂帶只進(jìn)行1個鉆孔鉆探肯定是不足的,如有2個以上鉆孔能準(zhǔn)確控制斷層產(chǎn)狀為優(yōu),這是從評價地質(zhì)資料質(zhì)量角度考慮的。從分析事故責(zé)任角度出發(fā),塌方事故發(fā)生在斷層下盤邊界,附近有1個鉆孔控制,這就不能說違規(guī)缺少鉆探。地質(zhì)資料通過地質(zhì)調(diào)查確定羅東斷層由2條支斷層組成,在施工圖上標(biāo)注了斷層位置、產(chǎn)狀和分布地段,分析了斷層的破碎及富水特征,所確定的圍巖級別合理,這滿足規(guī)范“底線”的要求,盡管只鉆探1個孔,但最終成果未出現(xiàn)大的誤判,因此不能算違規(guī),不是造成事故發(fā)生的直接原因,應(yīng)屬于“可以做得更好”的范疇。

        另從字面上檢查,《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[8]中有“重點(diǎn)地質(zhì)復(fù)雜地段,包括斷層,應(yīng)有鉆孔控制”的要求,而對于鉆孔數(shù)量沒有具體要求,也不可能提出具體要求,可由勘探單位根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

        從一般要求看,《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》4.3.8條規(guī)定:“埋深小于100 m的較淺隧道或洞身段河谷較發(fā)育的隧道,勘探點(diǎn)間距不宜大于500 m”,“斷層應(yīng)有勘探點(diǎn)控制”。經(jīng)查,白云隧道埋深小于100 m段約1.2 km,共完成鉆孔6個,利用鉆孔1個,鉆孔平均間距為170 m,總體符合規(guī)范要求。

        《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》4.3.4條規(guī)定:“地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道,應(yīng)做好隧道地質(zhì)條件的宏觀控制,提出應(yīng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和段落”。經(jīng)查,施工圖中標(biāo)明了進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地段和方法的要求,包括塌方地段,均按設(shè)計(jì)進(jìn)行了超前水平鉆探和物探等工作。

        此次事故的結(jié)論是地質(zhì)工作沒有違規(guī)問題,沒有預(yù)測到會發(fā)生大規(guī)模突泥災(zāi)害屬于認(rèn)識水平的問題。

        17.2關(guān)于地質(zhì)不確定性

        隧道工程發(fā)生工程災(zāi)難和大的設(shè)計(jì)變更的地質(zhì)原因與地質(zhì)不確定性有關(guān),對“地質(zhì)不確定性”應(yīng)有具體分析。一般情況是,按當(dāng)前技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)要求,能確定的常規(guī)地質(zhì)問題未查明,由此造成的不確定性應(yīng)屬于不合理和不應(yīng)該的,是可以避免的,不能強(qiáng)調(diào)客觀而推卸責(zé)任;另一種情況是,由于地質(zhì)問題的復(fù)雜性、隱蔽性和動態(tài)發(fā)展的特性,對有些地質(zhì)問題難于認(rèn)識到位,所出現(xiàn)的誤判和漏判是在所難免的,情有可原。這種合理的不確定性有以下3種具體情況:

        1)基本定性正確,無漏判,但定量細(xì)節(jié)與實(shí)際有不同程度的差異,難以完全避免;

        2)由于地區(qū)性特性或工程規(guī)模等因素出現(xiàn)無實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的新問題,通過一定時期的工程實(shí)踐和總結(jié),可以摸索出確定的方法,如軟弱圍巖的變形問題;

        3)對于一些過于復(fù)雜和隨機(jī)性很強(qiáng)的多因素組合成因類問題,限于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平和勘探手段,目前僅能從宏觀角度做出多種可能性預(yù)測,不可能準(zhǔn)確預(yù)測,如巖溶高壓水和極特殊地質(zhì)因素造成的大規(guī)模塌方等問題,雖然地質(zhì)工作滿足規(guī)范要求,但難以完全避免重大傷亡事故和重大設(shè)計(jì)變更事件的發(fā)生,應(yīng)屬于認(rèn)識問題。

        17.3關(guān)于加深地質(zhì)工作和專項(xiàng)地質(zhì)工作

        由于我國工程地質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性,鐵路干線的勘察設(shè)計(jì)工作,在踏勘、初測、定測和補(bǔ)充定測工作階段的基礎(chǔ)上,對地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的鐵路干線的地質(zhì)勘察工作增加“前期地質(zhì)加深工作”和“專項(xiàng)地質(zhì)工作”是十分必要的。

