巴朗山隧道綜合勘察回顧與思考

謝勇謀

(四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041)

深埋特長隧道一般穿越的地層、構造多，工程地質(zhì)條件復雜，在施工中可能產(chǎn)生諸多地質(zhì)病害，如在深埋段由于可能存在高地應力，在硬質(zhì)巖中可能發(fā)生巖爆，軟質(zhì)巖中可能發(fā)生大變形，同時可能穿越儲水構造及導水構造等，可能發(fā)生大的涌突水現(xiàn)象，另外還可能遇到高地溫、放射性及有害氣體等。因此，深埋長大隧道的地質(zhì)勘察，既十分重要又往往難度極大，需要根據(jù)隧道工程的具體特點，采用針對性的綜合勘察方法，并針對各主要工程地質(zhì)問題進行綜合性分析評價。

在筆者負責的省道303線巴朗山隧道工程地質(zhì)勘察中，即針對巴朗山隧道工程的特點，采用多種技術手段的綜合工程地質(zhì)勘察方法，抓住隧道工程面臨的主要問題進行綜合分析，查明了隧道的各主要工程地質(zhì)問題，為工程設計及施工提供了科學依據(jù)。該隧道勘察工作起于2009年底，止于2011年初，并于2016年10月建成通車。該隧道的勘察成果經(jīng)受了施工的檢驗，得到了參建各方的肯定，并獲得中國公路勘察設計協(xié)會頒發(fā)的2018年度公路交通優(yōu)秀勘察二等獎。借此通過對該隧道綜合工程地質(zhì)勘察的回顧與思考，為其它類似長大隧道工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

巴朗山隧道為省道303線上的重要控制性工程，位于四川省汶川縣臥龍鎮(zhèn)與小金縣日隆鎮(zhèn)之間，隧道設計長7 960 m ，最大埋深約880 m。工程區(qū)屬深切高山峽谷冰蝕地貌，隧址區(qū)一般山峰高約5 000 m，原省道303線公路通過埡口處海拔為4 532 m。隧道進口海拔約3 853 m，出口海拔約3 855 m，越嶺段地勢險峻，氣候惡劣，屬高寒高海拔深埋特長隧道。隧址區(qū)位于小金弧形構造帶東段，該構造帶呈東西向展布，由一系列緊密排列的線狀弧形褶皺組成，巖層擠壓強烈，小型層間錯動破碎帶發(fā)育。

隧址區(qū)基巖為三疊系地層，隧道共穿越T1b(菠茨溝組)、T2z(雜谷腦組)及T3zh(侏倭組)三套地層，巖性均主要為砂巖、板巖互層。巖層傾角大多陡傾，層面傾角一般為60～75 °，巖層走向與隧道軸線大角度相交(>60 °)。

該隧道的地質(zhì)勘察采用了遙感、地質(zhì)調(diào)繪、地球物理勘探、鉆探、綜合測井、地應力測試、水文試驗、巖土水取樣測試、水文地質(zhì)專項研究、工程類比等綜合勘察手段，在進出口地段布設淺孔(<100 m)共十余個，在洞身地段布設深孔(大于200 m)共4個，其中大于300 m的深孔共3個，最深鉆孔406.84 m。通過綜合工程地質(zhì)勘察方法，查明了場地的主要工程地質(zhì)條件，解決了軟硬互層型圍巖的分級問題，合理評價了深埋隧道的巖爆、大變形、涌突水、高地溫及放射性等重要問題，為科學設計提供了依據(jù)。

2 綜合勘察方法及主要成果

2.1 遙感及地質(zhì)調(diào)繪

在遙感影像分析的基礎上，項目組不畏通行條件艱難、海拔高、空氣稀薄、氣候異常寒冷，開展了不同階段、不同比例尺的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)繪、巖體結構面統(tǒng)計分析、細部地質(zhì)構造研究、不同地層不同巖性所占比例統(tǒng)計等工作。大量地質(zhì)調(diào)繪基礎資料的獲取，對于正確分析隧道巖體地質(zhì)特征奠定了重要基礎。

