藏區高速公路隧道圍巖變更管理方法探討

張樂, 潘恒

[摘要]雅康高速是四川進入甘孜藏區第一條建成的高速公路，其天全至二郎山段是典型的四川盆地第二階梯向西藏第三階梯過渡帶，地質地形極其復雜造成隧道工程建設難度大。在定性為主定量為輔的總體思路下，建設階段總結出一套適用于川藏地區典型條件下公路隧道圍巖判別方法，并以此運用到圍巖施工支護參數調整，為后期涉藏隧道工程提供借鑒經驗。

[關鍵詞]隧道; 圍巖分級; 支護參數; 工程變更

[中國分類號]U451+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

目前，隧道設計階采用的圍巖判別方法主要以地勘推算BQ值為主進行歸類劃分，在歸類的基礎上結合圍巖不同的狀態，調整超前支護、鋼架間距及仰拱不同等施工支護參數的設置。藏區高速隧道的特點是：隧道圍巖在開挖揭露前和揭露后往往存在較大差異，頻繁的設計支護參數的動態調整是不得不面對的現實情況。據統計，以雅康高速為代表的藏區高速隧道圍巖最大變更率超過70%，為解決隧道工程建設與設計吻合度不高、變更數量多問題，自2016年2月雅康高速公路實施隧道圍巖變更綜合管理至2018年建成通車，天全至二郎山段在綜合管理下累計產生隧道變更1 000余份，安全高效施工隧道超2萬m。

1工程概況

雅康高速公路是四川進入藏區第一條建成高速公路，2018年建成通車以來，為實現藏區經濟快速發展起到重要紐帶作用。天全至二郎山段是地形陡然抬升區域，是典型的四川盆地第二階梯向藏區高原第三階梯的過渡帶，沉積巖和火成巖交替出現，陡升段包含二郎山隧道等共12座隧道（含斜井），2016.2-2017.1施工階段隧道變更率如表1所示。

該段場區屬構造、剝蝕高中山地貌區。區內地貌多形成高山、峽谷。溝谷多呈“V”型，谷底陡窄，溝床坡降大，水系呈樹枝狀。調繪區山脊最高約1 720 m，溝谷最低約930 m，地形總體變化大。其中紫石隧道、喇叭河隧道和二郎山隧道為越嶺隧道，其余隧道為傍山隧道，均位于天全河右側斜坡上.場區在漫長的地質時代，經歷了多次不同方式的構造運動：經向構造體系、華夏系、新華夏系、歹字型構造體系及香爐山弧形構造，不同地質時代發育有眾多構造，因此該段工程地質分區劃分為3個小區（表2）。

2雅康高速圍巖現場判別思路

2.1隧道圍巖分級常見方法

據不完全統計，全世界圍巖分級的方法目前有10余種，

主要包括巖體質量指標BQ、巖石質量指標BQ及修正、巖體質量評分、坑道巖體質量指標（Rm）、巖體堅固系數（fkp）等，由于各個行業不統一，造成各類規范繁多。

2.2雅康高速隧道圍巖判別方法

為使得隧道圍巖判別現場更具有可操作性，在缺乏部分定量指標的情況下，雅康高速以定性為基礎定量判別為輔助的方法，形成具有雅康高速特點的隧道圍巖判別卡，從而達到快速確定隧道施工支護參數的目的。本文以雅康高速公路喇叭河隧道某掌子面為例（支護參數由Z3變更為Z4W+D），簡述判別方法。

2.2.1主要判別指標

強度和完整性是圍巖判定公認最為重要的指標，通過此2項主要指標能判定圍巖的大致級別。

2.2.1.1強度的判別

巖體抗壓強度實測值一般采用巖石單軸抗壓強度或點荷載強度進行換算，2種方法均只能在試驗室完成，缺乏實操性。一切以現場解決問題實際出發，強度采用巖性判斷和敲擊、錘擊方式方式進行鑒別，采用定期或不定期試驗室取樣測算不同階段巖性下巖石的抗壓強度，只需判定圍巖強度的大致范圍：即堅硬巖（>60 MPa）、較硬巖（30-60 MPa）、較軟巖（15-30 MPa）、軟巖石（5-15 MPa）和極軟巖（<5 MPa）。

