云桂线富宁隧道围岩分级变更分析

刘　伟， 吴朝钢， 张　瑞， 周飞棚

(1. 中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司， 云南 昆明　650200； 2. 中铁隧道集团四处有限公司， 广西 南宁　530007)

0　引言

准确判定围岩分级一直是隧道勘察中的一个难题。目前勘察手段比较先进，工作中一般都采用多种勘察手段综合确定围岩分级，但因地质体及环境的复杂性，不可预见因素较多，勘察确定的围岩分级在隧道施工过程中变更的现象非常普遍，且变更率较高。张家口至集宁铁路旧堡隧道原设计Ⅱ级围岩和Ⅲ级围岩洞段占隧道线路总长的 71.8%，而已施工揭露的工程地质条件较差，全部变更为Ⅲ级加强及Ⅳ级和Ⅴ级围岩，变更率高达80.3%[1]。南疆吐库二线喀拉塔格隧道全长7 687 m，围岩变更段达3 802 m，占隧道全长的49.5%[2]。根据调查统计，隧道正洞变更长度占正洞总长高达76.02%，正洞变更费用占隧道建设费用高达44.67%，且其围岩级别变更占设计变更的75%以上。隧道围岩分级发生变化时，隧道支护参数、开挖方法及施工工序等都将进行相应的调整[3]，这将对施工工期和造价造成较大的影响，较大的变更甚至会引起隧道工期延误及造价失控[4]。施工中隧道围岩分级的变更是不可避免的，但降低隧道围岩分级的变更率却是可行的，将围岩分级的变更率控制在一定范围内，将大大降低围岩分级变更对隧道施工的影响，对确保工期和控制投资等会起到重要的作用。

目前关于铁路隧道围岩分级，更多的是侧重于对判别方法、手段及理论的研究[5-7]，很少有通过对施工围岩变更原因的分析来探究隧道勘察围岩分级存在问题的研究。本文通过对云桂线富宁隧道围岩分级变更的分析，寻找该隧道围岩分级变更的主要原因，并反思勘察过程中应注意的问题，以提高围岩分级判别的准确性，减小施工中围岩分级的变更率。

1　隧道概况及勘察情况

1.1　隧道概况

富宁隧道处于富宁县城北侧，全长13 625 m，属铁路特长双线隧道，一般埋深为100～400 m，最大埋深约465 m。该隧道为云桂线重点隧道之一，属Ⅰ级高风险隧道。

富宁隧道区处于云贵高原向桂东溶原过渡的斜坡地带，地面高程为597～1 277 m，相对高差为680 m，地形起伏大，属构造侵蚀、剥蚀及溶蚀地貌。隧道穿过的主要岩层有二迭系下统栖霞茅口组灰岩，石炭系上统马平组灰岩夹白云岩，泥盆系中统坡折落组硅质岩，泥盆系下统芭蕉箐组白云质灰岩，坡脚组粉砂质泥岩、页岩及泥质粉砂岩，以及中三叠世时期基性侵入岩辉绿岩。隧道区地下水较发育，以基岩裂隙水及岩溶水为主，富水性弱至中等[8]。隧道区地处华南褶皱带滇东南褶皱系的富宁经向、纬向及北西向构造复合部位，不同规模构造体系的复合，构成了隧道区复杂的构造特征，共有8条断层穿过隧道，造成隧道区岩体节理裂隙较发育，岩体总体较破碎。富宁隧道工程地质纵断面见图1。

图1　富宁隧道工程地质纵断面示意图

1.2　勘察情况

为详细查清隧道区工程地质条件及水文地质条件，根据规范等要求，在初测、定测及补定测阶段，对富宁隧道采用了地质测绘、钻探、物探、综合测井、室内试验及水文地质试验等综合地质勘察方法，其中完成1∶50 000水文地质调绘300 km2，1∶10 000区域地质测绘70 km2，1∶2 000地质调绘7.5 km2，浅孔钻探13孔424.8 m，深孔钻探16孔4 329.27 m，在深孔中进行了综合测井(声测井、核测井、电测井、热测井等)及水文地质试验，可控源音频大地电磁法14 km。通过勘察，基本查清了隧道区的工程地质及水文地质条件。

2　勘察围岩分级的确定

2.1　围岩分级确定依据

根据《铁路工程地质勘察规范》及《铁路隧道设计规范》等的要求，隧道围岩基本分级应根据隧道围岩的岩体或土体特征、岩石的坚硬程度、岩体的完整程度、围岩的纵波速度及风化程度等地质条件确定(见表1)，并考虑地下水、高地应力的影响及隧道的埋深等因素后综合确定。

