占 艷 平,林 仕 祥,劉 恒
(長江設計集團 長江巖土工程有限公司,湖北 武漢 430010)
許多在建或已建工程,如引大濟湟[1]、滇中引水[2]等工程顯示,穿越大型斷裂(斷層)破碎帶的隧洞段往往是隧洞工程施工與運行的安全隱患段,常常導致工期延誤,投資增加,甚至造成重大人員傷亡。因此,穿越大的斷裂(斷層)破碎帶的隧洞工程往往是勘察、設計、施工研究的重點和熱點,如滇中引水工程香爐山隧洞穿越芹菜塘斷裂[3]、引大濟湟引水隧洞穿越大坂山北緣斷裂、大坂山南緣斷裂等多條區域性斷裂[4]等。研究大型斷裂(斷層)破碎帶的工程地質特性及其對隧洞工程的影響,提出具有針對性的應對策略意義重大。
正在建設中的十堰市中心城區水資源配置工程的主線引水隧洞(2號隧洞)穿越竹山斷裂洞段是制約該工程進度與投資的關鍵地段。目前,公開發表的工程技術文獻,除了前人編制的區域地質調查報告對竹山斷裂做了一般基礎性描述外[5],尚未發現對竹山斷裂工程地質特性研究的專門性研究成果。隨著水利、交通[6]、市政等行業工程建設的發展,越來越多工程建設正在或將要涉及到竹山斷裂,且避不開該斷裂的影響。因此,開展竹山斷裂專項工程地質特性研究,對當地工程建設同樣具有重要的現實意義。
本文利用2號隧洞穿越竹山斷裂段前期地質勘察、試驗(測試)資料及臨時工程1號施工支洞施工編錄地質資料,分析了該斷裂的地質條件,研究工程應對策略,提出了解決2號隧洞穿越竹山斷裂段地質缺陷的工程措施。研究成果對類似工程的建設具有一定的參考價值。
十堰市中心城區水資源配置工程為引水線路工程,該工程位于鄂西北的十堰市城區西南側,自竹山縣境內的潘口水庫取水口,途徑竹山縣的傅家坪村,房縣的化口村、大木村,茅箭區的賽武當風景區,引水至馬家河水庫,引水線路整體沿東北向展布。引水干線以隧道輸水為主,全長68.984 km,包含倒虹吸4座,總長1.782 km,暗涵1處,總長0.201 km,隧洞5條,總長67.007 km,引水底板高程327.50~310.92 m。
引水線路穿越志留系的軟巖區、賽武當的高地應力區;志留系軟巖區斷層和煤系地層發育[7],地下水豐富,其中區域性大斷裂——竹山斷裂通過志留系軟巖區。工程區地質條件復雜,施工風險高。設計的2號隧洞(干線隧洞)和1號施工支洞(臨時工程)穿過竹山斷裂。2號隧洞過竹山斷裂的樁號為K8+200~K9+030,竹山斷裂帶走向與洞軸線夾角約59°,洞身埋深64~156 m,設計開挖斷面為城門洞型,開挖尺寸3.5 m×4.0 m(寬×高),洞室底板高程325.0~324.4 m,尚未施工;1號施工支洞于樁號K0+189~K0+235.4穿越竹山斷裂,開挖斷面為城門洞型,開挖尺寸3.8 m×4.5 m(寬×高),已完成開挖支護施工。2號隧洞過竹山斷裂洞段被列為前期工程勘察和施工期地質服務工作的重難點。前期勘察采用了綜合勘察手段,獲得了豐富的第一手資料;1號施工支洞洞挖揭露的地質情況與變形監測數據進一步校證了前期勘察成果,為分析竹山斷裂工程地質缺陷,制定隧洞通過竹山斷裂段的工程應對策略提供了充足的依據。
干線2號隧洞過竹山斷裂段位于竹山縣城東側低山-丘陵地貌區,沿線地面高程390~527 m,山體斜坡坡度20°~40°,地形起伏較大(見圖1)。
竹山斷裂分布于七里溝及其左側斜坡,大致沿沖溝走向NWW方向延伸。七里溝為堵河的支溝,溝底坡降25‰,溝底寬80~120 m,地面高程390~408 m,坡度3°~10°,溝底地形寬緩;沖溝兩側斜坡坡度一般20°~38°;溝兩側小沖溝發育,小沖溝切深20~85 m,延伸長度一般小于1 km。麻安高速公路沿七里溝通過。
