陳林

（四川省冶金地質(zhì)勘查局水文工程大隊，四川成都 611700）

0 引言

隧道圍巖分級是圍巖穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)，可為隧道工程設(shè)計與施工提供有效依據(jù)?？茖W(xué)的圍巖分級可以節(jié)省建設(shè)成本，保證施工安全，是不可或缺的重要環(huán)節(jié)[1]。通過一隧道工程的實例研究，工程面臨復(fù)雜的地質(zhì)水文環(huán)境，集合地下水對隧道圍巖分級影響分析，探尋合理進行圍巖分級的方法。

1 工程概況

擬建隧道位于拉薩市附近，是該公路的控制性工程，隧道設(shè)計為分離式雙洞隧道，兩洞相距25～35m，隧道最大埋深約1347.92m。隧道左洞全長13566m（ZK7+630～ZK21+196），隧道路面設(shè)計高程為4033.39m(進口)～3826.43m(出口)，設(shè)計縱坡為1.8/11998，-0.6/1554，右洞全長13552m（K7+631～K21+183），隧道路面設(shè)計標(biāo)高3826.49m(出口)～4033.34m(進口)，設(shè)計縱坡1.8/12010，-0.6/1556。隧道進出口洞門型式為端墻式。隧道洞體設(shè)計限高5.0m，設(shè)計限寬10.25m，為特長深埋隧道。

隧道穿越橫貫東西的果拉山山脈，為北部拉薩河水系支流澎波曲與南部拉薩河水系的地表分水嶺。在支流水系的溯源側(cè)蝕和古冰川的刨蝕作用下，于分水嶺南北形成了眾多弧形折曲狀次級山系和深切溝谷。隧道南北向穿越了多條次級山系和溝谷。隧址區(qū)地層上往北以變質(zhì)巖為主，往南以侵入巖為主，地下水以基巖裂隙水為主要特征。

2 水文地質(zhì)條件勘察

2.1 主要含水層及富水性

根據(jù)擬建隧道一帶的地層結(jié)構(gòu)以及巖體的滲透性和富水性，將隧址區(qū)的含水巖組劃分為松散巖類孔隙水巖組、弱-中等富水的裂隙水含水巖組以及導(dǎo)水裂隙密集發(fā)育帶含水巖組和相對隔水層。

2.1.1 松散巖類孔隙水巖組

隧址區(qū)地表較大支溝、低洼地段接受地表水補給，富水性強；殘坡積層及高階地地段，主要接受降水及基巖裂隙水的補給，由于補給量不穩(wěn)定且具有明顯的季節(jié)性，因而該類堆積物富水性也具有明顯的季節(jié)性差異，富水性總體較強。

2.1.2 弱富水的裂隙水含水巖組

賦存于擬建隧道的白堊紀(jì)晚白堊世（ηγβK2）和白堊紀(jì)早白堊世（γσk1）的厚層花崗巖體組成的含水巖組及楚木龍組（K1c）厚層粉砂巖含水巖組中，地下水主要接受降雨滲入式補給，并賦存于巖體的孔隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)鉆孔水文地質(zhì)抽水試驗，含水巖組富水性屬弱富水。

2.1.3 較富水的巖溶裂隙水

賦存于侏羅系上統(tǒng)多底溝組（J3d）的厚層灰?guī)r與白堊系下統(tǒng)林布宗組(J3K1l)板巖接觸帶附近，地下水露頭的泉流量為0.9～4.0L/s，經(jīng)鉆孔水文地質(zhì)抽水試驗，含水巖組富水性較強。

2.1.4 導(dǎo)水裂隙密集發(fā)育帶含水巖組

隧道址區(qū)埋藏于地表以下200～300m 深處的構(gòu)造裂隙水，在南北向徑流受限制的條件下，東西方向地下徑流也并不暢通，地下水處于相對封閉靜止的狀態(tài)。

2.1.5 相對隔水層

隧址區(qū)規(guī)模宏大的白堊系下統(tǒng)林布宗組(J3K1l)的板巖及巖體完整的黑云母二長花崗巖、花崗閃長巖等因透水性差、層位穩(wěn)定，均屬相對隔水層。

2.2 地下水補給、徑流、排泄特征

2.2.1 地下水補給

每年5～9月，地下水主要接受冰雪融水和大氣降雨的入滲補給。其他時間地表水呈冰凍狀態(tài)，最大凍深達到140cm，地下水呈封閉狀態(tài)。

隧道區(qū)地下水補給源主要為大氣降水或由大氣降水轉(zhuǎn)化的冰雪融水。以降雨為主，在山地海拔較高處還有降雪，故地下水的補給源中，冰雪融水亦占有重要位置。

