公路隧道穿越不良地層的對策措施

李 軍

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

1 工程及地質概況

中條山隧道埋深為80～680 m，地質條件復雜，沿線穿越多種不良地層，隧址區的地層物理力學性質將直接關系到隧道的變形特性、襯砌結構設計方案等。

隧道區構造形跡主要表現為斷裂、簡單的背斜褶皺構造及伴隨次生構造。其中背斜的軸部位于片麻巖區，呈北東-南西向走向。

1.1 背斜

薛家嶺背斜：屬于中條山西南段隆起帶的褶皺構造，與路線大角度交于K8+040，背斜走向大致東西向，為開闊的正常背斜。

1.2 斷層

a）中條山北緣斷裂帶 位于中條山西北坡山腳下，即運城盆地與中條山山脈交接部位的邊山地帶，本項目路線涉及到的為桃花洞斷裂（長7.3 km）斷層面傾向北西，傾角為58°～75°。斷裂帶內巖層擠壓明顯。該斷裂在上元古代以前就已經存在，在中生代時期，活動強烈；晚新生代以來，斷裂活動更為強烈，表現為中條山強烈抬升，運城盆地的強烈下降。路線在K3+150—K5+780段基本位于山前破碎帶邊緣或行走在斷層破碎帶內，斷層破碎帶寬度在50～100 m之間，在解陌公路上斷層寬度達200～300 m。斷層破碎帶內涑水群西姚片麻巖由于受構造和風化作用呈角礫、碎塊狀，嚴重的呈粉末狀，局部披覆薄層馬蘭組黃土。斷層破碎帶對隧道工程均有一定影響。

b）F3逆斷層 伴隨背斜構造在分水嶺北側形成的區域性斷裂構造，與路線大角度相交，斷層走向NE70°，傾向 SE170°～160°，傾角 70°～80°。斷層破碎帶寬13 m左右。

c）F1斷層 此斷層是山前大斷裂的次級構造，屬正斷層。并沒有延伸到洞身，對工程無影響。

d）F2斷層 傾向北東10°左右，傾角54°，該斷層埋深85 m左右，斷距45 m，沒有延伸到洞身。

1.3 產狀

K5+800—K8+040段巖性為涑水群片麻巖、片巖，巖層多傾向北東，傾角一般在25°～40°間。

K8+800—K9+800段，整體上位于薛家嶺背斜的南翼，出露的巖性為涑水群片麻巖，巖層產狀整體傾向南東，傾角一般在50°～70°間變化。

K9+800—K13+500段位于薛家嶺背斜的南翼，為廣布的變質沉積巖區，整體上為單斜構造，巖層傾向南東，傾角一般在20°左右變化。

1.4 節理

a）根據構造、巖性與節理發育的特征及其與路線關系分段敘述如下。

K5+800—K9+800，巖性為涑水群雜巖，巖性復雜主要為片麻巖，該段主要有一組走向295～330的近直立節理，間距0.1～0.2 m，平均6條/m；一組125°～150°∠12°～44°節理，間距0.3～0.4 m，平均4條/m，；一組31°～54°∠34°～51°節理，間距0.2～0.3 m，平均6條/m。

K9+800—K13+500，巖性為砂巖、白云巖、灰巖、頁巖、泥灰巖等，該段主要有一組走向305～325近直立的節理，間距0.3～0.5 m，平均4條/m；一組250°～285°∠37°～54°節理，間距0.2～0.3 m，平均5條/m，一組走向210～220的近直立節理，間距0.3～0.5 m，平均3條/m。

b）現對各個地層不同巖性結構面（節理裂隙）特征分述如下。

隧道前半段涑水雜巖受多期構造的影響，巖體節理裂隙發育-較發育，在強風化地層中風化裂隙極發育，呈網狀分布，中、微風化基巖中較發育-發育，局部少發育或密集發育，節理裂隙分布雜亂，一般發育密度為4～6條/m，間距0.20～0.30 m，部分裂隙充填方解石、鐵錳質等物質，以閉合狀為主，張開次之，部分裂隙連續性較好，節理走向以283°為主，其次為353°

