關角特長隧道施工地質問題及成因分析

高紅杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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關角特長隧道施工地質問題及成因分析

高紅杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要:關角隧道是我國目前已建成的最長鐵路隧道，施工中遇到了嶺脊灰?guī)r突涌水、軟弱破碎圍巖變形等地質問題。通過對主要地質問題進行成因分析，歸納總結特長隧道施工地質問題的類型和特點，尋找各類問題的內在本質與機理，提高處理隧道施工地質問題的能力，推廣處理復雜施工地質問題的經驗，提高復雜地質條件下長大隧道施工技術水平。

關鍵詞:鐵路隧道;施工;突涌水;圍巖變形;成因分析

1　概況

青藏鐵路西寧至格爾木段增建二線關角隧道，位于青海省天峻縣、烏蘭縣境內，地面高程3 400～4 500 m，地形、地質條件復雜，于2007年11月6日全面開工，2014年4月15日全隧貫通。隧道全長32.690 km，設計為2座單線隧道，線間距40 m，設有10座總長為15.141 km的斜井輔助施工，并設1座長10.450 km泄水洞疏排地下水。其為國內目前已建成的最長鐵路隧道，也是目前世界最長的高海拔隧道。

新建關角隧道位置見圖1。

圖1　西格二線關角隧道地理位置

2　地質條件［1］

2.1地形地貌

隧道位于青藏高原東北緣，隧道通過區(qū)屬祁連山南緣支脈青海南山高山區(qū)的關角日吉山，隧道進口位于布哈河沖積平原后緣，出口位于肯德隆溝溝谷中。根據山體的相對高差，又進一步劃分為關角日吉山北坡低高山區(qū)、關角日吉山中高山區(qū)、關角日吉山南坡低高山區(qū)三個次級地貌單元，地面高程3 400～4 500 m，相對高差200～750 m，山坡自然坡度25°～45°，地勢陡峻。

2.2地層巖性

本區(qū)地層巖性復雜，沉積巖、巖漿巖、變質巖三大巖類均有分布，以變質巖為主。隧道通過的地層巖性主要有第四系砂質黃土、黏性土及砂類土、碎石類土，三疊系、二疊系灰?guī)r及砂巖，石炭系變質砂巖、片巖、板巖及大理巖，志留系板巖、變質砂巖，下元古界片麻巖、混合巖，并伴有華力西期閃長巖、花崗巖入侵。

2.3地質構造及區(qū)域地應力特征

由于隧址區(qū)位于新構造活動強烈的青藏高原東北緣，跨越柴達木陸塊北緣、宗務隆山裂陷槽、南祁連陸塊三個大地構造單元，區(qū)內斷裂及褶皺均發(fā)育，因此隧道區(qū)可能存在較高的地應力，根據水壓致裂法實測的地應力結果分析，嶺脊埋深較大的石炭系變質砂巖及片巖段存在高地應力問題。隧址區(qū)斷裂構造發(fā)育，洞身通過4條區(qū)域性斷裂及13條次級斷裂，其中二郎洞斷裂帶(F3)由6條次級斷層組成的斷層束，寬度近3 km，其中主斷帶寬520 m，斷帶內巖體破碎，對工程影響大。

2.4水文地質

關角隧道越嶺區(qū)地質及水文地質條件較為復雜，關角日吉山北坡和嶺脊附近，出露大面積二疊系、三疊系灰?guī)r，隧道洞身通過灰?guī)r段長度約9.17 km。地表巖溶形態(tài)以溶隙、溶槽為主，局部發(fā)育溶洞，還見有沿層面線狀發(fā)育的橢圓形溶洞，屬寒帶、裸露型巖溶，為巖溶不發(fā)育區(qū)。由于巖體受構造影響的程度不同，其節(jié)理及巖溶裂隙的發(fā)育程度及連通性也差異較大，因此，不同地段巖體的富水性也差異較大，巖體節(jié)理及巖溶裂隙不發(fā)育地段，巖體較完整，地下水也不發(fā)育，以滴水、滲水為主;巖體節(jié)理及巖溶裂隙發(fā)育地段，巖體較破碎，地下水發(fā)育，以股狀、雨狀涌水為主。地表巖溶發(fā)育特征見圖2。

