李 軍

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

1 工程及地質(zhì)概況

中條山隧道埋深為80～680 m，地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線穿越多種不良地層，隧址區(qū)的地層物理力學(xué)性質(zhì)將直接關(guān)系到隧道的變形特性、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案等。

隧道區(qū)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為斷裂、簡(jiǎn)單的背斜褶皺構(gòu)造及伴隨次生構(gòu)造。其中背斜的軸部位于片麻巖區(qū)，呈北東-南西向走向。

1.1 背斜

薛家?guī)X背斜：屬于中條山西南段隆起帶的褶皺構(gòu)造，與路線大角度交于K8+040，背斜走向大致東西向，為開闊的正常背斜。

1.2 斷層

a）中條山北緣斷裂帶 位于中條山西北坡山腳下，即運(yùn)城盆地與中條山山脈交接部位的邊山地帶，本項(xiàng)目路線涉及到的為桃花洞斷裂（長(zhǎng)7.3 km）斷層面傾向北西，傾角為58°～75°。斷裂帶內(nèi)巖層擠壓明顯。該斷裂在上元古代以前就已經(jīng)存在，在中生代時(shí)期，活動(dòng)強(qiáng)烈；晚新生代以來，斷裂活動(dòng)更為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為中條山強(qiáng)烈抬升，運(yùn)城盆地的強(qiáng)烈下降。路線在K3+150—K5+780段基本位于山前破碎帶邊緣或行走在斷層破碎帶內(nèi)，斷層破碎帶寬度在50～100 m之間，在解陌公路上斷層寬度達(dá)200～300 m。斷層破碎帶內(nèi)涑水群西姚片麻巖由于受構(gòu)造和風(fēng)化作用呈角礫、碎塊狀，嚴(yán)重的呈粉末狀，局部披覆薄層馬蘭組黃土。斷層破碎帶對(duì)隧道工程均有一定影響。

b）F3逆斷層 伴隨背斜構(gòu)造在分水嶺北側(cè)形成的區(qū)域性斷裂構(gòu)造，與路線大角度相交，斷層走向NE70°，傾向 SE170°～160°，傾角 70°～80°。斷層破碎帶寬13 m左右。

c）F1斷層 此斷層是山前大斷裂的次級(jí)構(gòu)造，屬正斷層。并沒有延伸到洞身，對(duì)工程無影響。

d）F2斷層 傾向北東10°左右，傾角54°，該斷層埋深85 m左右，斷距45 m，沒有延伸到洞身。

1.3 產(chǎn)狀

K5+800—K8+040段巖性為涑水群片麻巖、片巖，巖層多傾向北東，傾角一般在25°～40°間。

K8+800—K9+800段，整體上位于薛家?guī)X背斜的南翼，出露的巖性為涑水群片麻巖，巖層產(chǎn)狀整體傾向南東，傾角一般在50°～70°間變化。

K9+800—K13+500段位于薛家?guī)X背斜的南翼，為廣布的變質(zhì)沉積巖區(qū)，整體上為單斜構(gòu)造，巖層傾向南東，傾角一般在20°左右變化。

1.4 節(jié)理

a）根據(jù)構(gòu)造、巖性與節(jié)理發(fā)育的特征及其與路線關(guān)系分段敘述如下。

K5+800—K9+800，巖性為涑水群雜巖，巖性復(fù)雜主要為片麻巖，該段主要有一組走向295～330的近直立節(jié)理，間距0.1～0.2 m，平均6條/m；一組125°～150°∠12°～44°節(jié)理，間距0.3～0.4 m，平均4條/m，；一組31°～54°∠34°～51°節(jié)理，間距0.2～0.3 m，平均6條/m。

K9+800—K13+500，巖性為砂巖、白云巖、灰?guī)r、頁巖、泥灰?guī)r等，該段主要有一組走向305～325近直立的節(jié)理，間距0.3～0.5 m，平均4條/m；一組250°～285°∠37°～54°節(jié)理，間距0.2～0.3 m，平均5條/m，一組走向210～220的近直立節(jié)理，間距0.3～0.5 m，平均3條/m。

b）現(xiàn)對(duì)各個(gè)地層不同巖性結(jié)構(gòu)面（節(jié)理裂隙）特征分述如下。

隧道前半段涑水雜巖受多期構(gòu)造的影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育-較發(fā)育，在強(qiáng)風(fēng)化地層中風(fēng)化裂隙極發(fā)育，呈網(wǎng)狀分布，中、微風(fēng)化基巖中較發(fā)育-發(fā)育，局部少發(fā)育或密集發(fā)育，節(jié)理裂隙分布雜亂，一般發(fā)育密度為4～6條/m，間距0.20～0.30 m，部分裂隙充填方解石、鐵錳質(zhì)等物質(zhì)，以閉合狀為主，張開次之，部分裂隙連續(xù)性較好，節(jié)理走向以283°為主，其次為353°

隧道南端地層為徐莊、張夏組灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，密度為5條/m。主要發(fā)育有兩組節(jié)理，走向分別為290°和50°，傾角分別為60°和75°，裂隙連續(xù)性較好，延伸長(zhǎng)度大，從7～30 m不等，寬度約7 cm，以張開為主，部分裂隙充填方解石細(xì)脈及泥鈣質(zhì)。