2.2　勘察围岩分级

富宁隧道通过工程地质测绘及隧道洞身物探后初步确定了隧道的围岩分级，在对洞身进行深孔钻探及孔内综合测井等工作综合分析后，最终综合确定了富宁隧道的围岩分级，作为施工图设计的依据。

全隧共划分围岩分级81段： Ⅲ级围岩12段4 020 m，占29.5%；Ⅳ级围岩40段6 500 m，占47.7%；Ⅴ级围岩29段3 105 m，占22.8%。

表1　岩体围岩基本分级表

注：Rc为单轴饱和抗压强度；Kv为岩体完整性指数。

3　施工围岩分级的变更

3.1　超前地质预报及施工地质工作

富宁隧道为Ⅰ级高风险隧道，预测全隧突水、突泥风险为极高度段落占隧道总长度的14.5%，突水、突泥风险为高度段落占隧道总长度的3.9%，塌方风险为高度段落占隧道总长度的15.5%。全隧采取地质调查法(地表补充地质调查和隧道内地质素描)、物探法(TSP、地质雷达法、红外探测)、超前钻探法(超前地质钻孔和加深炮眼)等多种手段进行综合超前地质预报[9-12]。

通过超前地质预报及施工地质工作，及时发现了隧道洞身围岩的变化、准确的地质分界线及断层破碎带及层间挤压破碎带、地下水发育段等，并根据实际情况对围岩分级进行了变更，包括正变更和负变更。

3.2　围岩分级的变更

富宁隧道于2010年10月开始组织施工，至2015年12月25日全隧贯通，在5年多的施工过程中，根据超前地质预报及施工地质工作、隧道开挖揭示的实际情况，由四方责任主体现场确认，全隧正洞共发生围岩分级变更210次，每次变更长度一般为20～30 m，总变更长度为5 189 m，占隧道总长的38.1%。其中正变更(由好变差： 包括Ⅲ级变Ⅳ级、Ⅲ级变Ⅴ级和Ⅳ级变Ⅴ级)长度为2 994 m，占隧道总长的22%；负变更(由差变好： 包括Ⅴ级变Ⅳ级、Ⅴ级变Ⅲ级和Ⅳ级变Ⅲ级)长度为2 220 m，占隧道总长的16.3%。隧道变更情况统计见表2。

表2　隧道围岩分级变更统计

经施工变更后，该隧道最终实际的围岩分级为154段： Ⅲ级围岩39段3 873 m，占28.4%；Ⅳ级围岩74段5 850 m，占42.9%；Ⅴ级围岩54段3 902 m，占28.6%。与勘察确定的围岩分级相比： Ⅲ级围岩减少了147 m，占3.7%；Ⅳ级围岩减少了650 m，占10%；Ⅴ级围岩增加了797 m，占25.7%。变更后围岩分级划分得更细、段落更多。

4　围岩变更原因分析

4.1　物探解译不准

富宁隧道具有地形复杂、埋深较大、地层岩性多、岩性复杂且差异大、地质构造及水文地质条件复杂等特点，为查清隧道区地层界线、断层破碎带及岩溶发育区的位置，破碎带、软弱带及富水带的埋深和规模，侵入岩接触界线等，对全隧洞身采用可控源音频大地电磁法、使用V8型大地电磁勘探仪进行物探勘察[8]。

可控源音频大地电磁法是磁法勘探的一种，是以电阻率的差异来区分岩性及构造体，并根据电阻率值的大小以及在地下的展布形式来识别地下地质体的空间分布和性质的一种物探方法[8]。该方法具有工作效率高、水平分辨率强、纵向频点数灵活、受高阻屏蔽小、对低阻层(体)反映灵敏及探测深度适中等优点[13]，适用于探查深部构造及地层的变化情况。

经物探探测和解译，全隧物探共划分124段物探异常段，分别为Ⅴ类异常28段长5 151 m、Ⅳ类异常49段长3 502 m、Ⅲ类和Ⅱ类异常47段长4 966 m，并基本对应Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ(含Ⅱ级)级围岩分级。与隧道最终的围岩分级相比，物探确定的围岩分级长度准确率约为66.6%。

从超前地质预报及施工揭示情况来看，物探确定的围岩分级总体基本合理，但也存在异常段飘移、断层破碎带过宽及解译错误等问题造成解译误差较大。

4.1.1异常段飘移

即解译的围岩异常段落是存在的，但位置向大里程或小里程端发生了飘移，飘移的长度一般为50～120 m，且高阻区和低阻区均会发生飘移。该隧道比较典型的异常段飘移有以下2段。

