巴朗山隧道综合勘察回顾与思考

谢勇谋

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

深埋特长隧道一般穿越的地层、构造多，工程地质条件复杂，在施工中可能产生诸多地质病害，如在深埋段由于可能存在高地应力，在硬质岩中可能发生岩爆，软质岩中可能发生大变形，同时可能穿越储水构造及导水构造等，可能发生大的涌突水现象，另外还可能遇到高地温、放射性及有害气体等。因此，深埋长大隧道的地质勘察，既十分重要又往往难度极大，需要根据隧道工程的具体特点，采用针对性的综合勘察方法，并针对各主要工程地质问题进行综合性分析评价。

在笔者负责的省道303线巴朗山隧道工程地质勘察中，即针对巴朗山隧道工程的特点，采用多种技术手段的综合工程地质勘察方法，抓住隧道工程面临的主要问题进行综合分析，查明了隧道的各主要工程地质问题，为工程设计及施工提供了科学依据。该隧道勘察工作起于2009年底，止于2011年初，并于2016年10月建成通车。该隧道的勘察成果经受了施工的检验，得到了参建各方的肯定，并获得中国公路勘察设计协会颁发的2018年度公路交通优秀勘察二等奖。借此通过对该隧道综合工程地质勘察的回顾与思考，为其它类似长大隧道工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

巴朗山隧道为省道303线上的重要控制性工程，位于四川省汶川县卧龙镇与小金县日隆镇之间，隧道设计长7 960 m ，最大埋深约880 m。工程区属深切高山峡谷冰蚀地貌，隧址区一般山峰高约5 000 m，原省道303线公路通过垭口处海拔为4 532 m。隧道进口海拔约3 853 m，出口海拔约3 855 m，越岭段地势险峻，气候恶劣，属高寒高海拔深埋特长隧道。隧址区位于小金弧形构造带东段，该构造带呈东西向展布，由一系列紧密排列的线状弧形褶皱组成，岩层挤压强烈，小型层间错动破碎带发育。

隧址区基岩为三叠系地层，隧道共穿越T1b(菠茨沟组)、T2z(杂谷脑组)及T3zh(侏倭组)三套地层，岩性均主要为砂岩、板岩互层。岩层倾角大多陡倾，层面倾角一般为60～75 °，岩层走向与隧道轴线大角度相交(>60 °)。

该隧道的地质勘察采用了遥感、地质调绘、地球物理勘探、钻探、综合测井、地应力测试、水文试验、岩土水取样测试、水文地质专项研究、工程类比等综合勘察手段，在进出口地段布设浅孔(<100 m)共十余个，在洞身地段布设深孔(大于200 m)共4个，其中大于300 m的深孔共3个，最深钻孔406.84 m。通过综合工程地质勘察方法，查明了场地的主要工程地质条件，解决了软硬互层型围岩的分级问题，合理评价了深埋隧道的岩爆、大变形、涌突水、高地温及放射性等重要问题，为科学设计提供了依据。

2 综合勘察方法及主要成果

2.1 遥感及地质调绘

在遥感影像分析的基础上，项目组不畏通行条件艰难、海拔高、空气稀薄、气候异常寒冷，开展了不同阶段、不同比例尺的工程地质、水文地质调绘、岩体结构面统计分析、细部地质构造研究、不同地层不同岩性所占比例统计等工作。大量地质调绘基础资料的获取，对于正确分析隧道岩体地质特征奠定了重要基础。

由于隧道地处三大构造体系交汇部位，勘察中特别加强了区域地质分析，查明了隧道轴线穿越的构造格架，并大力加强对隧道轴线细部构造及岩体结构特征的调查研究，为围岩岩体的完整性判断，围岩级别的划分提供依据。

2.2 地球物理勘探

在隧道进出口斜坡进行了高密度电阻率法勘探，并在场地中部具物探测试条件的地段进行EH4大地电磁法。基本查明了场地主要岩土体电阻率特征。同时物探成果揭示了T2z与T3zh地层的界限位置，并显示T2z岩层在强度及完整性上优于T3zh地层。物探工作为后续地质调绘深化和钻探工作的布设及部分构造格架边界条件的确定提供了重要指导。

2.3 钻探

在进出口地段布设浅孔(<100 m)共十余个，在洞身地段布设深孔(大于200 m)共4个，其中大于300 m的深孔共3个，其中在夹金山倒转向斜核部附近布设深孔一个(406.84 m)，在美兴镇倒转背斜核部附近布设深孔一个(306.46 m。并利用钻孔进行综合测井、地应力测试、水文试验、岩土水取样试验等。