2.2.2 地下水徑流、排泄條件

地下水的徑流嚴(yán)格受地勢控制，由山嶺高處到低洼谷地沿斜坡順裂隙、斷裂不均勻地向就近溝谷徑流?；鶐r裂隙是地下水運移、貯存的通道和空間，受地形條件影響，地下水的徑流途程一般較短，并在溝谷兩側(cè)以隱滲或泉流的方式向溝谷地下水或地表水排泄。

基巖風(fēng)化裂隙水流量受季節(jié)性變化影響。風(fēng)化裂隙水埋深淺，接受地表冰雪融水和在大氣降雨的入滲補給后，一方面沿基巖裂隙向地下深部入滲，另一方面向拉薩河和雅魯藏布江河谷滲流排泄。

構(gòu)造裂隙水賦存于構(gòu)造裂隙或基巖破碎帶中，埋深大，接受風(fēng)化裂隙水的入滲補給。隧道址區(qū)埋藏于地表以下200～300m 深處的構(gòu)造裂隙水，在南北向徑流受限制的條件下，東西方向地下徑流并不暢通，地下水處于相對封閉、靜止的狀態(tài)。

2.3 水文地質(zhì)試驗

在各鉆孔內(nèi)進行抽水試驗，以查明隧道圍巖的透水性，評價巖體的滲透特征以及為設(shè)計防滲措施提供參數(shù)。滲透系數(shù)按承壓完整井公式計算[2]。

2.4 隧道涌水量預(yù)測

采用地下水徑流模數(shù)法與地下水動力學(xué)水平坑道疏干法計算隧道的涌水量[3]。在公式計算中，由于徑流模數(shù)和入滲系數(shù)受地形地貌、植被、構(gòu)造影響，同時由于本區(qū)水文地質(zhì)資料，若用偶測值計算，則隨機性太大，故根據(jù)經(jīng)驗值和徑流模數(shù)有關(guān)資料類比綜合取值為21.2～30L/S.km2。綜合隧道區(qū)的地下水類型、埋藏深度，地形切割情況，地層巖性特征，自然地理特點和雨量分布狀況。隧址區(qū)地形地貌為高山地貌，風(fēng)化裂隙，根據(jù)入滲條件選用隧址區(qū)的平水期滲入系數(shù)0.65。

兩種計算結(jié)果一致，表明各計算參數(shù)的選用是合理的。隧道主洞涌水量為49528.31～52259.13m3/d；斜井：豎井一般涌水量為50m3/d，1#斜井一般涌水量為2164.39～3611.52m3/d；2#斜井一般涌水量為4074.62～4109.27m3/d；斜井5261.76～6352.50m3/d。以地下徑流模數(shù)法計算結(jié)果為基礎(chǔ)，分析整理本隧道分段、分地層平水期涌水量和預(yù)測豐水期最大涌水量，取平水期的1.5 倍為隧道豐水期的涌水量。

2.5 環(huán)境水對混凝土腐蝕性評價

地下水中超標(biāo)組分有NH4+、NO2-、Fe、Mn、pH 值、耗氧量、細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群八項指標(biāo)。地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca 型為主，其次為HCO3-Ca·Na型，極個別點出現(xiàn)HCO3·NO3-Ca 型水。地下水pH 值在7～8 之間，平均7.57；礦化度一般在0.1～0.4g/L之間，平均0.27g/L；總硬度一般在100～200mg/L 之間，平均133.42mg/L(以CaCO3計)。屬中性-弱堿性低礦化滲濾型軟水。

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）中關(guān)于環(huán)境水對混凝土腐蝕性的判定標(biāo)準(zhǔn)，隧道區(qū)環(huán)境水有關(guān)指標(biāo)、檢測值都在微腐蝕性界限值以內(nèi)，即環(huán)境水對混凝土有微腐蝕性。

3 隧道圍巖工程地質(zhì)分級

3.1 隧道圍巖分級的原則和方法

隧道圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D3370.1—2018）3.6.2 節(jié)中，根據(jù)巖石的堅硬程度和巖體完整程度兩個基本因素的定性特征和定量的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ），綜合進行分級[4]。對圍巖進行詳細(xì)定級時，應(yīng)在巖體基本質(zhì)量分級基礎(chǔ)上考慮修正因素的影響，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ），結(jié)合巖體的定性特征綜合評判，確定圍巖的詳細(xì)分級[5]。圍巖詳細(xì)定級時，如遇有地下水或圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響，由一組起控制作用；存在高初始應(yīng)力三種情況之一，應(yīng)對巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）值進行修正[6]。地下水影響修正系數(shù)見表1。

