李增林

（華北水利水電大學(xué) 鄭州 450045）

0 引言

隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，土地的資源緊缺，隧道工程以其無(wú)法替代的優(yōu)越性廣泛應(yīng)用于我國(guó)的交通、水利水電工程、國(guó)防工程中[1]。但是隧道開挖所遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題極大地影響到了隧道的正常建設(shè)，針對(duì)隧道所常見(jiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者錢七虎等、王夢(mèng)恕[2-3]等、劉寶琛等、張東明等、何發(fā)亮等分別對(duì)巖爆、涌水、巖溶、不良地質(zhì)體進(jìn)行深入研究，得出有益理論并提出了相應(yīng)對(duì)策。

延慶至崇禮高速公路河北段是冬奧會(huì)中連接延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)的主要公路通道，如圖1 所示，此工程便捷連接北京奧運(yùn)村、延慶奧運(yùn)分村和崇禮奧運(yùn)分村，為冬奧會(huì)期間北京市進(jìn)入崇禮賽區(qū)的公路主通道，同時(shí)也是北京至張家口東北部的旅游便捷通道，是連接北京六環(huán)至張承高速的又一高速通道。

由于此次工程隧道埋深較大，限于勘探條件和勘探成本等因素制約，設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察資料與隧道施工時(shí)掌子面揭露的工程地質(zhì)條件有出入，區(qū)域不良地質(zhì)情況的不明確會(huì)給施工帶來(lái)很大的不可控性。本文以延慶至崇禮高速公路松山特長(zhǎng)隧道穿越花崗巖侵入接觸帶時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況為例，分析不良地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道工程帶來(lái)的影響，并提出合理具體的施工措施以期為相關(guān)的隧道工程實(shí)踐提供借鑒與指導(dǎo)。

圖1 延崇高速地理位置

1 工程背景

1.1 工程概況

延慶至崇禮高速公路松山特長(zhǎng)隧道河北段始于京冀界附近，終點(diǎn)位于金家口村村南，隧道左幅ZK13+242.119～ZK20+486，長(zhǎng)7243.881m，隧道右幅K13+248.085～K20+460，長(zhǎng)7211.915m，屬于分離式特長(zhǎng)隧道，隧道最大埋深約731m；該隧道布置兩條斜井，一號(hào)斜井長(zhǎng)900.994m，最大埋深約311.642m，2 號(hào)斜井長(zhǎng)1099.146m，最大埋深288.041m。

1.2 工程地質(zhì)條件

松山特長(zhǎng)隧道，地處冀北山區(qū)，屬火成巖中山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，溝壑發(fā)育，隧道區(qū)地表標(biāo)高為963～1770.7m，相對(duì)高差805.4m。

隧道區(qū)地層主要為早侏羅系燕山期侵入花崗巖，二次侵入接觸帶位于K17+200 附近，局部夾閃長(zhǎng)巖、磁鐵石英巖，地表大部分基巖出露，局部為第四系覆蓋層碎石、黏性土等早侏羅系燕山期花崗巖，淺紅色～肉紅色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英，長(zhǎng)石，節(jié)理裂隙發(fā)育～不發(fā)育。

1.3 施工方法

松山特長(zhǎng)隧道與杏林堡隧道皆采用鉆爆法進(jìn)行施工作業(yè)，采用新奧法原理設(shè)計(jì)洞身結(jié)構(gòu)，隧道支護(hù)為復(fù)合式村砌結(jié)構(gòu)；初期支護(hù)由錨桿、混凝土、鋼拱架及鋼筋網(wǎng)組成；二次村砌采用模注防水混凝土結(jié)構(gòu)；初期支護(hù)與二次襯砌共同組成隧道承載結(jié)構(gòu)；支護(hù)參數(shù)按工程類比法擬定，結(jié)合理論計(jì)算與有限元分析確定，施工階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2 工程地質(zhì)問(wèn)題及原因分析