2.2.1.2完整性的判別

準確的巖石完整性指標是通過巖體和巖石壓縮波波速比的平方獲得，在需要快速鑒別的情況下，采用體積節理數或結構面平均間距來大致區分完整性程度是最有效方法。相比較而言，采用體積節理數比結構面間距方法更有利于與完整性一一對應。

體積節理數計算方法：每一測點必須不小于2 m×5 m，選擇有代表性的露頭或開挖面統計。除成組節理外，對于延伸長度大于1 m的分散節理同樣統計，體積節理數計算方法見式（1）。

JV=S1+S2+……+Sn+Sk［4］（1）

式中：Sn為第n組節理每1 m長測線上的條數；Sk為每1 m3巖石非成組節理條數（條/m3）。

公路隧道開挖斷面約100 m2，在掌子面選擇3個2 m×5 m的大小的區域（區域分別選擇拱頂、拱腰兩側共3處，如圖1所示），基本覆蓋開挖輪廓線周邊，取最差區域作為計算完整性體積節理數的代表區域，即3個區域以最不利狀況為控制單元（3處中最差的地方能承受，意味著一環拱架的其他地方也能承受），通過節理計數的方法判定完整性（表3、表4）。

2.2.2次要判別指標

通過圍巖判定的主要因素能初步判定圍巖所處的大類，而進一步的支護參數修訂需要用到次要判別指標，次要判別采用掌子面附近地下水狀態及圍巖掌子面產狀矩陣指標。

2.2.2.1地下水的狀態

按照掌子面附近至二次襯砌未封閉段地下水狀態綜合情況劃分為3種狀態：好（掌子面附近干燥或潮濕）、中（掌子面附近淋雨狀態）、差（掌子面股狀出水或壓力噴水）。

2.2.2.2產狀

產狀中主要影響因素是結構面的傾角以及結構面和洞軸線夾角，基于相互之間關系劃分為3種狀態：好（結構面傾角近垂直：大于75°；結構面走向與洞軸線夾角大于60°（即大角度相交）），中（傾角近水平，0°～30°，結構面走向與洞軸線夾角其它組合），差（傾角30°～75°，結構面走向與洞軸線夾角小于30°（即小角度相交））。水的狀態和產狀按照好、中、差3種狀態劃定后，按照一定規則進行綜合折減，Ⅳ級及以下圍巖在涌水條件下均考慮帶仰拱模式（表5）。

快速鑒別掌子面產狀除采用羅盤等設備外，在現場可采用2種方案快速獲取大致產狀：一是在每一循序中，采用掌子面邊墻露頭線和側墻臨空面內同一結構面露頭形成的兩根交線，兩線確定一面，從而獲得結構面的產狀；二是采用相臨兩個循環掌子面的結構面兩條平行線，兩線確定一面，通過相鄰循環開挖進尺確定產狀（表6、表7）。

2.2.3其他綜合指標

其他綜合指標可以綜合考慮地應力狀態、巖體風化程度或差異風化程度、長大裂隙的發育和結構面起伏狀態、巖石軟化系數等情況，通過支護參數再次修正，修正內容主要包括超前支護種類及微調鋼架間距等。

（1）地應力狀態：地應力和埋深及地質構造有較大關系，地應力的檢測需要專業設備測定，現場不容易直接獲得為圍巖強度應力比，因此在無特殊條件下均可暫時不考慮地應力因素，發生特殊狀態如巖爆等狀況時進行綜合修正參數。

