超埋深特長隧道地質災害分析與防治措施研究

張紅艷，余 莉，羅 林

(1．湖北省谷竹高速公路建設指揮部，湖北 房縣 442100;2．中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

超埋深特長隧道地質災害分析與防治措施研究

張紅艷1，余 莉2，羅 林2

(1．湖北省谷竹高速公路建設指揮部，湖北 房縣 442100;2．中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

在建谷竹高速公路大坪山隧道為一座分離式高速公路特長隧道，最大埋深892 m。根據實測隧道地應力、數值模擬、室內試驗結果和巖爆發生判據，預測在隧道施工中由于高地應力可能發生巖爆災害;根據巖溶地質調查，分析了隧道開挖時可能存在的涌水、涌泥、各種溶洞等地質災害，并對部分地段最大涌水量進行預測。提出利用超前地質預報與信息化施工預測與防治地質災害，并對可能發生的巖爆、巖溶等災害提出具體防治措施。

超深埋特長隧道 地質災害 高地應力 巖溶 防治措施

1 工程概況

在建谷竹高速公路大坪山隧道為一座高速公路分離式特長隧道，進口位于襄樊市谷城縣紫金鎮，出口位于襄樊市保康縣寺坪鎮，隧道軸線方向約211°，呈NE—SW向展布。左幅里程樁號ZK42+729—ZK50+992，全長8 263 m，最大埋深約896 m;右幅里程樁號YK42+723—YK50+965，全長8 242 m，最大埋深約892 m。該隧道是一條典型的超深埋特長隧道。

隧址區在大地構造上位于揚子準地臺(揚子克拉通)北緣的青峰臺褶束，走向近EW向，略向北突出，由震旦系至下古生代的地層構成線狀褶皺，由北至南大致形成背斜和向斜，震旦紀地層組成背斜核部，志留紀地層構成向斜核部，且均形成軸面向北傾斜和向南倒轉的緊密褶皺。

由于南秦嶺褶皺帶向南逆掩，使這個褶皺帶內形成一系列向北傾斜的逆斷層，故各巖層間多以斷層接觸。這就是區域上稱為城口(四川)—房縣—青峰—襄樊—廣濟斷裂的一段，該斷裂在大坪山形成數條逆沖斷層、破碎帶及韌性剪切帶。經調查，有規模不等的10條斷層以不同角度穿越隧道區，使隧道圍巖局部變得較破碎，另外有2條斷層未穿越隧道區，僅在隧道進口附近形成破碎帶。

隧址區出露、揭露的地層主要為志留系新灘組(S1x)頁巖;奧陶系(O1n-O3S1l)生物碎屑灰巖夾少量炭質頁巖、粉砂質頁巖;下寒武統(1s-sl)泥質條帶灰巖、炭質灰巖局部含頁巖夾層;上震旦統—下寒武統燈影組(Z21dn)白云巖夾灰巖。

2 地質災害分析

2.1 高地應力

2.1.1 實測地應力與數值模擬結果

中國科學院武漢巖土力學研究所于2010年6月—8月期間，對擬建的大坪山隧道ZK10(補)、ZK11(補)鉆孔采用水壓致裂法進行了現場地應力試驗，確定了各測試孔地應力場的大小和方向。

測試結果為：鉆孔ZK10(補)的最大水平主應力最大值為14.74 MPa，最小水平主應力最大值為11.17 MPa;鉆孔 ZK11(補)的最大水平主應力最大值為10.21 MPa，最小水平主應力最大值為7.46 MPa。

圖1 大坪山隧址區地質縱斷面示意

根據測試結果對大坪山隧址的地應力進行了ANSYS三維模擬，模型見圖1。根據模擬結果，并運用回歸分析可知：依據有限的實測地應力拓展計算大坪山隧址區初始地應力場，能較好地反映地形、地貌和地質條件對初始地應力場的影響。隧道左線設計高程處的最大水平主應力為6.79～18.80 MPa，最小水平主應力為0.04～7.96 MPa，豎直應力為0.93～23.47 MPa;隧道右線設計高程處的最大水平主應力為6.60～17.65 MPa，最小水平主應力為0.14～7.55 MPa，豎直應力為0.81～22.90 MPa。總體上，隧道圍巖的最大水平主應力大于豎直應力，即以水平構造應力場為主導。

2.1.2 巖爆發生的可能性判斷

在2011年9月—2012年2月對隧址區的巖石尤其是與深埋段相近的巖石進行了采樣，并在室內制作了試驗樣本，對樣本分別進行了單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗以及剪切試驗，得到的參數見表1。

表1 巖體力學參數

根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)中關于圍巖分級的巖石單軸飽和抗壓強度Rc與定性劃分的巖石堅硬程度對應關系，可知隧址區的白云巖、灰巖為硬質巖。根據前述模擬的地應力結果與試驗所測參數，可以計算出Rc＜4，屬于高初始地應力地區。進而可知該地區巖體在開挖過程中可能出現的主要問題為：會有巖爆發生，有巖塊彈出，洞壁巖體發生剝離，新生裂縫多，成洞性差。