研究區基巖為志留系下統梅子埡組(S1m),第四系覆蓋層主要為全新統坡洪積層(Q4dl+pl)。
志留系下統梅子埡組(S1m):巖性主要為灰色薄層-中厚層狀粉砂質千枚巖夾絹云母千枚巖,風化色為黃褐色、灰黃色,為軟質巖[8]。巖層厚度大于200 m,區內斜坡上露頭較好。
全新統坡洪積層(Q4dl+pl):為含碎、塊石粉質黏土,厚度2.0~6.5 m,主要分布于七里溝溝底平緩地帶。
地表水系主要由七里溝和兩側支溝組成。七里溝常年有水,枯水季節溝水流量約1 L/s,其兩側小沖溝溝內僅有季節性水流。
地下水類型主要為基巖裂隙水,其次為第四系孔隙水。基巖裂隙水分布不均一,主要賦存于斷層及其影響帶破碎巖體中。竹山斷裂破碎帶及其影響帶巖體裂隙發育,是裂隙水富集區。區內基巖裂隙水主要受大氣降水和徑流上游地下水補給,向沖溝和徑流下游排泄。第四系孔隙水主要賦存于全新統坡洪積層含碎、塊石粉質黏土中,一般以上層滯水[9]的形式存在,另在竹山斷裂破碎帶的斷層泥條帶或團塊中亦賦存有少量孔隙水。
基于現場和室內滲透試驗成果,結合工程經驗提出不同水文地質單元的透水性:微新巖體一般具極微-弱透水性(K=i×10-7~i×10-5cm/s,其中1≤i<10,K為滲透系數,下同);斷層破碎帶及其影響帶一般具中等透水性(K=i×10-3cm/s),局部具強透水性;全新統坡洪積層中的含碎、塊石粉質黏土一般具微透水性(K=i×10-6cm/s)。
研究區內地層產狀總體為340°~356°∠35°~45°,巖層走向與洞軸線夾角約20°。局部由于構造原因產狀有所變化。
基巖裂隙較發育,特別是斷層影響帶裂隙一般密集發育[10]。區內裂隙大都為構造裂隙,少量為卸荷裂隙,卸荷裂隙主要分布于地表部巖體中。
竹山斷裂為區域性大斷裂,位于西南部,走向NW,總體表現為由NE→SW的逆沖性質,常造成地層的缺失并破壞兩側褶皺的完整性。斷裂面呈舒緩波狀,區域寬10~1 000 m不等。主體傾向北東,走向290°~310°,傾角30°~70°。研究區內竹山斷裂由F6(南支)和F7(北支)兩條分支斷層組成。其中F6斷層位于麻安高速(G4213)SW側約550 m,F7斷層位于麻安高速NE側約30~95 m。DZK2鉆孔于孔深44.7~126.3 m揭露F6斷層破碎帶,DZK3鉆孔于孔深26.6~92.3 m揭露F7斷層破碎帶。F6和F7斷層工程地質特性詳見表1。斷層帶巖芯普遍軟弱、破碎,含石英脈,局部夾含斷層泥[11],局部含泥量增大構成斷層泥條帶(或團塊),鉛直厚度達2.4 m(DZK2鉆孔揭露孔深79.4~81.8 m)。

表1 F6和F7斷層工程地質特性Tab.1 Engineering geological properties of F6 and F7 faults
對區內巖石取樣進行了室內物理力學性質試驗,試驗成果統計列于表2。

表2 研究區巖石物理力學性質試驗成果統計Tab.2 Statistics of test results of main rock’s physical and mechanical properties in the study area
根據巖石物理力學性質試驗成果,結合工程經驗,提出各類巖石(體)的物理力學性質參數建議值(見表3)。

表3 研究區主要巖石(體)物理力學性質參數建議值Tab.3 Recommended values of physical and mechanical parameters of main rocks