松山特長(zhǎng)隧道塌方現(xiàn)象及原因：

在松山特長(zhǎng)隧道施工的過(guò)程中，根據(jù)早期地表地質(zhì)情況調(diào)查，松山特長(zhǎng)隧道大部分處于早侏羅系燕山期花崗巖，但從部分掌子面揭露的情況來(lái)看，松山特長(zhǎng)隧道部分段落開挖中見(jiàn)燕山期花崗巖的侵入接觸，造成掌子面整體穩(wěn)定性極差，并因此發(fā)生隧道塌方事故。

（1）松山特長(zhǎng)隧道塌方現(xiàn)象。

在松山特長(zhǎng)隧道施工的過(guò)程中，隧道右線開挖至K17+290 樁號(hào)時(shí)，掌子面揭示圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面見(jiàn)灰白、黃褐色蝕變物，結(jié)合較差，多處見(jiàn)線狀出水，圍巖整體穩(wěn)定性較差，掌子面前方出現(xiàn)不同程度掉塊現(xiàn)象，在拱頂部右上方形成環(huán)向?qū)捈s8m、縱向長(zhǎng)度約10m、最大高度約6m 的塌腔。塌落體以碎裂狀及塊狀結(jié)構(gòu)為主，如圖2 所示。

圖2 松山隧道塌方情況

（2）原因分析。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，如圖3 所示，塌方區(qū)域K19+290 為燕山期兩次侵入花崗巖接觸帶，雖然在地質(zhì)縱斷圖上顯示接觸帶的位置K17+260～280，但隧道塌方位置大致是K17+290～292，與勘查有所差異，是由于巖漿侵入接觸帶的空間分布極不規(guī)則，就接觸面形態(tài)而言，有平直的、港灣狀、枝杈狀、順層貫入狀等等，這也是與斷層破碎帶不同的一點(diǎn)。

盡管設(shè)計(jì)上對(duì)此處已有所加強(qiáng)，在兩側(cè)都是Ⅲ級(jí)圍巖的情況下設(shè)計(jì)了約240mⅣ級(jí)加強(qiáng)段落，但是很明顯段落長(zhǎng)度有所不足，設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)也不能保證隧道圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 松山隧道地質(zhì)情況（剖面）

松山特長(zhǎng)隧道巖性看似較為單一，主要為花崗巖，堅(jiān)硬巖石（如花崗巖、安山巖、石英砂巖等）的圍巖穩(wěn)定性一般較好，可花崗巖最具有“欺騙性”。京津冀地區(qū)劃分5 次構(gòu)造旋回和巖漿侵入，對(duì)延慶至崇禮地區(qū)影響最大的是燕山構(gòu)造旋回，燕山旋回又劃分為4 期巖漿侵入，特別是燕山旋回的第三期，對(duì)應(yīng)于晚侏羅世，是燕山旋回巖漿侵入活動(dòng)的高潮期，區(qū)內(nèi)大型的中生代巖體幾乎都是本期的產(chǎn)物，遍布全區(qū)各個(gè)地質(zhì)構(gòu)造單元[4]本期侵入巖體占燕山旋回侵入巖的71.45%，其中花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖占81.29%。與本期侵入活動(dòng)有關(guān)的脈巖活動(dòng)也最發(fā)育、最復(fù)雜，并見(jiàn)有十分獨(dú)特的大規(guī)模淺成、超淺成侵入巖。

在巖漿侵入初期侵入巖與圍巖接觸帶范圍的溫度約300℃～1000℃，壓力約100～300MPa。圍巖在高溫高壓的作用下，會(huì)發(fā)生接觸熱變質(zhì)作用與接觸交代變質(zhì)作用，從而形成變質(zhì)帶[5]。在后期，氣液經(jīng)過(guò)巖石裂隙，特別是軟弱帶（變質(zhì)帶、破碎帶、層理）時(shí)，在氣體與液體的參與下，這部分圍巖發(fā)生化學(xué)作用，使礦物組成與巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成蝕變帶。此次事故中隧道中所涌出的具有泥石流特征的碎石與水正是蝕變帶與水相互作用而形成深風(fēng)化槽或風(fēng)化囊受到隧道開挖影響大量涌出導(dǎo)致，如圖4 所示。