根據Russenes巖爆判別法、Turchaninov巖爆判別法、Hoek巖爆判別法、Barton巖爆判別法、陶振宇巖爆判別法以及徐林生巖爆判別法［1-3］，可以得出結論：隧道在開挖過程中可能遇到巖爆，尤其在地應力較高地段。

2.2 巖溶

2.2.1 巖溶的現場地質調查

大坪山隧道全長8 263 m，其中穿越可溶巖巖層區長度約為6 548 m，隧道區斷層交錯，裂隙發育，降雨充沛，這些因素都為巖溶的發育提供了條件。野外地質調查發現，在淺灰色細晶白云巖、微—細晶灰巖等可溶巖中發育有溶蝕洞穴，野外可見洞穴大小0.5～1.2 m，受大氣降水補給，多為小型巖溶泉。隧道區巖溶主要受斷裂構造影響，發育于逆沖推覆斷層與高角度斷層交匯處或泥砂質底層交切附近，隧道巖溶統計見表2。結合物探與鉆探結果可知，巖溶發育段為K42+700—K43+300，K44+500—K44+600，K49+000—K49+200。

表2 隧道巖溶點統計

2.2.2 巖溶分析

1)K42+723—K47+500段

段位于大坪山分水嶺以北，微地貌形態屬構造剝蝕、侵蝕低山～低中山，地形起伏較大，地表巖溶發育程度一般。大氣降雨多形成坡面徑流向坡下匯集，小部分降雨滲入地下，順層面和橫張節理運移，難以形成大型巖溶管道和地下暗河。但在該區域內K43+200—K43+280，K43+300—K43+370，K44+000—K44+050，K44+445—K44+600，K45+505—K45+610，K45+870—K45+990 和 K46+900—K47+010為斷層破碎帶，可能成為局部突水的地段。根據物探資料，在K42+700—K43+300和 K44+500—K44+600處可能有巖溶發育，在這些區段可能發生較大規模的突水突泥，應加強超前預報并采取適當措施。預測此段正常涌水量為6 742.65 m3/d，最大涌水量58 276.98 m3/d。

2)K47+500—K50+965段

該區段位于大坪山分水嶺以南，微地貌形態屬構造剝蝕、侵蝕低山～低中山，地形起伏較大，地表巖溶發育程度相對較弱，大氣降雨多形成坡面徑流向坡下匯集，小部分降雨入滲地下，順層面和橫張節理運移，因此不致形成大型巖溶管道和管道流，但在該區域內K49+200—K49+320和 K49+740—K49+850為斷層破碎帶，可能成為局部突水地段，值得注意。根據物探資料在K49+000—K49+200處有巖溶發育，在這些區段可能發生較大規模的涌水突泥，應加強超前預報并采取適當措施。預測此段正常涌水量為5 549.36 m3/d，最大涌水量47 963.29 m3/d。

2.3 其它地質災害

對于大坪山這樣的超深埋特長硬質巖隧道，除了高地應力引起巖爆，以及巖溶引起的突水突泥地質災害外，在施工中還可能存在著由于隧道開挖卸荷引起的圍巖局部或者拱形的變形破壞(襯砌開裂、塌方以及冒頂等)，由于隧道內長期涌水或大量抽取地下水、隧道頂板冒落或者塌方引起的地面沉陷和塌陷，以及由于有害氣體的存在引發的瓦斯爆炸等不良地質問題。

3 防治措施

3.1 超前地質預報與信息化施工

大坪山地區屬于碳酸鹽巖丘陵區，根據對大坪山巖溶發育研究結果以及地質調查資料，可預測大坪山隧道可能出現的不良地質體包括斷層、破碎帶、溶隙、溶洞、暗河等［4-6］。

為了減少地質災害的發生，保證隧道施工安全，以地質調查分析為基礎，采用地震波(TGP)、地質雷達和紅外探測等物探方法進行預報預測，并結合對隧道的監控量測，實時掌握隧道圍巖和掌子面前方的變形和破壞情況。超前地質預報實施方案流程見圖2。

圖2 超前地質預報實施方案流程

在大坪山施工中，通過加強監控量測定性或定量地評價設計和施工效果，再不斷改善設計和施工，如此反復不斷達到信息化施工［7-8］，使施工更加快速、安全、經濟。

3.2 巖爆的防治措施

1)改善圍巖體物理力學性質。在爆破后立即向掌子面及附近洞壁噴灑高壓水或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，這是目前最常用且有效的措施。