隧道南端地層為徐莊、張夏組灰巖，節理裂隙發育，密度為5條/m。主要發育有兩組節理，走向分別為290°和50°，傾角分別為60°和75°，裂隙連續性較好，延伸長度大，從7～30 m不等，寬度約7 cm，以張開為主，部分裂隙充填方解石細脈及泥鈣質。

徐莊組下部地層為饅頭、毛莊組。巖性以頁巖及竹葉狀灰巖為主，頁巖風化強裂，頁理發育,平均密度達 15條 /cm；灰巖節理裂隙發育,密度為13條/m，主要發育有兩組高角度節理裂隙，傾角分別為70°和76°，走向分別為80°和281°，多為閉合型。主要充填物為鈣質充填。

洞身圍巖巖性主要為白云巖節理裂隙較發育,密度為2條/m，以閉合為主，主要發育有2組節理，走向分別為290°和12°，傾角分別為62°～80°和70°～75°。節理連續性好，主要為方解石脈充填。

石英巖狀砂巖節理裂隙較發育，密度為4條/m，主要發育有兩組節理，走向分別為342°和353°，傾角分別為68°和64°，以閉合型為主，張開次之。部分裂隙連續性較好，裂隙充填可見多期硅質充填切穿早期泥質充填。

斜長片麻巖中節理裂隙較發育，密度為10條/m，主要發育有兩組節理裂隙，一組走向為72°，傾角為64°，延伸長度為40 cm，寬約2 mm左右；另一組走向為282°，傾角為69°，長度約70 cm，寬約1～3 mm，節理以張開狀為主，少量呈閉合狀，充填物主要為方解石細脈，石英細脈及鐵錳質。

隧道進口端巖性為片麻狀二長花崗巖。其節理裂隙較發育,密度為8條/m，主要發育有兩組節理，一組走向為333°，傾角為73°，長度為52 cm，個別延伸達6 m，寬度約1～3 m；另一組走向為351°，傾角為71°，長度從0.2～4.5 m不等，寬度約2～5 mm，節理以張開為主，部分閉合，可見有鐵錳質充填和石英細脈充填。

2 穿越不良地層及對策措施

2.1 巖爆及處治措施

本隧道K8+380—K11+880段存在隱含巖爆，巖爆主要有彈射型巖爆、爆炸拋射型巖爆、破裂剝落型巖爆、沖擊地壓型巖爆4種類型。

巖爆多出現彈脆性深埋硬質巖層中，根據經驗類比，在中條山隧道深埋段條帶狀花崗混合片麻巖、含黑云母片巖地段可能發生巖爆，該類巖爆一般發生在兩側拱腰、拱腳區域，多有沉悶的爆落響聲。

發生巖爆的區段和時段主要有以下特征：隧道起拱線與直邊墻相交的兩側拱腰附近區域，邊墻兩側底部左、右拱腳區域，爆破開挖后巖爆較為集中在0～4 h內、爆破開挖后的15～20 h內，距離掌子面10 m左右，正值初期支護施作的時段，尤其應注意巖爆的預防和觀測。

式中：Hcr為巖爆的臨界埋深；μ為巖石泊松比；γ為巖體容重；σc為巖石單軸抗壓強度。

巖爆發生的判斷條件：Rc≥15Rt、Wet≥2.0、σθ≥0.3Rc、Kv≥0.55，

式中：Rc為巖石的單軸抗壓強度；Rt為巖石的單軸抗拉強度；σθ為隧道洞壁最大切向應力，σθ=3σ1-σ3；Kv為巖體的完整性系數，由巖體和巖塊的縱波波速計算得到。

還可參照表1進行分析判斷。

表1 巖爆判據及分級表

施工過程中應根據上述判斷條件進行綜合評判，對可能存在巖爆的區段實施有效的預防、防治措施。

a）巖爆段施工預案，必須安排觀測巖爆的值班員24 h進行巖爆觀測、提前成立巖爆發生后的搶險小組、技術部門編制巖爆發生時的安全預案，并開展搶險的應急演練。

b）巖爆段防護措施：

（a）給施工人員配戴鋼盔、穿防彈背心，主要防止彈射型巖爆傷人。

（b）在可能發生巖爆的地段，開挖掌子面后及時向洞壁進行高壓水的噴灑，提高圍巖的塑性。

（c）改造施工臺車，設立柔性雙層鋼繩防護網于臺車的上方及側面。

（d）預判巖爆類型及大小，根據情況在巖爆段洞壁上提前打孔，可以釋放應力，可以在爆破中減震。

2.2 隧道軟弱圍巖塌方處治措施

a）由于隧址區工程地質與水文地質條件復雜，地質構造發育及可能存在隱伏含水體，需要對隧道全長采用綜合超前地質預報系統并根據實際情況結合超前地質鉆孔加以確認，并采取相應的輔助工程措施后方可進行后續的施工開挖支護施作。