由于隧道地處三大構造體系交匯部位，勘察中特別加強了區(qū)域地質(zhì)分析，查明了隧道軸線穿越的構造格架，并大力加強對隧道軸線細部構造及巖體結構特征的調(diào)查研究，為圍巖巖體的完整性判斷，圍巖級別的劃分提供依據(jù)。

2.2 地球物理勘探

在隧道進出口斜坡進行了高密度電阻率法勘探，并在場地中部具物探測試條件的地段進行EH4大地電磁法?；静槊髁藞龅刂饕獛r土體電阻率特征。同時物探成果揭示了T2z與T3zh地層的界限位置，并顯示T2z巖層在強度及完整性上優(yōu)于T3zh地層。物探工作為后續(xù)地質(zhì)調(diào)繪深化和鉆探工作的布設及部分構造格架邊界條件的確定提供了重要指導。

2.3 鉆探

在進出口地段布設淺孔(<100 m)共十余個，在洞身地段布設深孔(大于200 m)共4個，其中大于300 m的深孔共3個，其中在夾金山倒轉(zhuǎn)向斜核部附近布設深孔一個(406.84 m)，在美興鎮(zhèn)倒轉(zhuǎn)背斜核部附近布設深孔一個(306.46 m。并利用鉆孔進行綜合測井、地應力測試、水文試驗、巖土水取樣試驗等。

2.4 綜合測井

在GSZK1及SZK2鉆孔進行了地溫、放射性測試。地溫測試成果顯示，場地的地溫梯度為2.1 ℃/100m左右，隧道最大深度約900 m，推測隧道最大埋深段地溫約為21.7 ℃。

通過放射性測井發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)自然放射性照射率最低9γ，最高34γ，隧道洞身范圍內(nèi)自然放射性照射率最低為12γ，最高為24γ，一般為17γ，未發(fā)現(xiàn)放射性異常。綜合考慮隧道巖性為砂板巖，未見可能產(chǎn)生高放射性的侵入巖體，因此可以認為，隧道場地可不考慮放射性問題。

2.5 深孔地應力測試

深孔鉆探過程中對GSZK1 (孔深364.47 m)及SZK2 (孔深406.84 m)兩個鉆孔進行了水壓致裂法地應力測試。測得最大水平主應力方向為N5～30W，優(yōu)勢方向為N20W，與隧道軸線呈小角度相交。據(jù)地應力與深度的關系，當埋深大于335～350 m后，最大與最小水平主應力隨深度基本呈線性增大，并得到線性擬合關系。隧道最大埋深約880 m，巖體自重應力σv按上覆巖層重量考慮，σv=2.65×8.8=23.3MPa，據(jù)擬合關系式，推測最大水平主應力約25.2 MPa，最小水平主應力約23.6 MPa。

取T2z地層砂板巖互層的綜合巖性抗壓強度為56.55 MPa進行計算，場地砂板巖綜合強度與地應力之比最小為2.24，據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設計規(guī)范》附錄A.03，在深埋段隧道圍巖已處于極高地應力條件下。在僅考慮自重應力情況下，當隧道埋深大于305 m時，自重應力σv=2.65×3.05=8.08MPa，此時砂板巖綜合強度與地應力之比為7，根據(jù)強度應力比理論，圍巖即已處于高地應力條件下。同理，根據(jù)上述思路，簡單計算即可得到T3zh、T1b兩套地層分別對應的高地應力起始埋深大致約為278 m、237 m。當各地層的埋深分別大于上述臨界埋深時，應參照規(guī)范進行圍巖BQ值的地應力修正。