        加深地質(zhì)工作安排在初測前,為線路大方案比選進(jìn)行大范圍的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)選線工作,以航測遙感、綜合物探和地質(zhì)測繪為主要手段,以提供1∶5萬和1∶1萬工程地質(zhì)資料為主要成果,對所有可能的線路方案進(jìn)行工程地質(zhì)條件比選。如西安安康線越秦嶺、內(nèi)昆線越嶺、渝懷線越嶺、蘭新線越沂沭大斷裂帶和宜萬線越嶺等均取得良好的效果。這項(xiàng)工作已正式納入鐵路設(shè)計(jì)程序和文件組成內(nèi)容。

        專項(xiàng)地質(zhì)工作主要安排在初測及后續(xù)階段,主要針對不同地區(qū)的特殊、重大的疑難工程地質(zhì)問題,研究其發(fā)育規(guī)律及解決的工程措施,優(yōu)化線路和工程設(shè)計(jì)方案。如宜萬線的清江區(qū)域地下暗河系統(tǒng)、大瑞線的高地?zé)岙惓^(qū)、蘭渝線軟巖大變形和成蘭線活動性斷裂等。

        這2項(xiàng)工作,雖然加大了鐵路建設(shè)對地質(zhì)工作的投入,但可大幅度提高鐵路地質(zhì)工作的技術(shù)水平,取得重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益,而目前有削弱的趨勢,希望今后繼續(xù)堅(jiān)持和擴(kuò)展。

        17.4關(guān)于工程劣質(zhì)巖

        在條件成熟和有需求時,建議在技術(shù)規(guī)范中引入“工程劣質(zhì)巖”概念,如石膏、膏溶角礫巖、弱膠結(jié)巖、斷層巖、炭質(zhì)巖、蝕變巖、煤層和油氣巖等,明確判別參數(shù)、分級標(biāo)準(zhǔn)和評價內(nèi)容。

        17.5關(guān)于修訂圍巖分級

        大量的工程事實(shí)表明,目前執(zhí)行的隧道圍巖6級分級標(biāo)準(zhǔn),與特殊的工程地質(zhì)類型和工程措施不能完全對應(yīng),影響了地質(zhì)判斷的精確性和工程措施的針對性。建議在目前分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,考慮特殊工程地質(zhì)的特性,如水壓、蝕變、地應(yīng)力、順層、平層、有害氣體及隧道跨度等多種因素,增加“亞級”或“亞類”,并有針對性的工程措施相對應(yīng),以突出強(qiáng)調(diào)需重點(diǎn)防范的地質(zhì)因素。

        17.6關(guān)于納入規(guī)范問題

        本文通過30多座鐵路隧道典型工程實(shí)例,介紹15種類型的疑難工程地質(zhì)問題,這些疑難工程地質(zhì)問題有些是以往不常見但又是可能發(fā)生的,由于工程地質(zhì)因素的復(fù)雜性和多變性,鐵路建設(shè)中不可能完全準(zhǔn)確預(yù)測出可能發(fā)生的災(zāi)害。一旦發(fā)生工程災(zāi)害,就應(yīng)查明原因,從中汲取教訓(xùn),總結(jié)其技術(shù)原則,提高到理論認(rèn)識的高度,并適時納入法規(guī)或指南。建議有關(guān)勘察或設(shè)計(jì)規(guī)范對這些疑難工程地質(zhì)問題進(jìn)行選擇和概括,納入其主要技術(shù)原則,如有需求,可考慮編制《鐵路隧道工程地質(zhì)勘察規(guī)程》。

        18結(jié)束語

        本文原是和鐵路設(shè)計(jì)院地質(zhì)、隧道專業(yè)工程技術(shù)人員進(jìn)行交流和研討的實(shí)際資料。在學(xué)習(xí)和總結(jié)設(shè)計(jì)、施工單位的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,就一些鐵路隧道工程涉及的疑難地質(zhì)問題進(jìn)行分析,提出一些個人的看法。本文探討了一些工程災(zāi)難、事故及巖體力學(xué)等的基礎(chǔ)理論性問題,目的是說明隧道工程地質(zhì)問題的復(fù)雜性、多變性和探索性,公開發(fā)表的動機(jī)是拋磚引玉,引起工程界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注,對今后避免類似事件的發(fā)生提出一些建議。由于作者水平的限制,對工程實(shí)例的分析及提出的觀點(diǎn)難免有錯漏之處,敬請各位學(xué)者、專家和同仁提出并指正。