（2）巖體風化和差異風化程度：風化程度指巖體風化和未風化彈性縱波速度比值，在隧道施工中可通過掌子面圍巖強度和色澤進行宏觀判別，實現定性判別。

（3）長大裂隙的發育和結構面起伏狀態：將隧道貫通性裂縫進行折減并對支護參數進行修正，一般而言結構面延伸長度達到大于10m條件下，結合結構面起伏狀態和充填類型（無充填、巖屑、泥質充填），對隧道施工支護參數進行微調。

（4）遇水軟化巖石：雅康高速天全至二郎山段的以巖漿巖和沉積巖為主，含部分斷層變質巖?？傮w而言，區域常見的硬質巖漿巖為不軟化巖石，而處于強風化或卸荷帶等變質后的巖漿巖呈軟質態，成為遇水軟化巖石（喇叭河隧道K71+500段即為此類型）；區域常見的砂巖為透水巖石，基本無軟化，但侏羅紀石英砂巖、奧陶系砂巖（如二郎山隧道東支斷裂即為此類型）、新第三系紅砂巖為等軟化巖石；其它常見的遇水軟化或分解巖石如泥巖、碳酸鹽、泥質灰巖、石灰巖、硫酸鹽巖及部分變質巖等。有水狀態下遇水軟化或分解的圍巖

必須采用帶仰拱施工方案，否則運營后路面有開裂風險較高（表8、表9）。

3隧道變更主要過程管理方法

3.1雅康高速公路隧道變更主要的流程

雅康高速公路隧道專項變更管理方法2016年2月起在雅康高速公路天全代表處范圍內試用，經試用后逐步向整個雅康高速隧道專項管理中推廣應用。其主要思路是堅持四方現場會審及分級管理原則。在需要變更的里程到達前一循環由施工單位技術負責人與駐地高監、隧道專監共同到掌子面現場，經施工方和監理方核實填寫《雅康高速公路圍巖級別（支護參數）現場初步判別卡》（以下簡稱“判別卡”），初步判定是否需要變更及變更大致金額。在四方會審前由駐地辦監理將核實后的判別卡、超前地質預報和監控量測資料及現場照片、地質素描圖發總監理工程師，總監理工程師審核后通過線上（或平臺）傳至代表處負責人、業主代表及隧道專業工程師，并由隧道專業工程師知會隧道及地質設計代表。經確認需要變更的，按照相應流程進行現場（或遠程）四方會審，通過將現場實際狀況與超前地質預報結論和監控量測反饋數據結合起來，綜合判定支護參數并修正判別卡后予以實施。

3.2圍巖級別判別及支護參數調整主要方法和要求

采用定性和定量相結合的方式，以定性為主來確定圍巖級別和具體施工支護參數，按照前述分3個重點板塊：主要指標（強度和完整性）、次要指標（地下水和產狀）、其它綜合指標（地應力、風化及差異風化程度、長大裂隙發育狀態及裂隙充填狀況、巖石軟化性質等）進行綜合判定。

一般條件下按照10 m進行一次工程變更，在以下條件下可增加或減少一次變更長度，以實現動態管理的目的：

（1）如圍巖條件較好、施工較快、前方圍巖判定明確，例如確定為Z3J支護參數，可一次變更20 m。

（2）圍巖條件很差，變化頻繁、施工速度較慢，或者局部小型坍方等，可按照局部加強，例如確定為Z5J支護參數，可按照實際情況采用5 m或者小于10 m長度進行支護。

4小結

（1）隧道圍巖級別和支護參數的調以定性為主定量為輔，重點分3個大板塊：主要指標（強度和完整性）、次要指標（地下水和產狀）以及其它綜合指標。

（2）藏區高速公路地質條件極其復雜造成隧道變更數量多，沒有好的管理方法和動態圍巖管理思路就容易造成隧道安全事故，就不能實事求是推動工程建設。按照“執行合同、規范行為、精細管理、強化控制”的建設要求，將制度流程和技術結合，堅持現場四方會審機制，不斷完善和總結相關經驗是未來藏區高速公路隧道的必經之路，也為藏區高速公路隧道圍巖支護參數動態調整提供建設經驗。

參考文獻

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