2.6 水文地質(zhì)專項研究

為解決隧道復雜地質(zhì)構造下的的水文地質(zhì)問題，開展了水文地質(zhì)專項調(diào)查研究。通過遙感影像分析、水文地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場水文測試、室內(nèi)水化學分析，合理劃分了水文地質(zhì)單元，建立了非可溶巖隧道涌突水危險性評價體系，采用隧道涌突水危險性評價體系THR指數(shù)對擬建巴朗山隧道進行危險性評價，并建立巖土體滲流數(shù)學模型進行數(shù)值模擬，預測了隧道總涌水量、分段涌水量及各危險涌水段落。預測隧道正常涌水量為8 677 m3/d，最大涌水量為18 522 m3/d。并預測了集中涌水災害的模式和位置、數(shù)量，為施工中災害預防和處治提供了有力的參考。在施工過程中，隧道相對涌突水位置及段落均得到驗證，主要受裂隙密集帶、斷裂破碎帶及褶皺形態(tài)與軸部位置控制。在隧道施工階段及隧道貫通后，現(xiàn)場實測正常涌水量約為8 000 m3/d左右。

2.7 工程類比

類比已建國道317線鷓鴣山隧道，二者在深埋段地層巖性相似，均為砂、板巖，鷓鴣山隧道埋深最大約1 040 m，二者地應力量級相當，施工中鷓鴣山隧道發(fā)生了輕微巖爆現(xiàn)象，因此，類比分析認為，本隧道可能發(fā)生以劈裂、剝落為主的輕微巖爆現(xiàn)象，但不排除局部地段存在發(fā)生輕微彈射的中等強度巖爆的可能。

2.8 綜合分析預測

由于該隧道埋深最大近900 m，地應力量級較高，且部分砂巖強度較高，砂巖可能發(fā)生巖爆災害?？辈熘袑r爆的預測采用了在定量計算的基礎上進行綜合分析預測的方法。

根據(jù)王蘭生教授等提出定量判別標準[1]及美國學者Dowding C.H.&Andersson C.A提出的判別標準[2]，隧道深埋段完整性較好且砂巖富集的地段，可能會發(fā)生輕微～中等強度的巖爆現(xiàn)象。

根據(jù)巖爆發(fā)生的基本條件分析、應力強度比判據(jù)預測，隧道在深埋段T2z地層中部完整性較好的地段可能發(fā)生輕微～中等強度的巖爆現(xiàn)象。

但本隧道不利于發(fā)生較強烈?guī)r爆的因素有：

(1)最大水平主應力與隧道軸線近于平行或小角度相交，對于圍巖的穩(wěn)定是一個相對有利條件，在該種情況下，不利于強烈?guī)r爆的發(fā)生[3]。

(2)最大水平主應力與場地優(yōu)勢結構面(層面)大角度相交，巖石發(fā)生破壞的有效彈射能較小，不利于發(fā)生強烈?guī)r爆[4]。

(3)砂巖單層厚度一般不大，常有板巖夾層，降低了巖體完整性，不利于積聚高的應變能，因而也不利于強烈?guī)r爆的發(fā)生。

通過綜合分析，勘察中預測隧道開挖圍巖將發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象。至于是否會發(fā)生中等強度的巖爆現(xiàn)象，根據(jù)分析，認為可能性較小，但由于巖爆機理的復雜性及實際地質(zhì)條件的復雜性以及還可能受到開挖爆破方式的影響[5]，筆者在勘察預測中保留了這種可能，只是認為可能性較小而已。

至于大變形，隧道巖性主要為板巖、砂巖互層，板巖(非炭質(zhì))飽和抗壓強度統(tǒng)計值18.6 MPa，屬較軟巖。砂巖飽和抗壓強度統(tǒng)計值為69.2 MPa，屬堅硬巖。且在埋深較大，地應力相對較高的T2z地層中砂巖占主要成分，板巖所占比重不大，因而從總體上看，圍巖不會發(fā)生大變形。但局部地段發(fā)育炭質(zhì)板巖，其厚度可達數(shù)米，飽和抗壓強度平均值7.13 MPa，屬軟巖，在埋深較大、地應力較高的地段可能發(fā)生一定程度的塑性擠出變形，屬輕微大變形范疇，在該類地段，建議需要加強支護。