根據現場地質鑒定,竹山斷裂斷層泥屬粉質黏土類或黏土類,呈可塑狀,較濕。借鑒工程經驗,提出斷層泥的物理力學性質參數建議值:天然重度約為19.7 kN/m3;天然抗剪強度c為8~10 kPa,φ為10°~13°。
沿干線隧洞軸線,竹山斷裂影響范圍包括F6和F7兩條分支斷層及其上、下盤影響帶(見圖2),斷層破碎帶及影響帶巖體軟弱、破碎。其中F6斷層及影響帶厚約73.9 m,沿洞軸線寬約100 m;F7斷層及影響帶厚約134.4 m,沿洞軸線寬約159.7 m,其影響范圍大。預測其影響范圍內隧洞圍巖類別為Ⅴ類,極不穩定,存在塑性大變形[12]、坍塌、涌水突泥[13]問題,需加強工程處理措施,采取超前支護措施[14],勢必會增加工期和工程量。總結竹山斷裂主要有3大地質缺陷:① 斷裂帶物質組成復雜;② 斷裂帶巖性軟弱、破碎;③ 破碎帶含水豐富。
(1) 斷層及其影響帶物質組成復雜,加大了洞室超前地質預報的難度,增加了施工風險。根據前期野外調查、鉆孔揭示及施工期1號施工支洞開挖揭露,竹山斷裂分支斷層及其影響帶主要由破碎巖體和斷層泥條帶或團塊組成,各類組成物質分布規律性差。其中影響帶主要為破碎巖體,斷層泥較少。破碎巖體根據巖類可分為粉砂質千枚巖類和絹云母千枚巖類,根據完整程度又可分為較破碎類和破碎類[8]。斷層泥分布無規律,呈條帶狀或團塊狀,隨機分布,規模大小不一,大的厚度超過1 m,長度超過6 m,小的厚約數厘米,長數十厘米。根據土類分類,斷層泥可分為黏土類、粉質黏土類[15]等。由此可見斷層及其影響帶物質組成復雜,而且物質組成有其自身相對獨有的特點:組成物質主要為破碎巖體和斷層泥,斷層泥分布無規律,局部斷層泥條帶或團塊分布規模比較大。這樣加大了洞室超前地質預報的難度,增加了施工風險。
(2) 斷層及其影響帶物質軟弱、破碎,洞挖時極易產生塑性大變形。斷層及其影響帶主要由破碎巖體和斷層泥條帶或團塊組成,其中破碎巖體巖性為粉砂質千枚巖、絹云母千枚巖,巖性軟弱;其呈碎裂狀,受裂隙切割,巖石塊度僅數厘米到十余厘米,巖體較破碎-破碎。組成物質中破碎巖體巖性軟弱,斷層泥為可塑狀黏性土,其性狀極其軟弱,該類斷層工程上較為少見。破碎巖體組成的洞室圍巖極不穩定[16],圍巖易產生塑性大變形;斷層泥條帶或團塊組成的洞室圍巖極易產生塑性大變形。
(3) 斷層及影響帶含水豐富,高地下水壓力下易產生突泥現象。竹山斷裂中分支斷層(F6和F7)及其影響帶巖體破碎,巖體透水性較強,根據現場滲透試驗成果,斷層及其影響帶一般具中等透水性(K=i×10-3cm/s),局部具強透水性。斷層及影響帶內地下水位為365.5~370.5 m,埋深為數米,高于隧洞底板約65~90 m。竹山斷裂中斷層及影響帶含水豐富,是有一定規模的富水體,亦是地下水徑流的主要通道[17]。分別采用裘布依理論公式和古德曼經驗公式[18]對施工期主洞中正常涌水量和施工初期最大涌水量進行預測[19]。竹山斷裂分支斷層F6及其影響帶施工期正常涌水量和施工初期最大涌水量分別為10.6 m3/h和178.3 m3/h;分支斷層F7及其影響帶施工期正常涌水量和施工初期最大涌水量分別為9.8 m3/h 和254.1 m3/h。斷層及影響帶含水豐富,為涌水突泥提供了補給水源,在高地下水壓力下產生突泥現象。不過該水源僅是斷層及影響帶內自身賦存的地下水,水量有限,突泥規模有限。