b）按照設計文件做好超前支護、初期支護、監控量測、二次襯砌緊跟等措施，未經上級技術部門同意，不得擅自改變施工開挖、支護方式。

c）在隧道開挖中，突然遇到了較大的涌水及斷層破碎帶時，必須改變施工工法，調整初期支護設計參數。

d）為了盡量利用圍巖的自承能力，應盡可能地采用光面爆破或預裂爆破；對于地質條件較差段，采用臺階法分步開挖、支護方案。

e）隧道進、出口段落圍巖條件較差，為了預防坍塌，必須按照設計文件采用超前注漿管棚或超前自進式管棚或超前小導管預注漿加固圍巖。

f）洞口淺埋Ⅴ級圍巖二次襯砌不得滯后初期支護，應按設計文件緊跟初期支護作業面施作二次襯砌，Ⅳ級圍巖需根據量測結果確定二次襯砌施作時機。

g）隧道開挖支護過程必須嚴格按照設計文件實施監控量測工作，以便為后續的施工開挖、支護作業提供技術指導，優化施工工藝。

2.3 涌水處治預案

對于工程地質與水文地質較復雜地段，對涌水發生的可能要引起十分的重視。可以結合隧道施工開挖后揭示出來的圍巖情況、地質勘察及附近的水文資料、布設一定數量的探水鉆孔并結合超前地質預報手段綜合判定前方地段是否會有隱藏的大型含水體。根據預判情況，有針對性地查明前方圍巖地下水的分布狀況及水量大小。結合隧道內涌水量大小、出水點、水壓等各種情況來確定帷幕注漿堵水方案，可以分為全斷面預注漿堵水和局部預注漿堵水兩種方式，此外一定要預備大功率排水機械，以保證在隧道開挖過程中能將涌水及時排出。

2.4 溶洞處治預案

溶洞對隧道工程的影響主要有洞害、水害、洞穴充填物等方面，針對溶洞的影響，主要的處理措施有以下幾個方面。

2.4.1 巖溶水的處理

對巖溶水來說，它的處理方法是“以疏為主，疏堵結合”。

2.4.2 巖溶洞穴的處理

a）封閉 對已經不再發育的無水小溶洞，可以采用低標號混凝土、漿砌片石或干砌片石等進行堵塞、填實，必要的時候還可以補充注漿加固以防止塌陷或大變形。

b）支頂加固 對溶洞的支頂加固，通常采用支撐墻、支撐柱以及嵌補等工程措施支頂，同時對穿越溶洞的隧道段結構進行補強。

c）跨越 當溶洞規模較大，可根據具體條件采用如梁跨、拱跨及板跨等相應的結構形式進行跨越。

d）對洞穴充填物的處理 當隧道穿越洞穴充填物可采取漿砌片石換填、樁基礎及注漿等措施。

2.5 軟弱圍巖大變形處治預案

2.5.1 改進施工工藝

a）調整光面控制爆破各項爆破參數實現弱爆破，減少對圍巖的擾動。

b）采用短臺階法施工，使上臺階開挖斷面高度滿足出渣作業要求即可。

2.5.2 加強支護

使用I20b型鋼鋼拱架，鋼架用Φ22鋼筋連接，環向間距為100 cm，使之成為整體；設直徑42 mm超前小導管，間距35 cm；設D25中空注漿錨桿，長度3.5 m，間距50 cm×100 cm；掛設φ8鋼筋網，網孔間距15 cm×15 cm。

3 結語

公路隧道穿越不良地層時采取的合理措施是隧道施工及運營安全與否的關鍵。本文是隧道穿越不良地層時采用合理措施的有益探索，為后期同類工程提供一定的借鑒。