超埋深特长隧道地质灾害分析与防治措施研究

2013-02-02张红艳

铁道建筑 2013年6期

关键词：大坪岩爆溶洞

张红艳，余莉，罗林

(1．湖北省谷竹高速公路建设指挥部，湖北房县 442100;2．中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

超埋深特长隧道地质灾害分析与防治措施研究

张红艳1，余莉2，罗林2

(1．湖北省谷竹高速公路建设指挥部，湖北房县 442100;2．中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

在建谷竹高速公路大坪山隧道为一座分离式高速公路特长隧道，最大埋深892 m。根据实测隧道地应力、数值模拟、室内试验结果和岩爆发生判据，预测在隧道施工中由于高地应力可能发生岩爆灾害;根据岩溶地质调查，分析了隧道开挖时可能存在的涌水、涌泥、各种溶洞等地质灾害，并对部分地段最大涌水量进行预测。提出利用超前地质预报与信息化施工预测与防治地质灾害，并对可能发生的岩爆、岩溶等灾害提出具体防治措施。

超深埋特长隧道地质灾害高地应力岩溶防治措施

1 工程概况

在建谷竹高速公路大坪山隧道为一座高速公路分离式特长隧道，进口位于襄樊市谷城县紫金镇，出口位于襄樊市保康县寺坪镇，隧道轴线方向约211°，呈NE—SW向展布。左幅里程桩号ZK42+729—ZK50+992，全长8 263 m，最大埋深约896 m;右幅里程桩号YK42+723—YK50+965，全长8 242 m，最大埋深约892 m。该隧道是一条典型的超深埋特长隧道。

隧址区在大地构造上位于扬子准地台(扬子克拉通)北缘的青峰台褶束，走向近EW向，略向北突出，由震旦系至下古生代的地层构成线状褶皱，由北至南大致形成背斜和向斜，震旦纪地层组成背斜核部，志留纪地层构成向斜核部，且均形成轴面向北倾斜和向南倒转的紧密褶皱。

由于南秦岭褶皱带向南逆掩，使这个褶皱带内形成一系列向北倾斜的逆断层，故各岩层间多以断层接触。这就是区域上称为城口(四川)—房县—青峰—襄樊—广济断裂的一段，该断裂在大坪山形成数条逆冲断层、破碎带及韧性剪切带。经调查，有规模不等的10条断层以不同角度穿越隧道区，使隧道围岩局部变得较破碎，另外有2条断层未穿越隧道区，仅在隧道进口附近形成破碎带。

隧址区出露、揭露的地层主要为志留系新滩组(S1x)页岩;奥陶系(O1n-O3S1l)生物碎屑灰岩夹少量炭质页岩、粉砂质页岩;下寒武统(1s-sl)泥质条带灰岩、炭质灰岩局部含页岩夹层;上震旦统—下寒武统灯影组(Z21dn)白云岩夹灰岩。

2 地质灾害分析

2.1 高地应力

2.1.1 实测地应力与数值模拟结果

中国科学院武汉岩土力学研究所于2010年6月—8月期间，对拟建的大坪山隧道ZK10(补)、ZK11(补)钻孔采用水压致裂法进行了现场地应力试验，确定了各测试孔地应力场的大小和方向。

测试结果为：钻孔ZK10(补)的最大水平主应力最大值为14.74 MPa，最小水平主应力最大值为11.17 MPa;钻孔 ZK11(补)的最大水平主应力最大值为10.21 MPa，最小水平主应力最大值为7.46 MPa。

图1 大坪山隧址区地质纵断面示意

根据测试结果对大坪山隧址的地应力进行了ANSYS三维模拟，模型见图1。根据模拟结果，并运用回归分析可知：依据有限的实测地应力拓展计算大坪山隧址区初始地应力场，能较好地反映地形、地貌和地质条件对初始地应力场的影响。隧道左线设计高程处的最大水平主应力为6.79～18.80 MPa，最小水平主应力为0.04～7.96 MPa，竖直应力为0.93～23.47 MPa;隧道右线设计高程处的最大水平主应力为6.60～17.65 MPa，最小水平主应力为0.14～7.55 MPa，竖直应力为0.81～22.90 MPa。总体上，隧道围岩的最大水平主应力大于竖直应力，即以水平构造应力场为主导。

2.1.2 岩爆发生的可能性判断

在2011年9月—2012年2月对隧址区的岩石尤其是与深埋段相近的岩石进行了采样，并在室内制作了试验样本，对样本分别进行了单轴压缩试验、三轴压缩试验以及剪切试验，得到的参数见表1。