1號施工支洞穿過竹山斷裂分支斷層F6,穿越段洞身埋深77~101 m,圍巖濕潤。F6斷層破碎帶物質主要為斷層泥條帶和團塊(見圖3)斷層帶寬約46 m;斷層兩側影響帶寬7~12 m,巖性為粉砂質千枚巖和絹云母千枚巖,影響帶內巖體較破碎-破碎。F6斷層破碎帶及其兩側影響帶工程特性差,特別是斷層破碎帶部位圍巖穩定性極差,基本無自穩能力。綜合分析,1號施工支洞過竹山斷裂段洞室圍巖類別為Ⅴ類。
該洞段成洞后不久就產生了較大變形。洞室開挖支護措施主要為:① 首先利用超前物探技術探測掌子面前方的地質情況;② 采用注漿小導管對掌子面前洞頂圍巖進行超前支護;③ 采用上、下臺階法進行開挖和支護,機械開挖方法能用即用,嚴格控制單循環開挖進尺,并及時支護;④ 初期支護措施為系統錨桿+鋼筋網+鋼拱架(間距1 m)+噴射混凝土;⑤ 支護完成后,立即設置變形觀測點對洞室進行變形監測。
過竹山斷裂洞段的支護施工完成后不久,變形監測發現過斷裂段洞室變形較嚴重:2021年4月10日發現樁號K0+190~K0+235段洞室左壁中部鼓脹,在支護結構表面出現張開度約1 cm的縱向變形裂縫,右壁中部鼓脹不明顯,但可見張開度為數毫米的縱向變形裂縫,另見少量橫向和斜向裂縫;至4月16日縱向變形裂縫進一步延伸至樁號K0+182~K0+246,洞室左壁中部鼓脹變大,變形裂縫張開度增大至2~3 cm。洞室左、右壁中部鼓脹部位正好位于上、下部支護結構的連接處,鋼拱架兩側直立段上、下分部連接處可見明顯彎折變形。洞室收斂變形6 d內最大達30 mm,此后幾天洞室收斂變形不斷發展,變形范圍進一步擴大,變形量不斷增大。
收斂變形后洞室的橫斷面尺寸縮小,不能滿足洞室設計尺寸的要求,造成侵限。如果不及時采取工程措施控制洞室變形,任由變形發展,勢必會使洞室變形不斷加大,直至洞室坍塌。
鑒于K0+182~K0+246段洞室變形在不斷發展,為防止洞室大變形,甚至坍塌,并解決“侵限”問題,經業主、設計、監理和施工四方共同討論確定變形處理方案:逐根拆裝鋼拱架,重新安裝的鋼拱架間距由原來的1.0 m縮小至0.5~0.8 m,其中K0+189~K0+235.4段(斷層泥為主的洞段)鋼拱架間距縮小至原來的一半(0.5 m),K0+181~K0+189和K0+235.4~K0+247.7兩段(破碎巖體為主的洞段)鋼拱架間距縮小至0.8 m;洞室直立側壁由原來上、下兩小段工字鋼相接改為整根工字鋼;鋼拱架兩側底腳進入基巖并采用工字鋼橫撐連接,及時硬化洞室底板。2021年4月20日開始對洞室變形進行工程處理。變形處理后定期進行變形監測,經半年多的變形監測成果顯示,1號施工支洞過竹山斷裂段洞室變形得到了有效的控制。
1號施工支洞過竹山斷裂段洞室變形處理過程,可作為2號隧洞過竹山斷裂前的一次生產性試驗。施工中積累了豐富的經驗和深刻的教訓,主要經驗和教訓總結如下:
(1) 在1號施工支洞過竹山斷裂的隧洞工程施工中,無論從施工技術,還是人力、物力上,均沒有考慮對竹山斷裂地質缺陷可能導致的工程安全隱患采取有針對性的應對措施。
(2) 施工中超前勘探手段單一,僅采用的超前物探手段,應對復雜的地質條件具有明顯的局限性,難以準確地探測出斷層的位置和特性。為準確查明掌子面前方的地質情況,應進行精細化勘察。配合超前物探,采用超前鉆探手段查明掌子面前方的地質情況是必然選擇。
(3) 施工中嚴格控制單循環開挖進尺,并及時支護,使得施工時未出現大的掉塊和塌方。說明控制好單循環進尺能有效地提高圍巖臨時自穩能力,有力地保證初期支護的施工安全。
