李泳伸，高世軍，王 聯(lián)

(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)

0 前 言

九寨溝至綿陽高速公路白馬隧道位于九寨溝縣與平武縣交界處。隧道處于大熊貓棲息地，穿越勿角省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。項(xiàng)目按雙向四車道高速公路設(shè)計(jì)。隧道長(zhǎng)度為13.006 5 km。隧址受控于文縣弧形構(gòu)造帶、岷江～雪山～虎牙關(guān)斷裂帶和龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊上三大構(gòu)造帶；穿7條斷裂構(gòu)造，平行發(fā)育1條斷裂構(gòu)造；基本烈度為Ⅷ度高震區(qū)。洞身主要穿越上古生界泥盆系中統(tǒng)三河口組板巖、砂巖夾炭質(zhì)板巖、極少量的印支期中酸花崗斑巖。

1 隧道走廊方案研究

本項(xiàng)目為G8513平?jīng)鲋辆d陽高速公路重要組成路段，由甘肅省隴南市武都區(qū)兩水鎮(zhèn)與現(xiàn)有蘭海高速十字交叉，向西南延伸入川。白馬隧道地理位置敏感，位于川甘交界區(qū)域，故工可階段對(duì)該隧道進(jìn)行了詳細(xì)的走廊方案比選(見圖1)。根據(jù)特殊的地形、地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合川甘兩省路網(wǎng)規(guī)劃、提出了A線走廊，接線點(diǎn)青龍橋；W線走廊，接線點(diǎn)摩天嶺兩個(gè)接線點(diǎn)。以青龍橋?yàn)楣?jié)點(diǎn)的A方案和W方案進(jìn)行同精度比選論證。

圖1 白馬隧道走廊比選圖

工可階段A線走廊方案的控制性工程白馬隧道長(zhǎng)13 km左右，最大埋深1 112 m。隧道穿越地層主要以深灰色砂巖、粉砂巖、炭質(zhì)板巖及雞窩狀無煙煤為主，受斷層影響，巖層較破碎。

隧道為高海拔、超特長(zhǎng)、瓦斯隧道，隧址進(jìn)出口地勢(shì)開闊，與地方道路相距較近，建設(shè)條件較好，計(jì)劃工期6年。工可階段W線走廊方案的控制性工程摩天嶺隧道長(zhǎng)18 km左右，最大埋深1 995 m。隧道穿越地層主要以淺變質(zhì)砂巖、結(jié)晶灰?guī)r、結(jié)晶白云巖及巖漿巖等為主，受構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓，次級(jí)構(gòu)造及斷裂發(fā)育，局部可能會(huì)出現(xiàn)突、涌水可能，瓦斯、大變形、巖爆等不良地質(zhì)處治難度大。本隧道為超特長(zhǎng)、瓦斯隧道。隧址進(jìn)出口溝谷狹窄，棄碴異常困難，建設(shè)條件較差，工期約8年。

相比較而言W方案走廊帶工程地質(zhì)條件較差，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，控制性工程難度更大。

從路網(wǎng)功能、環(huán)境影響等多方面，對(duì)兩走廊方案主要比較因素見表1。

表1 白馬隧道走廊比選

2 施工圖隧道軸線及縱坡設(shè)計(jì)

2.1 隧道總體平面線形的確定

充分利用洞口地形、地質(zhì)、兩端接線條件，通過經(jīng)濟(jì)比較，確定了兩端洞口段采用小凈距曲線、洞身采用正常直線的平面設(shè)計(jì)。

九寨溝端洞口段左右測(cè)量線間距約28 m，分別位于半徑R左=1390 m和R右=1450 m的圓曲線上；綿陽端洞口段左右測(cè)量線間距約20 m，分別位于半徑為R左=1150 m、R左=1150 m的曲線上；洞身段約11.822 km間距約35 m，線型為直線。

2.2 隧道縱坡的確定

對(duì)于超特長(zhǎng)隧道的縱坡問題，業(yè)界存在一定分歧。從行駛舒適性和運(yùn)營(yíng)通風(fēng)效率來看，采用單向坡較好，但施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)逆坡排水問題。

白馬隧道縱面線型的設(shè)計(jì)除了考慮地形、通風(fēng)、排水、施工及隧道兩端的接線條件等因素外，還重點(diǎn)結(jié)合以下條件謹(jǐn)慎選擇。

1)充分借鑒S205線黃土梁隧道經(jīng)驗(yàn)。S205線黃土梁隧道全長(zhǎng)4 895 m，最大埋深800 m。該隧道在白馬隧道上方，設(shè)計(jì)為2%單向坡。在施工過程中，遭遇到較大涌突水和較長(zhǎng)段落初期支護(hù)變形侵限、坍方等工程難題，導(dǎo)致施工進(jìn)度受阻且增加工程投資。分析認(rèn)為該隧道設(shè)置為單向坡，導(dǎo)致反坡段施工地段軟巖在地下水浸泡下急劇軟化從而導(dǎo)致支護(hù)體系失效是造成施工進(jìn)度慢和投資增加的重要原因。