3　施工揭示的主要地質問題分析

3.1嶺脊灰?guī)r段集中突涌水

3.1.1隧道集中突涌水點分布情況［2］

(1) 2008年7月31日，4號斜井發(fā)生淹井。淹井前的洞口排水量為8 500 m3/d，淹井后洞口排水量最大達到30 000 m3/d，最大淹沒位置X14 + 95(高程:3 622.8 m)，距離掌子面(X11+72)淹沒長度為323 m，施工中斷。發(fā)生淹井后施工單位積極組織排水，于2008年9月29日排完洞內積水，歷時59 d。

2009年7月5日4號斜井施工至X4+85處發(fā)生突然涌水，水量很大，并迅速上漲，2 h后水位上漲淹沒斜井300 m，隨后速度明顯減緩，最終至X11+15(高程:3 603.4 m)，淹沒長度630 m，根據水位的上漲速度初步推算涌水量為3 000～4 000 m3/h。經過4個半月的抽水后才重新回到了斜5+05的位置。經各方協(xié)商，決定對4號斜井涌水段進行封堵，之后采用繞行的方案來處理，施工至繞斜4+09、繞斜3+88發(fā)生涌水險情。4號斜井逐月平均排水量柱狀圖見圖3。

圖2　地表巖溶發(fā)育特征

圖3　4號斜井逐月平均排水量柱狀圖［1］

(2) 3號斜井開挖涌水量較大，井口平均水量為15 000～20 000 m3/d，由于泵站配備較合理，沒有出現(xiàn)較大的集中涌水，施工可以基本正常進行。

(3) 5號斜井在斜4+91.4至斜3+40掌子面出現(xiàn)涌水，水壓較大，噴射距離較遠，涌水量約1.5萬m3/d，采取了帷幕注漿進行堵水。

(4) 6號斜井涌水情況相對穩(wěn)定，6號斜井擔負的Ⅱ線隧道在2010年9月19日發(fā)生涌水，洞內水位淹至DYK296+110橫通道。

(5)施工中，2號、3號、4號、5號、6號斜井所擔負開挖的正洞灰?guī)r段發(fā)生多次涌水險情，經及時注漿堵水，未發(fā)生大的突涌水，但對施工產生一定影響。

3.1.2隧道涌水特點

(1)由于巖體受構造影響的程度不同，其節(jié)理及巖溶裂隙的發(fā)育程度及連通差異較大，不同地段巖體的富水性也差異較大。巖體節(jié)理及巖溶裂隙不發(fā)育地段，巖體較完整，地下水也不發(fā)育，以滴水、滲水為主;巖體節(jié)理及巖溶裂隙發(fā)育地段，巖體較破碎，地下水發(fā)育，以股狀、雨狀涌水為主。

(2)隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶，巖溶裂隙及節(jié)理發(fā)育，連通性較好，嶺北降水量較豐富，受該區(qū)降水、融雪水及地表水體補給，巖體賦存著巨大的地下水靜儲量，因此，涌水量大，且衰減緩慢，持續(xù)時間長。如4號斜井最大涌水量達13萬m3/d。

(3)灰?guī)r地段隧道埋深大，最大埋深達791 m，突涌水的水壓大，最大水壓達4 MPa。

嶺脊灰?guī)r段股狀涌水見圖4。

圖4　嶺脊灰?guī)r段股狀涌水

3.1.3隧道涌水機制分析

嶺脊灰?guī)r段集中涌水類型以北方巖溶裂隙為主，以股狀、散狀水為主要涌水形式，結合巖溶發(fā)育的垂直分帶性分析，隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶，涌水多具有一定壓力，受該區(qū)降水、融雪水及地表水體補給影響，巖體賦存著巨大的地下水天然存儲量，涌水衰減緩慢。同時，受地質構造和后期溶蝕作用的雙重影響，巖溶裂隙水含水介質具有較強的非均質各向異性，涌水形式具有水點位置集中、水量大等特點。

嶺脊灰?guī)r段地表水系發(fā)育，灰?guī)r以裸露型為主，有利于降水的入滲補給，受季節(jié)性降水量及降水強度影響，動態(tài)變化特征明顯，隧道涌水和地表水有較強的水力聯(lián)系，排水設計時應考慮季節(jié)性降水及融雪水對地下水的快速補給可能引起水量增大等因素的影響。

關角隧道屬巖溶不發(fā)育區(qū)，其地下水的分布及運移具有北方巖溶水特征。巖溶水是目前地下水類型中最為復雜的一種，因此需加強施工監(jiān)測、進行連續(xù)超前地質預報及超前探水工作，確保施工安全。

