謝勇謀

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

深埋特長(zhǎng)隧道一般穿越的地層、構(gòu)造多，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工中可能產(chǎn)生諸多地質(zhì)病害，如在深埋段由于可能存在高地應(yīng)力，在硬質(zhì)巖中可能發(fā)生巖爆，軟質(zhì)巖中可能發(fā)生大變形，同時(shí)可能穿越儲(chǔ)水構(gòu)造及導(dǎo)水構(gòu)造等，可能發(fā)生大的涌突水現(xiàn)象，另外還可能遇到高地溫、放射性及有害氣體等。因此，深埋長(zhǎng)大隧道的地質(zhì)勘察，既十分重要又往往難度極大，需要根據(jù)隧道工程的具體特點(diǎn)，采用針對(duì)性的綜合勘察方法，并針對(duì)各主要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行綜合性分析評(píng)價(jià)。

在筆者負(fù)責(zé)的省道303線巴朗山隧道工程地質(zhì)勘察中，即針對(duì)巴朗山隧道工程的特點(diǎn)，采用多種技術(shù)手段的綜合工程地質(zhì)勘察方法，抓住隧道工程面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，查明了隧道的各主要工程地質(zhì)問(wèn)題，為工程設(shè)計(jì)及施工提供了科學(xué)依據(jù)。該隧道勘察工作起于2009年底，止于2011年初，并于2016年10月建成通車。該隧道的勘察成果經(jīng)受了施工的檢驗(yàn)，得到了參建各方的肯定，并獲得中國(guó)公路勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)頒發(fā)的2018年度公路交通優(yōu)秀勘察二等獎(jiǎng)。借此通過(guò)對(duì)該隧道綜合工程地質(zhì)勘察的回顧與思考，為其它類似長(zhǎng)大隧道工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

巴朗山隧道為省道303線上的重要控制性工程，位于四川省汶川縣臥龍鎮(zhèn)與小金縣日隆鎮(zhèn)之間，隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)7 960 m ，最大埋深約880 m。工程區(qū)屬深切高山峽谷冰蝕地貌，隧址區(qū)一般山峰高約5 000 m，原省道303線公路通過(guò)埡口處海拔為4 532 m。隧道進(jìn)口海拔約3 853 m，出口海拔約3 855 m，越嶺段地勢(shì)險(xiǎn)峻，氣候惡劣，屬高寒高海拔深埋特長(zhǎng)隧道。隧址區(qū)位于小金弧形構(gòu)造帶東段，該構(gòu)造帶呈東西向展布，由一系列緊密排列的線狀弧形褶皺組成，巖層擠壓強(qiáng)烈，小型層間錯(cuò)動(dòng)破碎帶發(fā)育。

隧址區(qū)基巖為三疊系地層，隧道共穿越T1b(菠茨溝組)、T2z(雜谷腦組)及T3zh(侏倭組)三套地層，巖性均主要為砂巖、板巖互層。巖層傾角大多陡傾，層面傾角一般為60～75 °，巖層走向與隧道軸線大角度相交(>60 °)。

該隧道的地質(zhì)勘察采用了遙感、地質(zhì)調(diào)繪、地球物理勘探、鉆探、綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)試、水文試驗(yàn)、巖土水取樣測(cè)試、水文地質(zhì)專項(xiàng)研究、工程類比等綜合勘察手段，在進(jìn)出口地段布設(shè)淺孔(<100 m)共十余個(gè)，在洞身地段布設(shè)深孔(大于200 m)共4個(gè)，其中大于300 m的深孔共3個(gè)，最深鉆孔406.84 m。通過(guò)綜合工程地質(zhì)勘察方法，查明了場(chǎng)地的主要工程地質(zhì)條件，解決了軟硬互層型圍巖的分級(jí)問(wèn)題，合理評(píng)價(jià)了深埋隧道的巖爆、大變形、涌突水、高地溫及放射性等重要問(wèn)題，為科學(xué)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 綜合勘察方法及主要成果

2.1 遙感及地質(zhì)調(diào)繪

在遙感影像分析的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組不畏通行條件艱難、海拔高、空氣稀薄、氣候異常寒冷，開展了不同階段、不同比例尺的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)繪、巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析、細(xì)部地質(zhì)構(gòu)造研究、不同地層不同巖性所占比例統(tǒng)計(jì)等工作。大量地質(zhì)調(diào)繪基礎(chǔ)資料的獲取，對(duì)于正確分析隧道巖體地質(zhì)特征奠定了重要基礎(chǔ)。