2)考慮本隧道地質(zhì)條件。隧道受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，且V級(jí)圍巖占71.5%，Ⅳ圍巖占27.5%，Ⅲ級(jí)圍巖僅占1%?？赡艽嬖陔u窩狀煤層。預(yù)測(cè)最大涌水量近7萬m3/d。

3)縱坡變坡點(diǎn)位置確定因素。結(jié)合施工需要，白馬隧道設(shè)置兩處永久輔助井，將白馬隧道劃分為三個(gè)工區(qū)。經(jīng)過工期測(cè)算，將變坡點(diǎn)設(shè)置在靠近出口距綿陽端4.2 km左右，將隧道設(shè)置為8.8 km和4.2 km兩段人字坡，可以基本滿足各工區(qū)主洞開挖以順坡為主，同時(shí)豎井可在其下方主洞開挖完成后再進(jìn)行開挖，很大程度上減小主洞和豎井段開挖中涌突水風(fēng)險(xiǎn)，提高施工安全。

綜合以上因素，確定白馬隧道縱斷面采用人字坡，更有利于施工過程保證圍巖穩(wěn)定，減少大變形、利于斜井輔助主洞施工工區(qū)及豎井開挖避免涌突水危險(xiǎn)等災(zāi)害問題。左線設(shè)計(jì)縱坡+2.85/33,+1.98/8 680,-0.35/4 300；右線設(shè)計(jì)縱坡+2.85/76,+1.98/8 680,-0.35/4 244。

3 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方案及通風(fēng)井選擇

3.1 通風(fēng)要求

白馬隧道長(zhǎng)度13 km左右，通風(fēng)計(jì)算其左線遠(yuǎn)期最大需風(fēng)量將達(dá)到8 745 m3/s，右線遠(yuǎn)期最大需風(fēng)量將達(dá)到905 m3/s，全縱向射流通風(fēng)風(fēng)速超過13 m/s，需考慮設(shè)置兩處輔助通風(fēng)排煙通道進(jìn)行分段通風(fēng)及救援排煙。

3.2 施工組織

項(xiàng)目批復(fù)工期要求緊，如不采用輔助井輔助主洞施工，采用鉆爆法開挖工期不可控。輔助井以縱坡相對(duì)較小的平導(dǎo)、橫洞、斜井為好，豎井輔助施工難度較大，盡量不作為首選方案。

為解決白馬隧道主洞九寨溝端進(jìn)洞困難，減小對(duì)于山體的開挖和對(duì)于下方既有省道的運(yùn)營(yíng)影響，保護(hù)原洞口生態(tài)環(huán)境，在隧道九寨溝端洞口附近設(shè)置一長(zhǎng)238 m的施工支洞。設(shè)計(jì)充分考慮利用支洞及斜井參與主洞施工，將隧道施工分為前述的三個(gè)工區(qū)。設(shè)計(jì)未考慮豎井參與主洞施工。經(jīng)計(jì)算，隧道土建總工期72個(gè)月。其中：施工準(zhǔn)備期1個(gè)月，隧道開挖65個(gè)月，路面及其他附屬工程滯后6個(gè)月完成。

3.3 地形及地質(zhì)的結(jié)合

白馬隧道處于大熊貓棲息地，穿越勿角省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。隧道設(shè)置必須滿足相關(guān)環(huán)保要求。

隧道受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，圍巖以軟質(zhì)炭質(zhì)板巖為主，設(shè)置地下風(fēng)機(jī)房施工難度大。應(yīng)優(yōu)先考慮采用地面風(fēng)機(jī)房。

綜合相關(guān)因素，最終確定在九寨溝端設(shè)置一組長(zhǎng)度1 200 m無軌斜井，綿陽端設(shè)置一組長(zhǎng)度333 m的豎井，將隧道分成長(zhǎng)度分別為4.4、4.8、3.8 km的三區(qū)段縱向通風(fēng)。

4 隧道復(fù)雜地質(zhì)條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 襯砌類型設(shè)計(jì)

隧道暗洞襯砌均按新奧法原理設(shè)計(jì)和施工，支護(hù)體系結(jié)構(gòu)均為復(fù)合式襯砌。設(shè)計(jì)根據(jù)圍巖級(jí)別、隧道斷面及埋深條件擬定并選擇相應(yīng)的襯砌類型，支護(hù)參數(shù)的選擇以工程類比法為主，并通過數(shù)值分析進(jìn)行校核，合理確定支護(hù)體系的各種參數(shù)。

設(shè)計(jì)對(duì)于大變形、巖爆、涌突水等問題的處理方式是采用“預(yù)設(shè)計(jì)”理念：基于圍巖級(jí)別劃分，結(jié)合相關(guān)圍巖物理力學(xué)參數(shù)，在縱斷面中確定相對(duì)采用較多的一種襯砌類型，但在段落統(tǒng)計(jì)表中“預(yù)留”出一定比例可能會(huì)采用的襯砌類型，以便于現(xiàn)場(chǎng)各方結(jié)合開挖實(shí)際揭露合理采用。