表1 地下水影響修正系數(shù)

3.2 圍巖結(jié)構(gòu)特征分段及完整程度

擬建隧道為巖質(zhì)隧道，隧道圍巖體涉及地層為白堊系下統(tǒng)林布宗組(J3K1l)、白堊系下統(tǒng)楚木龍組（K1c）、侏羅系下統(tǒng)多底溝（J3d）組白堊紀(jì)晚白堊世（ηγβK2）、早白堊世地層（γσk1），主要巖性為板巖、變質(zhì)砂巖、黑云母二長花崗巖以及花崗閃長巖，夾泥巖薄層。板巖性質(zhì)軟，強度低，抗風(fēng)化能力差，地表多風(fēng)化呈巖屑狀，層理發(fā)育，層間結(jié)合較差。砂巖及花崗巖為中～厚層狀構(gòu)造，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巖石較硬，強度較大，抗風(fēng)化能力較強。

為便于隧道圍巖分級，對隧道圍巖進行分段，隧道為巖質(zhì)隧道，板巖為較軟巖，變質(zhì)砂巖及片麻狀花崗巖為較硬巖，黑云母二長花崗巖為堅硬巖。各種巖石的抗壓強度值和完整系數(shù)差別較大，圍巖分類時考慮各類巖性差異的劃分，分段原則：對洞口考慮洞口淺埋、巖石風(fēng)化程度及破碎程度等因素，將洞口段頂板厚度在1～3 倍洞徑內(nèi)中風(fēng)化巖體按同類洞身圍巖類別降低一類；對破碎帶則按同類別降低一類劃分。

3.3 圍巖的堅硬程度

隧道圍巖巖石堅硬程度根據(jù)巖石單軸抗壓強度劃分，隧道圍巖堅硬程度劃分詳見表2。

表2 圍巖巖石堅硬程度劃分

3.4 圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)

根據(jù)圍巖強度以及上述確定的圍巖完整程度，對隧道圍巖的基本質(zhì)量指標(biāo)進行定量計算。

隧道各圍巖段的完整程度不一，地下水的發(fā)育狀況及對圍巖的影響程度也不盡相同，不同巖性、不同段落巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系不同，各區(qū)段的地應(yīng)力也存在差異，故按修正系數(shù)的不同對隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)進行修正[7]。

3.5 隧道圍巖穩(wěn)定性評價

通過以上綜合劃分后最終確定了隧道的圍巖等級為Ⅲ～Ⅴ級級，各級圍巖長度及其占隧道總長度比例見表3。各段圍巖穩(wěn)定性評價如下。

表3 隧道各級圍巖分布情況表

Ⅲ級圍巖巖石強度大、巖體較完整，為厚～巨厚層狀，穩(wěn)定性較好。拱部無支護時可發(fā)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動過大易坍。地下水易沿風(fēng)化裂隙向隧道涌入，隧道出水一般呈滴水及小股水滲出。施工可采取光面爆破，一次成洞，全斷面開挖，一次支護，對局部軟質(zhì)巖夾層應(yīng)加強支護。

IV 級圍巖以較堅硬巖為主，多呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖一般無自穩(wěn)能力，拱部無支護時，可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定。施工時應(yīng)采用臺階分部開挖，復(fù)合式襯砌，初期支護應(yīng)及時，短開挖，快支護，局部巖體完整性較差地段采用噴錨支護。

V 級圍巖主要為碎石土、粉土以及強風(fēng)化巖層?；鶐r裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，土層結(jié)構(gòu)稍密。處理不當(dāng)洞頂易發(fā)生大規(guī)模坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，淺埋時易出現(xiàn)地表下沉（陷）或坍至地表。建議施工時應(yīng)采用臺階分部開挖，復(fù)合式襯砌，初期支護應(yīng)及時。加強施工期地質(zhì)工作，進行超前鉆探，根據(jù)現(xiàn)場反饋的各種資料進行動態(tài)設(shè)計，信息法施工。

4 結(jié)語

公路隧道建設(shè)往往面臨圍巖級別的不確定性，由于隧道圍巖級別判斷不準(zhǔn)確，導(dǎo)致隧道施工無法按照設(shè)計方案順利開展，需要提高地質(zhì)勘察精度與深度，全面考慮地下水等因素對隧道圍巖分級的影響，對隧道圍巖合理分級，從而采取有效的針對性措施，以提高公路隧道設(shè)計與施工質(zhì)量。