2.4 综合测井

在GSZK1及SZK2钻孔进行了地温、放射性测试。地温测试成果显示，场地的地温梯度为2.1 ℃/100m左右，隧道最大深度约900 m，推测隧道最大埋深段地温约为21.7 ℃。

通过放射性测井发现钻孔内自然放射性照射率最低9γ，最高34γ，隧道洞身范围内自然放射性照射率最低为12γ，最高为24γ，一般为17γ，未发现放射性异常。综合考虑隧道岩性为砂板岩，未见可能产生高放射性的侵入岩体，因此可以认为，隧道场地可不考虑放射性问题。

2.5 深孔地应力测试

深孔钻探过程中对GSZK1 (孔深364.47 m)及SZK2 (孔深406.84 m)两个钻孔进行了水压致裂法地应力测试。测得最大水平主应力方向为N5～30W，优势方向为N20W，与隧道轴线呈小角度相交。据地应力与深度的关系，当埋深大于335～350 m后，最大与最小水平主应力随深度基本呈线性增大，并得到线性拟合关系。隧道最大埋深约880 m，岩体自重应力σv按上覆岩层重量考虑，σv=2.65×8.8=23.3MPa，据拟合关系式，推测最大水平主应力约25.2 MPa，最小水平主应力约23.6 MPa。

取T2z地层砂板岩互层的综合岩性抗压强度为56.55 MPa进行计算，场地砂板岩综合强度与地应力之比最小为2.24，据JTG D70-2004《公路隧道设计规范》附录A.03，在深埋段隧道围岩已处于极高地应力条件下。在仅考虑自重应力情况下，当隧道埋深大于305 m时，自重应力σv=2.65×3.05=8.08MPa，此时砂板岩综合强度与地应力之比为7，根据强度应力比理论，围岩即已处于高地应力条件下。同理，根据上述思路，简单计算即可得到T3zh、T1b两套地层分别对应的高地应力起始埋深大致约为278 m、237 m。当各地层的埋深分别大于上述临界埋深时，应参照规范进行围岩BQ值的地应力修正。

2.6 水文地质专项研究

为解决隧道复杂地质构造下的的水文地质问题，开展了水文地质专项调查研究。通过遥感影像分析、水文地质调查、现场水文测试、室内水化学分析，合理划分了水文地质单元，建立了非可溶岩隧道涌突水危险性评价体系，采用隧道涌突水危险性评价体系THR指数对拟建巴朗山隧道进行危险性评价，并建立岩土体渗流数学模型进行数值模拟，预测了隧道总涌水量、分段涌水量及各危险涌水段落。预测隧道正常涌水量为8 677 m3/d，最大涌水量为18 522 m3/d。并预测了集中涌水灾害的模式和位置、数量，为施工中灾害预防和处治提供了有力的参考。在施工过程中，隧道相对涌突水位置及段落均得到验证，主要受裂隙密集带、断裂破碎带及褶皱形态与轴部位置控制。在隧道施工阶段及隧道贯通后，现场实测正常涌水量约为8 000 m3/d左右。

2.7 工程类比

类比已建国道317线鹧鸪山隧道，二者在深埋段地层岩性相似，均为砂、板岩，鹧鸪山隧道埋深最大约1 040 m，二者地应力量级相当，施工中鹧鸪山隧道发生了轻微岩爆现象，因此，类比分析认为，本隧道可能发生以劈裂、剥落为主的轻微岩爆现象，但不排除局部地段存在发生轻微弹射的中等强度岩爆的可能。

2.8 综合分析预测

由于该隧道埋深最大近900 m，地应力量级较高，且部分砂岩强度较高，砂岩可能发生岩爆灾害。勘察中对岩爆的预测采用了在定量计算的基础上进行综合分析预测的方法。

根据王兰生教授等提出定量判别标准[1]及美国学者Dowding C.H.&Andersson C.A提出的判别标准[2]，隧道深埋段完整性较好且砂岩富集的地段，可能会发生轻微～中等强度的岩爆现象。