1)隧道洞身D4K339+454～+520段隧道埋深约150 m，岩性为灰岩，物探为低阻区，对应Ⅴ级围岩，实际开挖该段为Ⅳ级，而Ⅴ级飘移到D4K339+400～+459，向小里程飘移了54 m。

2)隧道洞身D4K340+825～+958段隧道埋深约300 m，洞身岩性为灰岩，上覆较厚硅质岩，物探为高阻区，对应Ⅲ级围岩，实际开挖该段为Ⅳ级夹Ⅴ级，而Ⅲ级飘移到D4K340+945～D4K341+055，向大里程飘移了120 m。

高阻区和低阻区均会发生飘移，物探异常段的飘移比较复杂，主要与地形、埋深、岩性、物探布置及参数校正等有关。异常段的漂移引起围岩分级总长度的变化不大，但因位置发生了较大变化，对施工影响较大。

4.1.2断层破碎带解译过宽

该隧道构造复杂，共有8条断层大角度穿过隧道洞身。

其中下林色5#断层经测绘及钻探推测，断层在D4K345+342～+362穿过隧道洞身，宽约20 m，物探解译断层带穿过隧道洞身里程为D4K345+071～+517，宽达446 m，实际施工揭示断层位置为D4K345+260～+310，宽约50 m，与地质推测的断层中心位置相差67 m。

下林色逆断层经测绘及钻探推测断层在D4K346+663～+688穿过隧道洞身，宽约25 m，物探解译断层带穿过隧道洞身里程为D4K346+481～+700，宽达219 m，实际施工洞揭示断层位置为D4K346+820～+865，宽约45 m，与地质推测的断层中心位置相差157 m。

物探解译断层破碎带过宽可能与断层带附近岩体节理较发育、富水性较好、易形成低阻区有关，而实际上除断层带岩体确实破碎，可达到Ⅴ级，但一般宽度不大，两侧岩体完整性总体较好，一般为Ⅳ级。总体来说,通过测绘确定的断层破碎带位置及宽度较物探准确。

4.1.3物探多解性造成的解译错误

对于岩体极软弱、极破碎及富水带，物性特征基本相同，均呈现为低阻，特别是硬质岩的富水地带，因富水解译为Ⅴ类异常，实际开挖则岩体较好，多变更为Ⅲ级和Ⅳ级围岩。同时受地形和环境等的影响，也很容易造成物探解译错误。该隧道物探解译错误的地段主要有以下2段。

1)D4K344+075～+300段物探解译为断层破碎带，以Ⅳ级为主，实际施工揭示以Ⅲ级为主，未发现断层带。

2)D4K344+866～D4K345+071段物探解译为断层破碎带，以Ⅴ级为主夹Ⅳ级，实际施工揭示以Ⅲ级为主，未发现断层带。

解译错误原因较多，但错误率控制在一定范围内是可以接受的。

4.2　岩溶发育

隧道洞身主要处于地下水的垂直循环带及季节变动带，因岩体节理和裂隙较发育，区内降雨量丰富，地下水渗流和运移较强烈，造成岩溶较发育。

该隧道洞身主要分布有6段可溶岩，总长8 280 m，可溶岩与碎屑岩、侵入岩呈相间分布。经施工揭示，可溶岩地段岩溶总体中等发育，以溶洞、溶缝和溶蚀破碎带为主，其中在D4K340+760～+840、D4K341+080～+140段施工揭示出2处大型溶洞。对施工揭示的岩溶发育地段围岩分级均根据岩溶发育程度降低1—2级，但因可溶岩为硬质岩，对局部的岩溶发育及富水物探难以发现，物探总体呈高阻区，造成围岩分级变更较多。

该隧道洞身D4K339+248～D4K341+466段为泥盆系灰岩，物探解译以Ⅲ类及Ⅳ类异常为主，夹Ⅴ类异常，勘察结合物探确定的Ⅴ级围岩段不多，但施工实际开挖揭示Ⅴ级围岩的段落及长度增加较多，共造成10段762 m长的Ⅲ级和Ⅳ级围岩变更为Ⅴ级围岩。

隧道洞身D4K349+000～D4K350+170段为二叠系灰岩，物探解译以Ⅲ类及Ⅱ类高阻异常为主，被确定为长段的Ⅲ级围岩，也未进行深孔验证，而实际开挖揭示主要为Ⅳ级围岩，Ⅲ级很少，造成该段有3段共1 050 m的Ⅲ级围岩变更为Ⅳ级围岩，为该隧道最长的一段围岩变更。勘察中对物探低阻异常区一般均进行钻探验证及调整，而往往容易忽视对高阻异常区的验证。