圖4 風(fēng)化囊、風(fēng)化槽

3 隧道塌方及開裂處理措施

松山特長(zhǎng)隧道塌方處理措施：

類似于此次松山隧道由于河北燕山山脈公路隧道沿侵入接觸帶塌方的類似事故著實(shí)不少，例如榮烏高速營(yíng)爾嶺隧道塌方[6]，由于花崗巖侵入到安山巖中，沿接觸蝕變帶滑落，導(dǎo)致9 人被困；112 國(guó)道鐵營(yíng)隧道塌方[7]，由于花崗巖侵入到混合巖中，沿接觸蝕變帶滑塌，導(dǎo)致5 人被困；張石高速岳家溝隧道塌方，由于花崗閃長(zhǎng)巖侵入到花崗巖中，沿侵入接觸帶滑塌，導(dǎo)致3 人被困。在此次事故發(fā)生后，施工方立即采取了回填支撐、超前管棚等措施。

（1）封閉措施。

①噴射10cm 厚C25 混凝土及時(shí)封閉塌腔及掌子面。

②利用洞渣反壓回填掌子面，采用麻袋分臺(tái)階碼砌至拱頂封閉塌方體坡面，并預(yù)埋泵送混凝土管道及通氣孔。（2）支護(hù)調(diào)整。

①超前支護(hù)：超前支護(hù)采用洞內(nèi)管棚，環(huán)向間距30cm。與超前注漿小導(dǎo)管方式對(duì)前方松散體進(jìn)行加固，保證管棚進(jìn)入基巖長(zhǎng)度3m。采用雙液漿（水泥漿+水玻璃），注漿配合比和注漿壓力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

②自K17+290 開始初期支護(hù)采用噴射26cm 厚C25 混凝土，全環(huán)I20b 型鋼鋼架，鋼架間距0.5m；鋼架鎖腳錨管更換為長(zhǎng)度為4.5m 小導(dǎo)管，每處4 根，確保初支鋼拱架的穩(wěn)定性。

③全環(huán)二次襯砌采用45cm 厚鋼筋混凝土，具體段落長(zhǎng)度根據(jù)前方開挖掌子面揭露圍巖情況而定。

（3）塌腔處理。

①對(duì)塌方形成的空腔部分，采用泵送C25 混凝土至超過(guò)拱頂2.0m，形成護(hù)拱，并在護(hù)拱內(nèi)預(yù)留吹沙管。

②待該段支護(hù)結(jié)構(gòu)施做完畢且基本穩(wěn)定后，利用吹沙管吹填粉煤灰至空腔密實(shí)。

（4）監(jiān)控量測(cè)。

對(duì)塌方區(qū)域增設(shè)監(jiān)控量測(cè)斷面，加大監(jiān)控量測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的頻率，嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的原則。

4 結(jié)論

（1）隧道施工地質(zhì)條件復(fù)雜多變，每一次事故都有自己特定的工程環(huán)境與原因，大多數(shù)的事故可以通過(guò)采取有效手段避免，要將復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，采取合理科學(xué)的方法。

（2）隧道在穿越侵入接觸帶與斷層破碎帶時(shí)，圍巖穩(wěn)定性差，開挖時(shí)要結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與現(xiàn)場(chǎng)情況，提前調(diào)整超前支護(hù)，采用超前注漿小導(dǎo)管必要時(shí)可采取超前大管棚，如若發(fā)生塌方事故，要及時(shí)采取措施避免造成二次事故發(fā)生，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)整開挖方式、施工工序、支護(hù)方式與支護(hù)時(shí)間，必要時(shí)可采取臨時(shí)支撐等方式保證隧道的穩(wěn)定性。

（3）隧道的施工一定要堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，隧道施工前的地質(zhì)資料大多來(lái)自前期的地面調(diào)查、物探、鉆探等，是非常宏觀的地質(zhì)信息，在隧道開挖時(shí)往往有較大出入，很難滿足開挖施工時(shí)的精度要求，如在隧道經(jīng)過(guò)侵入接觸帶、斷層破碎帶、軟弱結(jié)構(gòu)面與巖溶分布等區(qū)域時(shí)很難提供精準(zhǔn)的位置，因此要結(jié)合地表調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)科學(xué)合理的進(jìn)行施工。