4.2 大變形對(duì)策措施

根據(jù)對(duì)基礎(chǔ)資料的分析，本隧道軟弱巖性均為大變形提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。其可能產(chǎn)生大變形的原因是受到高地應(yīng)力條件發(fā)生的擠出性變形。綜合判定，本隧道發(fā)生大變形的等級(jí)為中級(jí)及強(qiáng)烈大變形。

大變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循“先柔后剛、先放后抗、控制變形、及時(shí)封閉”的原則，采取“主動(dòng)適應(yīng)+強(qiáng)支撐”的綜合處治方式。

考慮到大變形是本隧道的主要工程問題，且大變形的特點(diǎn)存在一定差異，設(shè)計(jì)對(duì)輕微、中等、強(qiáng)烈三級(jí)大變形均進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)發(fā)生的段落做了初步預(yù)判，建議根據(jù)實(shí)際施工情況對(duì)大變形的強(qiáng)度等級(jí)及段落范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

初級(jí)大變形主要措施為：擴(kuò)大預(yù)留變形量、初期支護(hù)鋼架和二次襯砌加強(qiáng)。

對(duì)于中級(jí)及強(qiáng)烈大變形均對(duì)隧道斷面采用加深仰拱減小矢跨比、初期支護(hù)邊墻拐角采用較大半徑的圓弧過渡的優(yōu)化，改善隧道承受的荷載和結(jié)構(gòu)承載能力；同時(shí)采用自進(jìn)式錨桿與注漿小導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)短錨桿結(jié)合形式加強(qiáng)初期支護(hù)；針對(duì)強(qiáng)烈大變形，在中級(jí)大變形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了一層初期支護(hù)，進(jìn)一步增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，達(dá)到控制變形的目的。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)管理辦法

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)首先應(yīng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)掌子面的情況，分段確定前方的圍巖級(jí)別和支護(hù)參數(shù)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)情況和縱斷面設(shè)計(jì)圖中所給出的一致時(shí)，必須按圖進(jìn)行施工。減弱或加強(qiáng)均需現(xiàn)場(chǎng)參建各方參與確認(rèn)后實(shí)施。

5 體 會(huì)

1)超特長(zhǎng)隧縱坡設(shè)置需要綜合考慮。白馬隧道在確定縱坡的時(shí)候，就產(chǎn)生過兩種觀點(diǎn)，到底是設(shè)置為一字坡更好或是人字坡更好呢？持“一字坡”觀點(diǎn)認(rèn)為運(yùn)營(yíng)期間可以節(jié)省通風(fēng)費(fèi)用，降低社會(huì)成本。但現(xiàn)在看來，白馬隧道大部分已揭示段落圍巖以炭質(zhì)板巖為主，本身強(qiáng)度極低(小于5 MPa)，開挖后大約15天時(shí)間內(nèi)，由于地下水的進(jìn)入，導(dǎo)致圍巖軟化及劣化嚴(yán)重，穩(wěn)定性急劇下降。施工中順坡開挖使得地下水可以以更好地自然條件排出，對(duì)于保護(hù)圍巖不被水長(zhǎng)期浸泡軟化，提升施工安全顯得十分有必要。因此，筆者仍然支持設(shè)置為“人字坡”的觀點(diǎn)。

2)白馬隧道九寨溝端設(shè)置施工支洞進(jìn)行主洞開挖，將該端洞口場(chǎng)地充分利用到與隧道相鄰的橋臺(tái)施工及邊坡保護(hù)防護(hù)，減小對(duì)該端洞口下運(yùn)營(yíng)省道S205的影響意義重大。有理由相信，設(shè)置支洞替代直接從洞口方向掘進(jìn)的思路在西南地區(qū)山嶺隧道的建設(shè)中會(huì)得到越來越多的運(yùn)用。

3)項(xiàng)目開工以來，開挖揭示隧道地質(zhì)情況與原勘察總體基本相符，但是由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖級(jí)別界限與實(shí)際情況可能存在一定差異，大變形段落劃分及強(qiáng)度等級(jí)綜合分析預(yù)測(cè)成果與實(shí)際開挖不可能做到完全一致、小型涌水涌泥點(diǎn)位無法在設(shè)計(jì)勘察階段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

圖2為初支扭曲變形圖，圖3為水平收斂變形圖。

圖2 初支扭曲變形

圖3 水平收斂變形

特別是2017 年8 月8 日阿壩州九寨溝縣發(fā)生的7.0 級(jí)地震，震中比芒村距離隧道直線距離很近，隧址區(qū)震感十分強(qiáng)烈，強(qiáng)烈的地震致使原有圍巖結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞，持續(xù)的余震使地質(zhì)體在雙向往復(fù)力作用下逐漸朝更不穩(wěn)定的方向發(fā)展。頻發(fā)的地震對(duì)正在建設(shè)的隧道周圍的地質(zhì)條件、圍巖體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生惡化效應(yīng)。因此，如何充分利用現(xiàn)有手段，更好地對(duì)軟巖隧道變形進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，利用監(jiān)控量測(cè)手段對(duì)變形及其支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理分級(jí)，確保安全、經(jīng)濟(jì)、高效建設(shè)好白馬隧道，是參建各方要共同面臨的關(guān)鍵問題。

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