由于隧道地處三大構(gòu)造體系交匯部位，勘察中特別加強(qiáng)了區(qū)域地質(zhì)分析，查明了隧道軸線穿越的構(gòu)造格架，并大力加強(qiáng)對(duì)隧道軸線細(xì)部構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)特征的調(diào)查研究，為圍巖巖體的完整性判斷，圍巖級(jí)別的劃分提供依據(jù)。

2.2 地球物理勘探

在隧道進(jìn)出口斜坡進(jìn)行了高密度電阻率法勘探，并在場(chǎng)地中部具物探測(cè)試條件的地段進(jìn)行EH4大地電磁法?；静槊髁藞?chǎng)地主要巖土體電阻率特征。同時(shí)物探成果揭示了T2z與T3zh地層的界限位置，并顯示T2z巖層在強(qiáng)度及完整性上優(yōu)于T3zh地層。物探工作為后續(xù)地質(zhì)調(diào)繪深化和鉆探工作的布設(shè)及部分構(gòu)造格架邊界條件的確定提供了重要指導(dǎo)。

2.3 鉆探

在進(jìn)出口地段布設(shè)淺孔(<100 m)共十余個(gè)，在洞身地段布設(shè)深孔(大于200 m)共4個(gè)，其中大于300 m的深孔共3個(gè)，其中在夾金山倒轉(zhuǎn)向斜核部附近布設(shè)深孔一個(gè)(406.84 m)，在美興鎮(zhèn)倒轉(zhuǎn)背斜核部附近布設(shè)深孔一個(gè)(306.46 m。并利用鉆孔進(jìn)行綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)試、水文試驗(yàn)、巖土水取樣試驗(yàn)等。

2.4 綜合測(cè)井

在GSZK1及SZK2鉆孔進(jìn)行了地溫、放射性測(cè)試。地溫測(cè)試成果顯示，場(chǎng)地的地溫梯度為2.1 ℃/100m左右，隧道最大深度約900 m，推測(cè)隧道最大埋深段地溫約為21.7 ℃。

通過(guò)放射性測(cè)井發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)自然放射性照射率最低9γ，最高34γ，隧道洞身范圍內(nèi)自然放射性照射率最低為12γ，最高為24γ，一般為17γ，未發(fā)現(xiàn)放射性異常。綜合考慮隧道巖性為砂板巖，未見可能產(chǎn)生高放射性的侵入巖體，因此可以認(rèn)為，隧道場(chǎng)地可不考慮放射性問(wèn)題。

2.5 深孔地應(yīng)力測(cè)試

深孔鉆探過(guò)程中對(duì)GSZK1 (孔深364.47 m)及SZK2 (孔深406.84 m)兩個(gè)鉆孔進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試。測(cè)得最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹5～30W，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹20W，與隧道軸線呈小角度相交。據(jù)地應(yīng)力與深度的關(guān)系，當(dāng)埋深大于335～350 m后，最大與最小水平主應(yīng)力隨深度基本呈線性增大，并得到線性擬合關(guān)系。隧道最大埋深約880 m，巖體自重應(yīng)力σv按上覆巖層重量考慮，σv=2.65×8.8=23.3MPa，據(jù)擬合關(guān)系式，推測(cè)最大水平主應(yīng)力約25.2 MPa，最小水平主應(yīng)力約23.6 MPa。

取T2z地層砂板巖互層的綜合巖性抗壓強(qiáng)度為56.55 MPa進(jìn)行計(jì)算，場(chǎng)地砂板巖綜合強(qiáng)度與地應(yīng)力之比最小為2.24，據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.03，在深埋段隧道圍巖已處于極高地應(yīng)力條件下。在僅考慮自重應(yīng)力情況下，當(dāng)隧道埋深大于305 m時(shí)，自重應(yīng)力σv=2.65×3.05=8.08MPa，此時(shí)砂板巖綜合強(qiáng)度與地應(yīng)力之比為7，根據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比理論，圍巖即已處于高地應(yīng)力條件下。同理，根據(jù)上述思路，簡(jiǎn)單計(jì)算即可得到T3zh、T1b兩套地層分別對(duì)應(yīng)的高地應(yīng)力起始埋深大致約為278 m、237 m。當(dāng)各地層的埋深分別大于上述臨界埋深時(shí)，應(yīng)參照規(guī)范進(jìn)行圍巖BQ值的地應(yīng)力修正。