另外，對于圍巖級別的確定，通過綜合分析，對軟硬互層型圍巖的BQ值計算方法進行了優(yōu)化，提出了按巖性所占比例進行加權計算獲得某套地層圍巖BQ值的新思路。由于隧道穿越的巖層以軟硬互層型砂板巖為主，砂巖抗壓強度較高，板巖抗壓強度較低，在不同地層二者按不同韻律、不同比例產(chǎn)出，砂巖板巖多呈幾十厘米至幾米厚度間頻繁變化，難以對二者巖性截然分開考慮，其圍級別的劃分，單看砂巖，則計算出的BQ值偏高，單看板巖，則計算出的BQ值偏低。為解決這一問題，項目組通過代表性深孔及典型露頭斷面實測，獲取了隧道通過斷面不同地層砂、板巖層厚比，為T3zh地層砂巖：板巖=6.5：3.5，T2z地層砂巖：板巖=7.5：2.5，T1b地層砂巖：板巖=5：5，通過對砂、板巖所占比例的加權計算，獲得了各地層的圍巖BQ值，而不是單一某種巖性的BQ值，使得最終計算的[BQ]更加符合某一地層實際情況。

3 幾點思考

(1)對于深埋長大隧道的巖爆、大變形等關鍵問題，較細化、量化的判定標準在規(guī)范規(guī)程中還未有明確說明，該類問題值得廣大技術工作者和科研工作者總結提煉，盡快形成條款，以便更好地指導勘察設計工作。

(2)在深埋特長隧道的綜合勘察中，深孔鉆探代價大，周期長，如利用充分，可以獲得大量有價值信息。但如布設或利用不當，一孔之見，可能并不能帶來與投入相應的有用成果，長大隧道深孔布設的工作量多少合適是一個值得思考的問題。本隧道由于在軸線附近無法開展鉆探工作，根據(jù)其構造及巖層特點，幾個深孔布設的位置均距隧道軸線達數(shù)百米，大大減少了鉆孔深度及鉆探修路、搬遷的難度，因而大大降低了鉆探投入，并最終通過綜合分析解決了問題，值得其它類似情況隧道參考。

(3)對于地質(zhì)條件十分復雜的深埋長大隧道，要想通過綜合勘察手段完全查明場地工程地質(zhì)條件，不僅周期長、代價大，而且由于地層巖性及地質(zhì)構造的復雜性，要想準確獲取地下數(shù)百米上千米復雜地質(zhì)體的各項工程特征，是極其困難的，往往花費巨大勘探工作但郊果并不理想，因此，我們不僅需要在如何提高的們的綜合勘察手段上思考和改進，還需要對規(guī)范要求的勘察目的等原則性指導意見進行思考，以指導我們勘察工作的技術路線和重點，抓住主要矛盾，在合理的勘探工作條件下為設計提供滿足要求的基礎資料。

(4)通過本隧道及其它隧道，如筆者負責勘察在建的長達13 km的九綿高速公路白馬隧道的施工地質(zhì)服務工作，對于地質(zhì)條件復雜的深埋長大隧道，勘察成果要想與實際開挖揭示完全一致，基本上是不可能的，因此，在施工階段加強施工地質(zhì)工作顯得尤其重要。而且，施工地質(zhì)工作應當與設計階段勘察工作一脈相承，這樣，由設計階段的前期地質(zhì)綜合勘察，加上施工階段的施工地質(zhì)工作，如掌子面超前鉆探、圍巖觀測素描、地質(zhì)雷達探測等，才能形成一個完整、全面、詳細的地質(zhì)勘察成果報告，為設計及施工提供最大限度的科學指導。