2)應力解除。采用超前鉆孔和縱向切槽等方法提前釋放部分應力，減小巖爆發生的能量。

3)及時施作錨噴支護。工程實踐表明，該方法在防治巖爆方面有一定成效。

4)采取“短進尺、弱爆破”，并嚴格控制炮眼利用率，可以降低巖爆的發生頻率。

3.3 巖溶的預防措施

根據地質預測預報結果，深入分析和研究特定段落的工程和水文地質條件、巖溶發育特點，優化施工方法和開挖順序。開挖前應確保超前支護的質量，提高預留變形量，以便為加固處理留下空間。優化支護結構的設計參數，靈活采用注漿技術、錨噴網和鋼拱架聯合支護技術。提出巖溶段施工處治措施，分別以引、堵、越、繞等措施進行綜合處理［9-10］。

3.3.1 隱伏溶洞處治建議

隱伏溶洞是指：①隧道開挖未揭穿，但超前預報顯示隧道周邊附近存在溶洞;②隧道開挖和超前地質預報均未發現明顯的溶洞，但實際開挖面又出現較大涌水量，則圍巖整體地質可判定為巖溶不良地質。

在出現上述隱伏溶洞時，處治方法為：

1)根據掌子面滲水情況，優先選擇“先超前預注漿堵水，再開挖、支護，一次性通過”的方案進行處治。

2)根據超前預報結果，對未揭穿周邊溶洞，參照顯式溶洞處治方法實施。

3.3.2 顯式溶洞處治建議

顯式溶洞是指隧道開挖揭示出隧道周邊不同部位發育有明顯的溶洞。其處治方案如下：

小型溶洞處理：對出露于拱部、邊墻及底板的、發育有限(溶洞洞徑≤1/5隧道開挖洞徑，一般按2.5 m考慮)、溶蝕充填物易于清理的小型溶洞，原則上采用復合式回填結構，其要點是：①對溶洞回填斷面采用雙層回填結構;②對于回填材料，遠離襯砌的那層回填材料應選用具有一定滲透力，不會造成溶洞原有排水通道堵塞的透水材料，如砂袋、干碼片(塊)石等，而對于緊靠襯砌的那層回填材料應選用強度較高、滲透系數較小的隔水材料，如泵送混凝土或漿砌片石、片石混凝土等。

對溶洞出露的不同部位的處理建議如下：

1)拱部。出露于拱部的小型溶洞，應清除洞內充填物，有條件時，可對溶壁進行噴錨防護，并保證錨桿嵌入基巖不少于1.0 m。在隧道襯砌施工后，澆筑C25混凝土護拱，護拱應設鎖腳錨桿，最后吹砂充填。

2)邊墻處。出露于邊墻的小型溶洞，在隧道襯砌施工前，澆筑C15片石混凝土或M7.5漿砌片石護墻，墻背以干砌片石回填。

3)底板下部。出露于底板下部的小型溶洞，在隧道底板澆筑前，應清除溶蝕充填物，自下而上，以干砌片石或C15片石混凝土換填。

3.3.3 大型溶洞處理

對洞體充填豐滿、難于回填、不宜填塞的大型溶洞，原則上應因地制宜進行處理。

1)洞體深、充填豐滿的大型溶洞，且隧道從溶蝕充填體中穿過，建議按預注漿、管超前、強支護、梁跨越的方式進行處理。

2)出露于隧道邊墻及底板、不能堵塞的大型溶洞(巖溶管道)，建議按梁跨方式處理，梁跨的具體設計根據探明的巖溶特征確定。

3)對橫穿隧道洞身、不能阻塞的大型溶洞(如地下暗河)，應考慮按泄水洞的方式進行處理，泄水洞的平縱面設計應根據現場情況而定，其出水口與溶洞(地下暗河)的下游相聯或引至地表，應在充分的技術和經濟比選后確定。泄水洞凈空應考慮排水、施工等因素。

3.3.4 突泥、涌水處理

1)注漿封閉，固結泥石流。

2)在原支護面上架立工字鋼拱架進行加固。

3)初期支護每榀鋼架邊墻設置臨時橫撐，加固初期支護。

4)采用負壓集中排水，加大排水，減小水壓力，加大注漿壓力，改良塌體，提高塌體自穩能力。

5)24 h監控支護，加密監控量測斷面及監測頻率，對初支變形開裂處噴素混凝土封閉裂縫，觀察變形發展情況。

4 結論

大坪山超深埋特長隧道中可能存在的主要問題是高地應力和巖溶引起的地質災害問題。高地應力可能引起巖爆(堅硬巖石)與大變形(軟巖)，巖溶可能引起涌水、突泥等地質災害。采用現場勘查、試驗、地質調查、室內試驗以及數值模擬等方法進行預測分析，結合超前地質預報的探測，以及現場監測數據，提出了巖爆的預防措施與巖溶的處理措施，為隧道施工提供參考依據。

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U456．3+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．06．23

1003-1995(2013)06-0077-04

2012-08-29;

2013-03-17

國家自然科學基金項目(41202201);中央高校科研基金資助項目(CUGL110215);湖北省自然科學基金一般項目(2011CDB351)

張紅艷(1966— )，女，湖北武漢人，高級工程師，碩士。

(責任審編 李付軍)