2.6 水文地質(zhì)專項(xiàng)研究

為解決隧道復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下的的水文地質(zhì)問(wèn)題，開展了水文地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查研究。通過(guò)遙感影像分析、水文地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)水文測(cè)試、室內(nèi)水化學(xué)分析，合理劃分了水文地質(zhì)單元，建立了非可溶巖隧道涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，采用隧道涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系THR指數(shù)對(duì)擬建巴朗山隧道進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并建立巖土體滲流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了隧道總涌水量、分段涌水量及各危險(xiǎn)涌水段落。預(yù)測(cè)隧道正常涌水量為8 677 m3/d，最大涌水量為18 522 m3/d。并預(yù)測(cè)了集中涌水災(zāi)害的模式和位置、數(shù)量，為施工中災(zāi)害預(yù)防和處治提供了有力的參考。在施工過(guò)程中，隧道相對(duì)涌突水位置及段落均得到驗(yàn)證，主要受裂隙密集帶、斷裂破碎帶及褶皺形態(tài)與軸部位置控制。在隧道施工階段及隧道貫通后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)正常涌水量約為8 000 m3/d左右。

2.7 工程類比

類比已建國(guó)道317線鷓鴣山隧道，二者在深埋段地層巖性相似，均為砂、板巖，鷓鴣山隧道埋深最大約1 040 m，二者地應(yīng)力量級(jí)相當(dāng)，施工中鷓鴣山隧道發(fā)生了輕微巖爆現(xiàn)象，因此，類比分析認(rèn)為，本隧道可能發(fā)生以劈裂、剝落為主的輕微巖爆現(xiàn)象，但不排除局部地段存在發(fā)生輕微彈射的中等強(qiáng)度巖爆的可能。

2.8 綜合分析預(yù)測(cè)

由于該隧道埋深最大近900 m，地應(yīng)力量級(jí)較高，且部分砂巖強(qiáng)度較高，砂巖可能發(fā)生巖爆災(zāi)害?？辈熘袑?duì)巖爆的預(yù)測(cè)采用了在定量計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析預(yù)測(cè)的方法。

根據(jù)王蘭生教授等提出定量判別標(biāo)準(zhǔn)[1]及美國(guó)學(xué)者Dowding C.H.&Andersson C.A提出的判別標(biāo)準(zhǔn)[2]，隧道深埋段完整性較好且砂巖富集的地段，可能會(huì)發(fā)生輕微～中等強(qiáng)度的巖爆現(xiàn)象。

根據(jù)巖爆發(fā)生的基本條件分析、應(yīng)力強(qiáng)度比判據(jù)預(yù)測(cè)，隧道在深埋段T2z地層中部完整性較好的地段可能發(fā)生輕微～中等強(qiáng)度的巖爆現(xiàn)象。

但本隧道不利于發(fā)生較強(qiáng)烈?guī)r爆的因素有：

(1)最大水平主應(yīng)力與隧道軸線近于平行或小角度相交，對(duì)于圍巖的穩(wěn)定是一個(gè)相對(duì)有利條件，在該種情況下，不利于強(qiáng)烈?guī)r爆的發(fā)生[3]。

(2)最大水平主應(yīng)力與場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面(層面)大角度相交，巖石發(fā)生破壞的有效彈射能較小，不利于發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆[4]。

(3)砂巖單層厚度一般不大，常有板巖夾層，降低了巖體完整性，不利于積聚高的應(yīng)變能，因而也不利于強(qiáng)烈?guī)r爆的發(fā)生。

通過(guò)綜合分析，勘察中預(yù)測(cè)隧道開挖圍巖將發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象。至于是否會(huì)發(fā)生中等強(qiáng)度的巖爆現(xiàn)象，根據(jù)分析，認(rèn)為可能性較小，但由于巖爆機(jī)理的復(fù)雜性及實(shí)際地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及還可能受到開挖爆破方式的影響[5]，筆者在勘察預(yù)測(cè)中保留了這種可能，只是認(rèn)為可能性較小而已。

至于大變形，隧道巖性主要為板巖、砂巖互層，板巖(非炭質(zhì))飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值18.6 MPa，屬較軟巖。砂巖飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值為69.2 MPa，屬堅(jiān)硬巖。且在埋深較大，地應(yīng)力相對(duì)較高的T2z地層中砂巖占主要成分，板巖所占比重不大，因而從總體上看，圍巖不會(huì)發(fā)生大變形。但局部地段發(fā)育炭質(zhì)板巖，其厚度可達(dá)數(shù)米，飽和抗壓強(qiáng)度平均值7.13 MPa，屬軟巖，在埋深較大、地應(yīng)力較高的地段可能發(fā)生一定程度的塑性擠出變形，屬輕微大變形范疇，在該類地段，建議需要加強(qiáng)支護(hù)。