        19致謝

        本文之所以能夠成文發(fā)表,與許多人的支持和幫助分不開。我的工作單位“中國中鐵股份有限公司(原中國鐵路工程總公司)”,特別是孫德永副總經(jīng)理兼總工,給我創(chuàng)造了諸多學(xué)習(xí)和提高的平臺;原鐵道部(現(xiàn)中國鐵路總公司)建設(shè)司、計(jì)劃司、工程設(shè)計(jì)鑒定中心、工程管理中心、質(zhì)量監(jiān)督總站、建設(shè)項(xiàng)目甲方和設(shè)計(jì)院以及工程局給我提供參加各種技術(shù)研討和現(xiàn)場考查活動的機(jī)會以及相關(guān)設(shè)計(jì)文件和參考資料(由于是內(nèi)部資料,所以未在文中標(biāo)注);文章由中國鐵路總公司工程管理中心張民慶工程師推薦,在編寫過程中得到中鐵二院杜宇本工程師和《隧道建設(shè)》編輯部的大力支持和幫助。在此一并向他們致以誠摯的感謝!

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        [8]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2007.(Ministry of Railways of the People’s Republic of China.Exploration standard of railway engineering geology[S].Beijing:China Railway Publishing House,2007.(in Chinese))

        [9]中華人民共和國鐵道部.鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范:TB 10003—2001[S].北京:中國鐵道出版社,2001.(Ministry of Railways of the People’s Republic of China.Code for design of railway tunnel:TB 10003—2001[S].Beijing:China Railway Publishing House,2001.(in Chinese))

        [10]豐明海,何振寧.鐵路隧道施工中圍巖變形失穩(wěn)工程地質(zhì)問題[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,22(4):677-683.(FENG Minghai,HE Zhenning.Engineering geological problems of deformation and destabilization of surrounding rocks in railway tunnel construction[J].Journal of Engineering Geology,2014,22(4):677-683.(in Chinese))

        Analysis of Geological Problems of Railway Tunnels:Case Study of Typical Tunnels

        HE Zhenning

        (China Railway Group Limited,Beijing 100039,China)

        Abstract:Fifteen kinds of engineering geological problems,i.e.high-pressure water-rich karst,large deformation of soft rock,large deformation of archaean metamorphic hard rock,collapse and mud burst of alteration and weathered broken rock,large scale mud burst from fracture zone,large scale collapse of layered strata,collapse of mid-pleistocene series old loess,mud and sand inrush from neogene system strata,combustion and explosion of combustible gas in mud rock and shale,sand gushing of shear cracks in dolomite,ground settlement of karst,surrounding rock deformation of anhydrite strata,surrounding rock deformation induced by the interaction of fault fracture zone and soft rock,deformation and collapse induced by vertical joints of neogene system silty clay,and water and sand gushing from fault fracture zone in quartz sandstone,are analyzed by taking more than 30 typical tunnels for examples.The causes and characteristics of the mentioned geological problems are analyzed.Discussion are made on 14 kinds of problems,i.e.classification of high-pressure water-rich karst,water and sand inrush and large deformation of fault fracture zone,countermeasures for high pressure groundwater,line selection,code for large deformation and its classification,squeezing and unloading large deformation,unsymmetrically loaded tunnel,comparison among 5 kinds of surrounding rock instability,field measurement of tunnel surrounding rock pressure,ground collapse of karst,collapse induced by seepage from vertical joint of Q2 old loess and N2 clay,rheology of weakly consolidated N2 strata,lining cracks of tunnel in anhydrite strata and combustible gas from non-coal strata.Six suggestions have been given in terms of construction legality,geological uncertainty,special geology work,bad rocks,revision of surrounding rock classification and code collection.

        Keywords:railway tunnel;engineering geology;engineering example;geological disaster

        收稿日期:2015-12-01

        作者簡介:何振寧(1941—),男,山東濟(jì)南人,1965年畢業(yè)于北京大學(xué),地貌專業(yè),本科,教授級高級工程師,主要從事工程地質(zhì)和巖土工程的勘察與設(shè)計(jì)工作。E-mail:13801273192@163.com。

        DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.002

        中圖分類號:U 45

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號:1672-741X(2016)06-0636-30

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