徐莊組下部地層為饅頭、毛莊組。巖性以頁巖及竹葉狀灰?guī)r為主，頁巖風(fēng)化強(qiáng)裂，頁理發(fā)育,平均密度達(dá) 15條 /cm；灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育,密度為13條/m，主要發(fā)育有兩組高角度節(jié)理裂隙，傾角分別為70°和76°，走向分別為80°和281°，多為閉合型。主要充填物為鈣質(zhì)充填。

洞身圍巖巖性主要為白云巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,密度為2條/m，以閉合為主，主要發(fā)育有2組節(jié)理，走向分別為290°和12°，傾角分別為62°～80°和70°～75°。節(jié)理連續(xù)性好，主要為方解石脈充填。

石英巖狀砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，密度為4條/m，主要發(fā)育有兩組節(jié)理，走向分別為342°和353°，傾角分別為68°和64°，以閉合型為主，張開次之。部分裂隙連續(xù)性較好，裂隙充填可見多期硅質(zhì)充填切穿早期泥質(zhì)充填。

斜長(zhǎng)片麻巖中節(jié)理裂隙較發(fā)育，密度為10條/m，主要發(fā)育有兩組節(jié)理裂隙，一組走向?yàn)?2°，傾角為64°，延伸長(zhǎng)度為40 cm，寬約2 mm左右；另一組走向?yàn)?82°，傾角為69°，長(zhǎng)度約70 cm，寬約1～3 mm，節(jié)理以張開狀為主，少量呈閉合狀，充填物主要為方解石細(xì)脈，石英細(xì)脈及鐵錳質(zhì)。

隧道進(jìn)口端巖性為片麻狀二長(zhǎng)花崗巖。其節(jié)理裂隙較發(fā)育,密度為8條/m，主要發(fā)育有兩組節(jié)理，一組走向?yàn)?33°，傾角為73°，長(zhǎng)度為52 cm，個(gè)別延伸達(dá)6 m，寬度約1～3 m；另一組走向?yàn)?51°，傾角為71°，長(zhǎng)度從0.2～4.5 m不等，寬度約2～5 mm，節(jié)理以張開為主，部分閉合，可見有鐵錳質(zhì)充填和石英細(xì)脈充填。

2 穿越不良地層及對(duì)策措施

2.1 巖爆及處治措施

本隧道K8+380—K11+880段存在隱含巖爆，巖爆主要有彈射型巖爆、爆炸拋射型巖爆、破裂剝落型巖爆、沖擊地壓型巖爆4種類型。

巖爆多出現(xiàn)彈脆性深埋硬質(zhì)巖層中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比，在中條山隧道深埋段條帶狀花崗混合片麻巖、含黑云母片巖地段可能發(fā)生巖爆，該類巖爆一般發(fā)生在兩側(cè)拱腰、拱腳區(qū)域，多有沉悶的爆落響聲。

發(fā)生巖爆的區(qū)段和時(shí)段主要有以下特征：隧道起拱線與直邊墻相交的兩側(cè)拱腰附近區(qū)域，邊墻兩側(cè)底部左、右拱腳區(qū)域，爆破開挖后巖爆較為集中在0～4 h內(nèi)、爆破開挖后的15～20 h內(nèi)，距離掌子面10 m左右，正值初期支護(hù)施作的時(shí)段，尤其應(yīng)注意巖爆的預(yù)防和觀測(cè)。

式中：Hcr為巖爆的臨界埋深；μ為巖石泊松比；γ為巖體容重；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

巖爆發(fā)生的判斷條件：Rc≥15Rt、Wet≥2.0、σθ≥0.3Rc、Kv≥0.55，

式中：Rc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；Rt為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度；σθ為隧道洞壁最大切向應(yīng)力，σθ=3σ1-σ3；Kv為巖體的完整性系數(shù)，由巖體和巖塊的縱波波速計(jì)算得到。

還可參照表1進(jìn)行分析判斷。

表1 巖爆判據(jù)及分級(jí)表

施工過程中應(yīng)根據(jù)上述判斷條件進(jìn)行綜合評(píng)判，對(duì)可能存在巖爆的區(qū)段實(shí)施有效的預(yù)防、防治措施。

a）巖爆段施工預(yù)案，必須安排觀測(cè)巖爆的值班員24 h進(jìn)行巖爆觀測(cè)、提前成立巖爆發(fā)生后的搶險(xiǎn)小組、技術(shù)部門編制巖爆發(fā)生時(shí)的安全預(yù)案，并開展搶險(xiǎn)的應(yīng)急演練。