表1 岩体力学参数

根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)中关于围岩分级的岩石单轴饱和抗压强度Rc与定性划分的岩石坚硬程度对应关系，可知隧址区的白云岩、灰岩为硬质岩。根据前述模拟的地应力结果与试验所测参数，可以计算出Rc＜4，属于高初始地应力地区。进而可知该地区岩体在开挖过程中可能出现的主要问题为：会有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差。

根据Russenes岩爆判别法、Turchaninov岩爆判别法、Hoek岩爆判别法、Barton岩爆判别法、陶振宇岩爆判别法以及徐林生岩爆判别法［1-3］，可以得出结论：隧道在开挖过程中可能遇到岩爆，尤其在地应力较高地段。

2.2 岩溶

2.2.1 岩溶的现场地质调查

大坪山隧道全长8 263 m，其中穿越可溶岩岩层区长度约为6 548 m，隧道区断层交错，裂隙发育，降雨充沛，这些因素都为岩溶的发育提供了条件。野外地质调查发现，在浅灰色细晶白云岩、微—细晶灰岩等可溶岩中发育有溶蚀洞穴，野外可见洞穴大小0.5～1.2 m，受大气降水补给，多为小型岩溶泉。隧道区岩溶主要受断裂构造影响，发育于逆冲推覆断层与高角度断层交汇处或泥砂质底层交切附近，隧道岩溶统计见表2。结合物探与钻探结果可知，岩溶发育段为K42+700—K43+300，K44+500—K44+600，K49+000—K49+200。

表2 隧道岩溶点统计

2.2.2 岩溶分析

1)K42+723—K47+500段

段位于大坪山分水岭以北，微地貌形态属构造剥蚀、侵蚀低山～低中山，地形起伏较大，地表岩溶发育程度一般。大气降雨多形成坡面径流向坡下汇集，小部分降雨渗入地下，顺层面和横张节理运移，难以形成大型岩溶管道和地下暗河。但在该区域内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为断层破碎带，可能成为局部突水的地段。根据物探资料，在K42+700—K43+300和 K44+500—K44+600处可能有岩溶发育，在这些区段可能发生较大规模的突水突泥，应加强超前预报并采取适当措施。预测此段正常涌水量为6 742.65 m3/d，最大涌水量58 276.98 m3/d。

2)K47+500—K50+965段

该区段位于大坪山分水岭以南，微地貌形态属构造剥蚀、侵蚀低山～低中山，地形起伏较大，地表岩溶发育程度相对较弱，大气降雨多形成坡面径流向坡下汇集，小部分降雨入渗地下，顺层面和横张节理运移，因此不致形成大型岩溶管道和管道流，但在该区域内K49+200—K49+320和 K49+740—K49+850为断层破碎带，可能成为局部突水地段，值得注意。根据物探资料在K49+000—K49+200处有岩溶发育，在这些区段可能发生较大规模的涌水突泥，应加强超前预报并采取适当措施。预测此段正常涌水量为5 549.36 m3/d，最大涌水量47 963.29 m3/d。

2.3 其它地质灾害

对于大坪山这样的超深埋特长硬质岩隧道，除了高地应力引起岩爆，以及岩溶引起的突水突泥地质灾害外，在施工中还可能存在着由于隧道开挖卸荷引起的围岩局部或者拱形的变形破坏(衬砌开裂、塌方以及冒顶等)，由于隧道内长期涌水或大量抽取地下水、隧道顶板冒落或者塌方引起的地面沉陷和塌陷，以及由于有害气体的存在引发的瓦斯爆炸等不良地质问题。

3 防治措施

3.1 超前地质预报与信息化施工

大坪山地区属于碳酸盐岩丘陵区，根据对大坪山岩溶发育研究结果以及地质调查资料，可预测大坪山隧道可能出现的不良地质体包括断层、破碎带、溶隙、溶洞、暗河等［4-6］。

为了减少地质灾害的发生，保证隧道施工安全，以地质调查分析为基础，采用地震波(TGP)、地质雷达和红外探测等物探方法进行预报预测，并结合对隧道的监控量测，实时掌握隧道围岩和掌子面前方的变形和破坏情况。超前地质预报实施方案流程见图2。

图2 超前地质预报实施方案流程

在大坪山施工中，通过加强监控量测定性或定量地评价设计和施工效果，再不断改善设计和施工，如此反复不断达到信息化施工［7-8］，使施工更加快速、安全、经济。

3.2 岩爆的防治措施

1)改善围岩体物理力学性质。在爆破后立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水，这是目前最常用且有效的措施。