3.2變形與塌方［3］

關角隧道施工中遇到的變形與塌方主要發(fā)生在斷層破碎帶、軟弱圍巖段以及淺埋段，其變形塌方機制和特征各不相同。

3.2.1斷層破碎帶及影響帶變形與塌方

(1)變形塌方概況

以F3斷層破碎帶為例(圖5)，Ⅰ線隧道DK303+ 540～DK304+070段洞身通過地層為F3斷層破碎帶，斷層帶物質為斷層泥、斷層角礫巖，局部為碎裂巖，巖體呈灰色、灰黑色，擠壓強烈，多見不規(guī)則擠壓光滑面。該段地下水不發(fā)育，巖面潮濕，屬Ⅴ～Ⅵ級圍巖。施工中發(fā)生了多段變形，最大收斂變形達到338.87 mm/d。

圖5　F3斷層破碎帶碎裂巖

(2)變形原因分析

F3斷層在區(qū)域地質構造上叫二郎洞斷裂，是由多條斷層組成的斷裂帶，為該隧道通過的最大的斷層，破碎帶寬度100～500 m，破碎帶物質受構造影響強烈，巖體極破碎，強度低。隧道開挖前，巖體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，開挖揭露以后，工程擾動引起圍巖應力狀態(tài)重新分布。臨空面的形成和受地下水的浸濕作用影響下，圍巖在應力釋放過程中，工程性質和穩(wěn)定性變差，經歷了蠕滑－拉裂過程，初期支護不能有效抵制其變形，在二次模筑襯砌施做之前就遭到剪切破壞，造成變形塌方。

3.2.2軟弱圍巖大變形

(1)典型軟弱圍巖大變形特征

9號斜井工區(qū)正洞DyK304+370～+540段地層為石炭系板巖，節(jié)理裂隙及小型褶曲發(fā)育，巖體極破碎，巖質軟弱，易風化，含有膨脹性礦物，遇水易軟化而強度降低，開挖過程中經常出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，由于二次永久襯砌跟進不及時，該段在開挖后發(fā)生了不同程度的變形，最大變形達505 mm，嚴重危及施工安全并影響了工期。

關角隧道軟弱圍巖的變形特征［3］，有變形迅速，變形量大，收斂時間長的特點。根據監(jiān)控量測資料，在10 d內變形量可達300 mm以上，達到最大變形量的60%;在初期變形發(fā)生后的1個月時間內，變形繼續(xù)發(fā)展，在采取橫向和豎向支撐措施以后，大變形才慢慢趨于穩(wěn)定(圖6)。

(2)變形原因分析

軟弱圍巖大變形的影響因素主要有高地應力、巖性和地下水3個方面。關角隧道區(qū)位于特殊大地構造部位，新構造運動強烈，地殼大幅度水平收斂，垂直方向加厚，具有較大的殘余構造應力，大變形附近最大水平主應力達22.04 MPa，隧道開挖后應力重分布導致徑向應力急劇降低，圍巖壓力增大，在洞壁附近，原本因高圍壓而緊密閉合的破碎巖體結構面張開，形成累進性松動，導致作用在支護結構上的荷載逐漸增加，使支護結構變形和嚴重破壞;軟巖的礦物成分中含有黏土礦物和絹云母、綠泥石、石英等，其特點是巖體破碎，巖質軟，易風化，含有膨脹性礦物，遇水強度降低顯著，工程性質差;變形段局部滲出的地下水與軟弱圍巖發(fā)生水－巖作用，從而降低圍巖的力學性能，為圍巖的塑性變形提供了外部條件。該段隧道施工實踐表明，有裂隙水滲出的段落，較之圍巖干燥處明顯變形大，鋼拱架變形嚴重。

圖6　水平收斂監(jiān)測曲線

3.2.3河谷淺埋段變形塌方

(1)變形塌方概況

DK281+765～DK282+165段為關角山河谷淺埋段，隧道埋深20 m左右，地表為托洛合攏洼河，常年流水。地表分布沖洪積細角礫土，厚度約13 m，洞身通過地段地層為閃長巖及板巖，巖體受風化、構造影響嚴重，風化節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，層間結合差，整體穩(wěn)定性差。該段地下水較發(fā)育，拱部線狀滴水，邊墻股狀出水，屬Ⅴ－Ⅵ級圍巖，施工過程中掌子面有突泥突砂現(xiàn)象且坍塌嚴重。