(4) 圍巖支護措施與施工存在的主要問題有:鋼拱架兩側直立段上、下分部連接處為施工控制的薄弱點,在圍巖壓力作用下易向洞室內彎折變形,導致洞室左、右兩壁中部鼓脹;鋼拱架底腳未落實,底腳懸空或坐落在虛土上;洞底保護不到位,導致運渣車、反鏟挖機等機械碾壓洞底形成較深水坑,影響支護結構的支護效果,危及洞室安全;與鋼拱架連接的錨桿的錨固力未達到設計要求。出現上述問題的主要原因在于,圍巖支護措施未充分考慮復雜的地質條件和圍巖軟弱破碎情況,施工過程中又未予以高度重視。因此,在施工中,業主、監理和施工方應加強施工管理,進行信息化施工,加大施工質量的管控力度。
(5) 針對不同特性的物質成分組成的圍巖采用不同的支護措施,進行精細化工程處理。對于組成物質以黏性土(斷層泥)為主的圍巖,注漿小導管超前支護效果較差,施工中經常產生掉塊和塌方,建議采用管棚進行超前支護。
(6) 應在充分論證圍巖工程地質特性的基礎上,科學設置鋼拱架間距,以控制圍巖變形,提高圍巖穩定性。
(7) 變形監測對于確保工程施工安全、工程保質保量順利實施具有重要作用。利用變形監測數據可及時了解洞室變形情況、變形趨勢、洞室穩定性,以便對可能出現的施工安全隱患和施工質量問題采取針對性的處理措施。
根據竹山斷裂地質缺陷,借鑒該工程中1號施工支洞過竹山斷裂的工程建設經驗,提出2號隧洞穿過竹山斷裂的工程應對策略總的原則是:先查后治,變形監測;周密策劃,穩妥施工[20]。應對策略具體技術路線為:應用“精細化”工程技術理念,制定經濟合理、技術可行的隧洞開挖、支護方案;采用綜合勘察手段,開展精細化超前地質預報工作;研究精細化施工處理措施,及時調整隧洞開挖、支護方案;按照確定的隧洞開挖、支護方案,開展隧洞施工工作;加強洞身變形監測,根據施工揭露的地質情況及時進行設計變更。
針對竹山斷裂的地質缺陷,應用“精細化”工程技術理念,制定經濟合理、技術可行的隧洞開挖、支護方案,并組織有經驗的專家對方案的可行性進行論證:
(1) 預先配置相應抽水能力的抽水設備,應對可能出現的涌水問題。
(2) 開挖前實施超前支護,對不同的圍巖條件采取不同的超前支護措施,即實施精細化超前支護:對地質條件相對較差的以斷層泥為主的洞段,采用管棚[21]進行超前支護,管棚間距可適當加密;對于地質條件相對較好的以破碎巖體為主的洞段,可采用超前注漿小導管[22]進行超前支護。
(3) 洞內開挖采用機械開挖方式,不宜采用鉆爆法。
(4) 洞內初期支護采用系統錨桿+鋼筋網+鋼拱架+噴射混凝土進行強支護[23]。鋼拱架間距根據圍巖情況確定,力求精細化,一般為0.5~0.8 m,比原設計鋼拱架間距有所縮小;圍巖地質條件相對較差的洞段,即以斷層泥為主的洞段,鋼拱架間距取小值,以破碎巖體為主的洞段,鋼拱架間距取大值。
(5) 二襯采用鋼筋混凝土進行強支護。
受到地下巖體地質條件復雜性和相對不均一性的限制,以及受到經濟、技術局限性制約,前期勘察工作很難查清地下微觀巖體地質條件,甚至局部宏觀巖體地質條件亦難以查清。而隧洞工程對微觀巖體地質條件十分敏感,要求查清掌子面前方每一處的工程地質條件,即進行精細化勘察,及時對圍巖的穩定性及圍巖類型進行判斷,并對掌子面前方的圍巖地質條件進行分段,以便及時對不同性質、不同規模、不同程度[24]的工程地質問題采取相應的處理措施,使工程處理精細化,避免大的地質災害的產生。