2)应力解除。采用超前钻孔和纵向切槽等方法提前释放部分应力，减小岩爆发生的能量。

3)及时施作锚喷支护。工程实践表明，该方法在防治岩爆方面有一定成效。

4)采取“短进尺、弱爆破”，并严格控制炮眼利用率，可以降低岩爆的发生频率。

3.3 岩溶的预防措施

根据地质预测预报结果，深入分析和研究特定段落的工程和水文地质条件、岩溶发育特点，优化施工方法和开挖顺序。开挖前应确保超前支护的质量，提高预留变形量，以便为加固处理留下空间。优化支护结构的设计参数，灵活采用注浆技术、锚喷网和钢拱架联合支护技术。提出岩溶段施工处治措施，分别以引、堵、越、绕等措施进行综合处理［9-10］。

3.3.1 隐伏溶洞处治建议

隐伏溶洞是指：①隧道开挖未揭穿，但超前预报显示隧道周边附近存在溶洞;②隧道开挖和超前地质预报均未发现明显的溶洞，但实际开挖面又出现较大涌水量，则围岩整体地质可判定为岩溶不良地质。

在出现上述隐伏溶洞时，处治方法为：

1)根据掌子面渗水情况，优先选择“先超前预注浆堵水，再开挖、支护，一次性通过”的方案进行处治。

2)根据超前预报结果，对未揭穿周边溶洞，参照显式溶洞处治方法实施。

3.3.2 显式溶洞处治建议

显式溶洞是指隧道开挖揭示出隧道周边不同部位发育有明显的溶洞。其处治方案如下：

小型溶洞处理：对出露于拱部、边墙及底板的、发育有限(溶洞洞径≤1/5隧道开挖洞径，一般按2.5 m考虑)、溶蚀充填物易于清理的小型溶洞，原则上采用复合式回填结构，其要点是：①对溶洞回填断面采用双层回填结构;②对于回填材料，远离衬砌的那层回填材料应选用具有一定渗透力，不会造成溶洞原有排水通道堵塞的透水材料，如砂袋、干码片(块)石等，而对于紧靠衬砌的那层回填材料应选用强度较高、渗透系数较小的隔水材料，如泵送混凝土或浆砌片石、片石混凝土等。

对溶洞出露的不同部位的处理建议如下：

1)拱部。出露于拱部的小型溶洞，应清除洞内充填物，有条件时，可对溶壁进行喷锚防护，并保证锚杆嵌入基岩不少于1.0 m。在隧道衬砌施工后，浇筑C25混凝土护拱，护拱应设锁脚锚杆，最后吹砂充填。

2)边墙处。出露于边墙的小型溶洞，在隧道衬砌施工前，浇筑C15片石混凝土或M7.5浆砌片石护墙，墙背以干砌片石回填。

3)底板下部。出露于底板下部的小型溶洞，在隧道底板浇筑前，应清除溶蚀充填物，自下而上，以干砌片石或C15片石混凝土换填。

3.3.3 大型溶洞处理

对洞体充填丰满、难于回填、不宜填塞的大型溶洞，原则上应因地制宜进行处理。

1)洞体深、充填丰满的大型溶洞，且隧道从溶蚀充填体中穿过，建议按预注浆、管超前、强支护、梁跨越的方式进行处理。

2)出露于隧道边墙及底板、不能堵塞的大型溶洞(岩溶管道)，建议按梁跨方式处理，梁跨的具体设计根据探明的岩溶特征确定。

3)对横穿隧道洞身、不能阻塞的大型溶洞(如地下暗河)，应考虑按泄水洞的方式进行处理，泄水洞的平纵面设计应根据现场情况而定，其出水口与溶洞(地下暗河)的下游相联或引至地表，应在充分的技术和经济比选后确定。泄水洞净空应考虑排水、施工等因素。

3.3.4 突泥、涌水处理

1)注浆封闭，固结泥石流。

2)在原支护面上架立工字钢拱架进行加固。

3)初期支护每榀钢架边墙设置临时横撑，加固初期支护。

4)采用负压集中排水，加大排水，减小水压力，加大注浆压力，改良塌体，提高塌体自稳能力。

5)24 h监控支护，加密监控量测断面及监测频率，对初支变形开裂处喷素混凝土封闭裂缝，观察变形发展情况。

4 结论

大坪山超深埋特长隧道中可能存在的主要问题是高地应力和岩溶引起的地质灾害问题。高地应力可能引起岩爆(坚硬岩石)与大变形(软岩)，岩溶可能引起涌水、突泥等地质灾害。采用现场勘查、试验、地质调查、室内试验以及数值模拟等方法进行预测分析，结合超前地质预报的探测，以及现场监测数据，提出了岩爆的预防措施与岩溶的处理措施，为隧道施工提供参考依据。

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U456．3+3

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．06．23