2011年4月6日正洞Ⅱ線DyK281 + 903～DyK281+914段起拱線位置初期支護混凝土開始剝落，隨即撤出所有施工人員，10 s后DyK281+903～DyK281+914段初期突然變形開裂，同時DyK281 + 914～DyK281+931段突然坍塌，2 min后坍塌體堆滿整個斷面，從DyK281+903～DyK281+914段線路右側鋼架整體變形，最大變形量42 cm，裂縫寬度約15 cm。

(2)變形塌方原因分析

地下水作用因素。淺埋段地表為托洛合攏洼河，常年流水，隧道埋深約20 m。由于隧道埋深淺，地下水流通渠道短，地表水及第四系空隙潛水容易沿著第四系松散層及風化破碎基巖滲入隧道施工范圍，洞內出水形式拱頂為淋雨狀、邊墻為股狀出水。在地下水作用下，圍巖強度降低，同時巖體結構面上的充填物被沖刷流失，結構面強度進一步降低，層間結合力進一步削弱，巖體穩(wěn)定性變差。

地層巖性因素。淺埋塌方段地層以板巖為主，局部發(fā)育閃長巖侵入體。板巖礦物成分中含有綠泥石、絹云母等，抗吸水軟化能力差，浸水后巖體強度顯著降低;閃長巖成分主要為斜長石、石英和角閃石等，粗粒結構，受構造影響嚴重，巖體風化嚴重，結合差，水流沖刷作用下較多變?yōu)樯碃钗?，施工掌子面有突泥突砂現(xiàn)象，圍巖強度和穩(wěn)定性變差，易變形失穩(wěn)。

支護參數與施工工序的影響。初期支護結構所承受的壓力，主要來自于圍巖松動之后產生的松動圈施與的壓力。由于初期支護屬于臨時支護，其儲備強度不能完全抵抗來自圍巖的壓力，此時及時二次襯砌就顯得尤為重要。本段塌方的形成與初期支護參數偏弱以及二次襯砌不及時關系較大，因此，為控制變形塌方的多發(fā)，調整支護參數和施工工序顯得非常重要。

4　結語

(1)關角隧道施工中遇到的地質問題主要為嶺脊灰?guī)r段集中突涌水以及變形塌方問題，變形與塌方可歸納為斷層破碎帶變形塌方、軟弱圍巖大變形和河谷淺埋段變形塌方3種類型，其成因機制各不相同。

(2)關角隧道嶺脊灰?guī)r段集中突涌水屬北方巖溶裂隙水，具有出水形式多樣且出水點分布不均衡不規(guī)律、靜儲水量大、水量衰減緩慢、水壓大等特點。隧道位于巖溶水水平徑流循環(huán)帶及深部循環(huán)帶，含水介質具有較強的非均質各向異性，巖溶水是目前地下水類型中最為復雜的一種。

(3)斷層破碎帶物質受構造影響強烈，巖體極破碎，強度低。隧道開挖前，巖體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，開挖揭露以后，工程擾動引起圍巖應力狀態(tài)重新分布，圍巖在應力釋放過程中，經歷了蠕滑－拉裂過程，最終演變?yōu)樗健?/p>

(4)關角隧道區(qū)位于特殊大地構造部位，地應力較高，同時地下水與軟弱圍巖發(fā)生水－巖作用，從而降低圍巖的力學性能，因此，軟弱圍巖大變形主要由于高地應力、巖性和地下水3個方面因素共同作用的結果。

(5)淺埋段地表有常年流水，地表水與洞內涌水有較強的水力聯(lián)系，在地下水作用下，圍巖強度降低，巖體穩(wěn)定性變差，極易產生塌方。

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Geological Problems in the Construction of Guanjiao Supper Long Tunnel and Cause Analysis

GAO Hong-jie
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:GuanJiao tunnel is the longest railway tunnel built in our country at present.During the construction，such geological problems as water burst，soft and broken surrounding rock deformation are encountered.This article focuses on the main geological problems encountered in the construction of Guanjiao tunnel to conduct cause analysis，summarize the types and characteristics of super long tunnel construction geological problems，identify the mechanism of such problems so as to improve the ability to deal with the geological problems，promote the practices in copying with complex geological problems and improve technological levels.

Key words:Railway tunnel; Construction; Water burst; Deformation of surrounding rock; Cause analysis

作者簡介:高紅杰(1969—)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于蘭州大學水文地質與工程地質專業(yè)，理學學士，E-mail:778325901@ qq.com。

收稿日期:2015-08-01;修回日期:2015-08-12

文章編號:1004-2954(2016) 03-0087-04

中圖分類號:U452.1+1

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.019