4.3　层间挤压破碎带

该隧道区域地质构造复杂，并存在侵入岩的作用，造成隧道区岩体总体较破碎，在局部岩体软弱地带、软质岩与硬质岩接触带易形成层间挤压破碎带，岩体被切割、挤压破碎呈碎块状、角砾状，岩体破碎，并且易形成相对富水区，这些地带一般长10～40 m，施工开挖揭露扰动后围岩强度下降明显，易发生变形、坍塌。原勘察提供的围岩分级一般为Ⅲ级和Ⅳ级，最终多变更为Ⅴ级，属正变更，这样的地段共有13段计288 m，占正变更的9.8%。

4.4　地下水发育

富宁隧道地形地貌、地层岩性及地质构造复杂，导致隧道区水文地质条件复杂，隧道区地下水以岩溶水和裂隙水为主，富水性弱至中等。地下水对软质岩、破碎带及接触带围岩分级的影响较大。施工中富宁隧道共揭示出水点37处17段，其中有7段123 m造成围岩分级发生变更，主要为Ⅲ级变更为Ⅴ级和Ⅳ级变更为Ⅴ级，占正变更的4.1%。

5　勘察工作反思

隧道围岩分级的确定是一个由浅入深、由粗到细、由定性到定量综合分析的复杂过程，需采取工程地质测绘、钻探、物探、测试及综合分析等手段。为更合理地确定隧道围岩分级，降低围岩分级的变更率，减小因围岩变更对施工及造价等造成的影响，通过对富宁隧道围岩变更的分析，对勘察工作有如下思考。

1)工程地质测绘是基础，必须做好工程地质测绘工作。钻探能直观查看地质体特征，但较难以点带面，且不可能大量钻探，需针对性地合理布置钻探。

2)虽然存在多解性及适用性等问题，但物探仍是确定围岩分级的重要辅助手段，需根据隧道区地形、岩性、构造、不良地质、埋深及环境等合理选用物探方法，针对复杂长大深埋隧道采用可控源音频大地电磁法是比较合适的，但需解决异常段漂移、断层破碎带解译过宽及多解性等问题，以提高解译精度。

3)对物探应进行深孔钻探验证，并根据钻探情况对物探进行修正。深孔验证应有代表性，对不同的物探异常区(低阻区、地层界线、断层带等)均应进行验证，并应重视高阻区的验证。

4)岩溶及层间挤压破碎带有其复杂性、随机性及偶然性，勘察时很难准确确定，对围岩分级影响较大，对施工存在一定的风险。一般只能根据超前地质预报及施工揭示情况及时进行变更，属正常的变更。

5)地下水发育的地段，在勘察时一般均能做出较好的预计，主要是可溶岩段、可溶岩与非可溶岩接触带及断层带等，并能对围岩分级进行相应的降低，但也有一些局部富水的地段预测困难，如岩体的层间挤压破碎带、可溶岩中的管道水，施工揭示后需根据实际情况进行调整。

6)因地质体的复杂性、勘察技术及工作量投入的有限性，以及对地质体认识的局限性，施工中对围岩分级的变更是难免的，故对复杂长大隧道目前在施工过程中采取超前地质预报及加强施工地质工作，仍是及时发现地质条件变化并进行变更的最好方法，但需合理布置超前地质工作，并采取合适的方法。

6　结论与建议

1)富宁隧道正洞施工中共发生围岩变更210次，造成围岩分级变更的主要原因是物探解译不准、岩溶发育、岩体层间挤压破碎和地下水发育，其中物探解译不准的原因有异常段飘移、断层破碎带解译过宽和解译错误等。

2)富宁隧道可溶岩分布段落较长，可溶岩段岩溶总体较发育，因岩溶造成的围岩变更也较多，应重视可溶岩段围岩分级的确定，尽量细化围岩分级，避免出现长段的高围岩分级。

3)岩体层间挤压破碎带和地下水发育也会造成隧道围岩分级的变更，但变更率一般较小，这些地段范围较小，勘察很难查清，需加强超前地质预报来调整围岩分级，属正常变更。

4)在隧道勘察过程中对地质条件复杂的长大深埋隧道应全隧进行物探，可控源音频大地电磁法目前对长大深埋隧道是一种比较适宜的物探方法，但应解决物探解译过程中存在的问题，并应对主要物探异常区布置钻探进行验证，以提高解译精度。

5)采用工程地质测绘、钻探、物探、测试及分析等综合勘察手段是目前确定围岩分级的主要方法。工程地质测绘与钻探仍然是隧道勘察及确定围岩分级的前提和基础，物探是重要的辅助手段，应重视超前地质预报及施工地质工作。