另外，對(duì)于圍巖級(jí)別的確定，通過(guò)綜合分析，對(duì)軟硬互層型圍巖的BQ值計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化，提出了按巖性所占比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算獲得某套地層圍巖BQ值的新思路。由于隧道穿越的巖層以軟硬互層型砂板巖為主，砂巖抗壓強(qiáng)度較高，板巖抗壓強(qiáng)度較低，在不同地層二者按不同韻律、不同比例產(chǎn)出，砂巖板巖多呈幾十厘米至幾米厚度間頻繁變化，難以對(duì)二者巖性截然分開考慮，其圍級(jí)別的劃分，單看砂巖，則計(jì)算出的BQ值偏高，單看板巖，則計(jì)算出的BQ值偏低。為解決這一問(wèn)題，項(xiàng)目組通過(guò)代表性深孔及典型露頭斷面實(shí)測(cè)，獲取了隧道通過(guò)斷面不同地層砂、板巖層厚比，為T3zh地層砂巖：板巖=6.5：3.5，T2z地層砂巖：板巖=7.5：2.5，T1b地層砂巖：板巖=5：5，通過(guò)對(duì)砂、板巖所占比例的加權(quán)計(jì)算，獲得了各地層的圍巖BQ值，而不是單一某種巖性的BQ值，使得最終計(jì)算的[BQ]更加符合某一地層實(shí)際情況。

3 幾點(diǎn)思考

(1)對(duì)于深埋長(zhǎng)大隧道的巖爆、大變形等關(guān)鍵問(wèn)題，較細(xì)化、量化的判定標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范規(guī)程中還未有明確說(shuō)明，該類問(wèn)題值得廣大技術(shù)工作者和科研工作者總結(jié)提煉，盡快形成條款，以便更好地指導(dǎo)勘察設(shè)計(jì)工作。

(2)在深埋特長(zhǎng)隧道的綜合勘察中，深孔鉆探代價(jià)大，周期長(zhǎng)，如利用充分，可以獲得大量有價(jià)值信息。但如布設(shè)或利用不當(dāng)，一孔之見，可能并不能帶來(lái)與投入相應(yīng)的有用成果，長(zhǎng)大隧道深孔布設(shè)的工作量多少合適是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。本隧道由于在軸線附近無(wú)法開展鉆探工作，根據(jù)其構(gòu)造及巖層特點(diǎn)，幾個(gè)深孔布設(shè)的位置均距隧道軸線達(dá)數(shù)百米，大大減少了鉆孔深度及鉆探修路、搬遷的難度，因而大大降低了鉆探投入，并最終通過(guò)綜合分析解決了問(wèn)題，值得其它類似情況隧道參考。

(3)對(duì)于地質(zhì)條件十分復(fù)雜的深埋長(zhǎng)大隧道，要想通過(guò)綜合勘察手段完全查明場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，不僅周期長(zhǎng)、代價(jià)大，而且由于地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，要想準(zhǔn)確獲取地下數(shù)百米上千米復(fù)雜地質(zhì)體的各項(xiàng)工程特征，是極其困難的，往往花費(fèi)巨大勘探工作但郊果并不理想，因此，我們不僅需要在如何提高的們的綜合勘察手段上思考和改進(jìn)，還需要對(duì)規(guī)范要求的勘察目的等原則性指導(dǎo)意見進(jìn)行思考，以指導(dǎo)我們勘察工作的技術(shù)路線和重點(diǎn)，抓住主要矛盾，在合理的勘探工作條件下為設(shè)計(jì)提供滿足要求的基礎(chǔ)資料。

(4)通過(guò)本隧道及其它隧道，如筆者負(fù)責(zé)勘察在建的長(zhǎng)達(dá)13 km的九綿高速公路白馬隧道的施工地質(zhì)服務(wù)工作，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋長(zhǎng)大隧道，勘察成果要想與實(shí)際開挖揭示完全一致，基本上是不可能的，因此，在施工階段加強(qiáng)施工地質(zhì)工作顯得尤其重要。而且，施工地質(zhì)工作應(yīng)當(dāng)與設(shè)計(jì)階段勘察工作一脈相承，這樣，由設(shè)計(jì)階段的前期地質(zhì)綜合勘察，加上施工階段的施工地質(zhì)工作，如掌子面超前鉆探、圍巖觀測(cè)素描、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等，才能形成一個(gè)完整、全面、詳細(xì)的地質(zhì)勘察成果報(bào)告，為設(shè)計(jì)及施工提供最大限度的科學(xué)指導(dǎo)。