根据岩爆发生的基本条件分析、应力强度比判据预测，隧道在深埋段T2z地层中部完整性较好的地段可能发生轻微～中等强度的岩爆现象。

但本隧道不利于发生较强烈岩爆的因素有：

(1)最大水平主应力与隧道轴线近于平行或小角度相交，对于围岩的稳定是一个相对有利条件，在该种情况下，不利于强烈岩爆的发生[3]。

(2)最大水平主应力与场地优势结构面(层面)大角度相交，岩石发生破坏的有效弹射能较小，不利于发生强烈岩爆[4]。

(3)砂岩单层厚度一般不大，常有板岩夹层，降低了岩体完整性，不利于积聚高的应变能，因而也不利于强烈岩爆的发生。

通过综合分析，勘察中预测隧道开挖围岩将发生轻微岩爆现象。至于是否会发生中等强度的岩爆现象，根据分析，认为可能性较小，但由于岩爆机理的复杂性及实际地质条件的复杂性以及还可能受到开挖爆破方式的影响[5]，笔者在勘察预测中保留了这种可能，只是认为可能性较小而已。

至于大变形，隧道岩性主要为板岩、砂岩互层，板岩(非炭质)饱和抗压强度统计值18.6 MPa，属较软岩。砂岩饱和抗压强度统计值为69.2 MPa，属坚硬岩。且在埋深较大，地应力相对较高的T2z地层中砂岩占主要成分，板岩所占比重不大，因而从总体上看，围岩不会发生大变形。但局部地段发育炭质板岩，其厚度可达数米，饱和抗压强度平均值7.13 MPa，属软岩，在埋深较大、地应力较高的地段可能发生一定程度的塑性挤出变形，属轻微大变形范畴，在该类地段，建议需要加强支护。

另外，对于围岩级别的确定，通过综合分析，对软硬互层型围岩的BQ值计算方法进行了优化，提出了按岩性所占比例进行加权计算获得某套地层围岩BQ值的新思路。由于隧道穿越的岩层以软硬互层型砂板岩为主，砂岩抗压强度较高，板岩抗压强度较低，在不同地层二者按不同韵律、不同比例产出，砂岩板岩多呈几十厘米至几米厚度间频繁变化，难以对二者岩性截然分开考虑，其围级别的划分，单看砂岩，则计算出的BQ值偏高，单看板岩，则计算出的BQ值偏低。为解决这一问题，项目组通过代表性深孔及典型露头断面实测，获取了隧道通过断面不同地层砂、板岩层厚比，为T3zh地层砂岩：板岩=6.5：3.5，T2z地层砂岩：板岩=7.5：2.5，T1b地层砂岩：板岩=5：5，通过对砂、板岩所占比例的加权计算，获得了各地层的围岩BQ值，而不是单一某种岩性的BQ值，使得最终计算的[BQ]更加符合某一地层实际情况。

3 几点思考

(1)对于深埋长大隧道的岩爆、大变形等关键问题，较细化、量化的判定标准在规范规程中还未有明确说明，该类问题值得广大技术工作者和科研工作者总结提炼，尽快形成条款，以便更好地指导勘察设计工作。

(2)在深埋特长隧道的综合勘察中，深孔钻探代价大，周期长，如利用充分，可以获得大量有价值信息。但如布设或利用不当，一孔之见，可能并不能带来与投入相应的有用成果，长大隧道深孔布设的工作量多少合适是一个值得思考的问题。本隧道由于在轴线附近无法开展钻探工作，根据其构造及岩层特点，几个深孔布设的位置均距隧道轴线达数百米，大大减少了钻孔深度及钻探修路、搬迁的难度，因而大大降低了钻探投入，并最终通过综合分析解决了问题，值得其它类似情况隧道参考。

(3)对于地质条件十分复杂的深埋长大隧道，要想通过综合勘察手段完全查明场地工程地质条件，不仅周期长、代价大，而且由于地层岩性及地质构造的复杂性，要想准确获取地下数百米上千米复杂地质体的各项工程特征，是极其困难的，往往花费巨大勘探工作但郊果并不理想，因此，我们不仅需要在如何提高的们的综合勘察手段上思考和改进，还需要对规范要求的勘察目的等原则性指导意见进行思考，以指导我们勘察工作的技术路线和重点，抓住主要矛盾，在合理的勘探工作条件下为设计提供满足要求的基础资料。

(4)通过本隧道及其它隧道，如笔者负责勘察在建的长达13 km的九绵高速公路白马隧道的施工地质服务工作，对于地质条件复杂的深埋长大隧道，勘察成果要想与实际开挖揭示完全一致，基本上是不可能的，因此，在施工阶段加强施工地质工作显得尤其重要。而且，施工地质工作应当与设计阶段勘察工作一脉相承，这样，由设计阶段的前期地质综合勘察，加上施工阶段的施工地质工作，如掌子面超前钻探、围岩观测素描、地质雷达探测等，才能形成一个完整、全面、详细的地质勘察成果报告，为设计及施工提供最大限度的科学指导。