竹山斷裂具有3大地質缺陷:斷層及其影響帶物質組成復雜,物質軟弱、破碎,且為富水地質體,其所在洞段地質條件極其復雜和不均一,為了詳細查清隧洞掌子面前方的地質條件,可采用綜合勘察手段(包括地質分析法、超前物探法和超前水平鉆孔法),開展精細化超前地質預報工作[25]。首先采用超前物探法大致探查出掌子面前方的物性異常情況,初步預測竹山斷裂的分布位置及物質組成,以及地下水情況,再在超前物探的基礎上采用超前水平鉆孔法[26],精準探查出掌子面前方的地質情況。及時收集分析前期及施工期地質資料,包括前期勘察成果、物探成果、試驗成果和施工期地表調查、洞內地質勘查、地質編錄、風鉆孔探測等資料,了解掌子面前方洞段的地質條件。超前物探法可采用地震波法(適用于長距離探測,常用的有TSP)、地質雷達法[27](適用于短距離探測)和紅外線探水儀法,實際超前探測中可采用長距離和短距離探測相結合進行,大致探測掌子面前方洞段的地質條件;超前水平鉆孔法系通過鉆取掌子面前方地質體的巖芯,直接地、準確地探測掌子面前方地質情況。通過采取綜合勘察手段進行超前勘查,對竹山斷裂所在洞段進行實時超前地質預報,并提出精細化工程處理措施建議。
應充分利用超前地質預報成果,研究精細化施工處理措施,及時調整隧洞開挖、支護方案,以使施工方案更加經濟、合理、安全。調整方案需做好以下幾點:
(1) 就前期對掌子面前方圍巖工程地質分段的預判進行調整,使工程地質分段更加精細化。圍巖工程地質分段的預判包括分段的段數、分段的范圍,以及分段的圍巖地質特征、主要工程地質問題和類別。
(2) 根據調整后的掌子面前方圍巖工程地質分段的預判結果,研究精細化工程處理措施,相應對掌子面前方圍巖的工程處理措施進行調整。對工程處理進行精細化分段,應確定分段的段數,每個分段的范圍和對每個分段圍巖需采取的具體的工程處理措施。
(3) 進一步對與工程處理措施相關的工藝、工序、工法和施工組織進行相應調整。
(4) 工程處理措施的調整應符合設計要求。
在對竹山斷裂所在洞段進行掘進施工時,應按照確定的隧洞開挖、支護方案,開展隧洞施工工作,杜絕馬虎大意和偷工減料。施工單位應該安排工法熟練、有經驗的施工隊伍,配備經驗豐富的專業技術人員和充足的設備、器材;監理單位應認真履行自己的監督管理職責;業主單位應從資金、物質、協調等方面大力給與支持。施工時需注意如下幾點:
(1) 隧洞開挖后及時進行支護,開挖一個循環進尺就支護一個循環進尺,禁止連續開挖兩個及以上的循環進尺再進行支護。
(2) 管棚施工中應按從試驗注漿獲取的施工參數(包括水泥漿的水灰比、注漿壓力等)進行注漿施工。
(3) 做好施工記錄。
(4) 如果施工中出現異常情況,如施工前預測的掌子面前方的地質情況與實際開挖揭露的有一定出入、一些支護措施未達到預期效果等,應及時分析研究,可對施工方案進行微調,以使施工效果達到最佳。
變形監測是工程建設必不可少的重要環節。變形監測是工程的“眼睛”,洞身收斂變形量及變形趨勢一般是肉眼看不出來的,但可通過專業的變形監測設備定期進行測量得出。竹山斷裂所在洞段地質條件復雜,為地質災害風險極高的地段,應加強洞身的收斂變形監測,特別是斷層泥條帶、團塊分布較多的洞段,應加密變形監測點或斷面,以起到檢驗工程處理的效果和安全預防作用。
通過對竹山斷裂地質缺陷的深入分析,并借鑒已完工的穿越竹山斷裂的隧洞工程建設經驗,總結出有針對性的隧洞穿越竹山斷裂的工程應對策略。在分析研究過程中,充分利用施工期間揭露出的地質情況,不斷修正和完善前期地質勘察成果,為竹山斷裂地質缺陷的分析提供了可靠的依據;已完工隧洞的工程建設經驗為隧洞穿越斷裂的工程應對策略的制定提供了強有力的技術保障。在工程應對策略中,創新性提出了精細化勘察、精細化工程處理等“精細化”工程技術理念。本文分析研究的過程和成果,特別是“精細化”工程技術理念,對類似工程的建設有很好的借鑒參考作用,對其他一般工程建設也有一定啟發作用。