b）巖爆段防護(hù)措施：

（a）給施工人員配戴鋼盔、穿防彈背心，主要防止彈射型巖爆傷人。

（b）在可能發(fā)生巖爆的地段，開挖掌子面后及時(shí)向洞壁進(jìn)行高壓水的噴灑，提高圍巖的塑性。

（c）改造施工臺(tái)車，設(shè)立柔性雙層鋼繩防護(hù)網(wǎng)于臺(tái)車的上方及側(cè)面。

（d）預(yù)判巖爆類型及大小，根據(jù)情況在巖爆段洞壁上提前打孔，可以釋放應(yīng)力，可以在爆破中減震。

2.2 隧道軟弱圍巖塌方處治措施

a）由于隧址區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及可能存在隱伏含水體，需要對(duì)隧道全長(zhǎng)采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)并根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合超前地質(zhì)鉆孔加以確認(rèn)，并采取相應(yīng)的輔助工程措施后方可進(jìn)行后續(xù)的施工開挖支護(hù)施作。

b）按照設(shè)計(jì)文件做好超前支護(hù)、初期支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)、二次襯砌緊跟等措施，未經(jīng)上級(jí)技術(shù)部門同意，不得擅自改變施工開挖、支護(hù)方式。

c）在隧道開挖中，突然遇到了較大的涌水及斷層破碎帶時(shí)，必須改變施工工法，調(diào)整初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

d）為了盡量利用圍巖的自承能力，應(yīng)盡可能地采用光面爆破或預(yù)裂爆破；對(duì)于地質(zhì)條件較差段，采用臺(tái)階法分步開挖、支護(hù)方案。

e）隧道進(jìn)、出口段落圍巖條件較差，為了預(yù)防坍塌，必須按照設(shè)計(jì)文件采用超前注漿管棚或超前自進(jìn)式管棚或超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固圍巖。

f）洞口淺埋Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌不得滯后初期支護(hù)，應(yīng)按設(shè)計(jì)文件緊跟初期支護(hù)作業(yè)面施作二次襯砌，Ⅳ級(jí)圍巖需根據(jù)量測(cè)結(jié)果確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)。

g）隧道開挖支護(hù)過程必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件實(shí)施監(jiān)控量測(cè)工作，以便為后續(xù)的施工開挖、支護(hù)作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)，優(yōu)化施工工藝。

2.3 涌水處治預(yù)案

對(duì)于工程地質(zhì)與水文地質(zhì)較復(fù)雜地段，對(duì)涌水發(fā)生的可能要引起十分的重視?？梢越Y(jié)合隧道施工開挖后揭示出來的圍巖情況、地質(zhì)勘察及附近的水文資料、布設(shè)一定數(shù)量的探水鉆孔并結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段綜合判定前方地段是否會(huì)有隱藏的大型含水體。根據(jù)預(yù)判情況，有針對(duì)性地查明前方圍巖地下水的分布狀況及水量大小。結(jié)合隧道內(nèi)涌水量大小、出水點(diǎn)、水壓等各種情況來確定帷幕注漿堵水方案，可以分為全斷面預(yù)注漿堵水和局部預(yù)注漿堵水兩種方式，此外一定要預(yù)備大功率排水機(jī)械，以保證在隧道開挖過程中能將涌水及時(shí)排出。

2.4 溶洞處治預(yù)案

溶洞對(duì)隧道工程的影響主要有洞害、水害、洞穴充填物等方面，針對(duì)溶洞的影響，主要的處理措施有以下幾個(gè)方面。

2.4.1 巖溶水的處理

對(duì)巖溶水來說，它的處理方法是“以疏為主，疏堵結(jié)合”。

2.4.2 巖溶洞穴的處理

a）封閉 對(duì)已經(jīng)不再發(fā)育的無水小溶洞，可以采用低標(biāo)號(hào)混凝土、漿砌片石或干砌片石等進(jìn)行堵塞、填實(shí)，必要的時(shí)候還可以補(bǔ)充注漿加固以防止塌陷或大變形。

b）支頂加固 對(duì)溶洞的支頂加固，通常采用支撐墻、支撐柱以及嵌補(bǔ)等工程措施支頂，同時(shí)對(duì)穿越溶洞的隧道段結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

c）跨越 當(dāng)溶洞規(guī)模較大，可根據(jù)具體條件采用如梁跨、拱跨及板跨等相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行跨越。

d）對(duì)洞穴充填物的處理 當(dāng)隧道穿越洞穴充填物可采取漿砌片石換填、樁基礎(chǔ)及注漿等措施。

2.5 軟弱圍巖大變形處治預(yù)案

2.5.1 改進(jìn)施工工藝

a）調(diào)整光面控制爆破各項(xiàng)爆破參數(shù)實(shí)現(xiàn)弱爆破，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

b）采用短臺(tái)階法施工，使上臺(tái)階開挖斷面高度滿足出渣作業(yè)要求即可。

2.5.2 加強(qiáng)支護(hù)

使用I20b型鋼鋼拱架，鋼架用Φ22鋼筋連接，環(huán)向間距為100 cm，使之成為整體；設(shè)直徑42 mm超前小導(dǎo)管，間距35 cm；設(shè)D25中空注漿錨桿，長(zhǎng)度3.5 m，間距50 cm×100 cm；掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔間距15 cm×15 cm。

3 結(jié)語

公路隧道穿越不良地層時(shí)采取的合理措施是隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全與否的關(guān)鍵。本文是隧道穿越不良地層時(shí)采用合理措施的有益探索，為后期同類工程提供一定的借鑒。