延崇高速公路隧道塌方現(xiàn)象及對策研究

李增林

（華北水利水電大學 鄭州 450045）

0 引言

隨著人類社會的快速發(fā)展，土地的資源緊缺，隧道工程以其無法替代的優(yōu)越性廣泛應用于我國的交通、水利水電工程、國防工程中[1]。但是隧道開挖所遇到的工程地質(zhì)問題極大地影響到了隧道的正常建設，針對隧道所常見的工程地質(zhì)問題，國內(nèi)學者錢七虎等、王夢恕[2-3]等、劉寶琛等、張東明等、何發(fā)亮等分別對巖爆、涌水、巖溶、不良地質(zhì)體進行深入研究，得出有益理論并提出了相應對策。

延慶至崇禮高速公路河北段是冬奧會中連接延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)的主要公路通道，如圖1 所示，此工程便捷連接北京奧運村、延慶奧運分村和崇禮奧運分村，為冬奧會期間北京市進入崇禮賽區(qū)的公路主通道，同時也是北京至張家口東北部的旅游便捷通道，是連接北京六環(huán)至張承高速的又一高速通道。

由于此次工程隧道埋深較大，限于勘探條件和勘探成本等因素制約，設計階段的地質(zhì)勘察資料與隧道施工時掌子面揭露的工程地質(zhì)條件有出入，區(qū)域不良地質(zhì)情況的不明確會給施工帶來很大的不可控性。本文以延慶至崇禮高速公路松山特長隧道穿越花崗巖侵入接觸帶時的現(xiàn)場情況為例，分析不良地質(zhì)構(gòu)造對隧道工程帶來的影響，并提出合理具體的施工措施以期為相關(guān)的隧道工程實踐提供借鑒與指導。

圖1 延崇高速地理位置

1 工程背景

1.1 工程概況

延慶至崇禮高速公路松山特長隧道河北段始于京冀界附近，終點位于金家口村村南，隧道左幅ZK13+242.119～ZK20+486，長7243.881m，隧道右幅K13+248.085～K20+460，長7211.915m，屬于分離式特長隧道，隧道最大埋深約731m；該隧道布置兩條斜井，一號斜井長900.994m，最大埋深約311.642m，2 號斜井長1099.146m，最大埋深288.041m。

1.2 工程地質(zhì)條件

松山特長隧道，地處冀北山區(qū)，屬火成巖中山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，溝壑發(fā)育，隧道區(qū)地表標高為963～1770.7m，相對高差805.4m。

隧道區(qū)地層主要為早侏羅系燕山期侵入花崗巖，二次侵入接觸帶位于K17+200 附近，局部夾閃長巖、磁鐵石英巖，地表大部分基巖出露，局部為第四系覆蓋層碎石、黏性土等早侏羅系燕山期花崗巖，淺紅色～肉紅色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英，長石，節(jié)理裂隙發(fā)育～不發(fā)育。

1.3 施工方法

松山特長隧道與杏林堡隧道皆采用鉆爆法進行施工作業(yè)，采用新奧法原理設計洞身結(jié)構(gòu)，隧道支護為復合式村砌結(jié)構(gòu)；初期支護由錨桿、混凝土、鋼拱架及鋼筋網(wǎng)組成；二次村砌采用模注防水混凝土結(jié)構(gòu)；初期支護與二次襯砌共同組成隧道承載結(jié)構(gòu)；支護參數(shù)按工程類比法擬定，結(jié)合理論計算與有限元分析確定，施工階段根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整和優(yōu)化。

2 工程地質(zhì)問題及原因分析

松山特長隧道塌方現(xiàn)象及原因：

在松山特長隧道施工的過程中，根據(jù)早期地表地質(zhì)情況調(diào)查，松山特長隧道大部分處于早侏羅系燕山期花崗巖，但從部分掌子面揭露的情況來看，松山特長隧道部分段落開挖中見燕山期花崗巖的侵入接觸，造成掌子面整體穩(wěn)定性極差，并因此發(fā)生隧道塌方事故。

（1）松山特長隧道塌方現(xiàn)象。

在松山特長隧道施工的過程中，隧道右線開挖至K17+290 樁號時，掌子面揭示圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面見灰白、黃褐色蝕變物，結(jié)合較差，多處見線狀出水，圍巖整體穩(wěn)定性較差，掌子面前方出現(xiàn)不同程度掉塊現(xiàn)象，在拱頂部右上方形成環(huán)向?qū)捈s8m、縱向長度約10m、最大高度約6m 的塌腔。塌落體以碎裂狀及塊狀結(jié)構(gòu)為主，如圖2 所示。

圖2 松山隧道塌方情況

（2）原因分析。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，如圖3 所示，塌方區(qū)域K19+290 為燕山期兩次侵入花崗巖接觸帶，雖然在地質(zhì)縱斷圖上顯示接觸帶的位置K17+260～280，但隧道塌方位置大致是K17+290～292，與勘查有所差異，是由于巖漿侵入接觸帶的空間分布極不規(guī)則，就接觸面形態(tài)而言，有平直的、港灣狀、枝杈狀、順層貫入狀等等，這也是與斷層破碎帶不同的一點。

盡管設計上對此處已有所加強，在兩側(cè)都是Ⅲ級圍巖的情況下設計了約240mⅣ級加強段落，但是很明顯段落長度有所不足，設計支護參數(shù)也不能保證隧道圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 松山隧道地質(zhì)情況（剖面）

松山特長隧道巖性看似較為單一，主要為花崗巖，堅硬巖石（如花崗巖、安山巖、石英砂巖等）的圍巖穩(wěn)定性一般較好，可花崗巖最具有“欺騙性”。京津冀地區(qū)劃分5 次構(gòu)造旋回和巖漿侵入，對延慶至崇禮地區(qū)影響最大的是燕山構(gòu)造旋回，燕山旋回又劃分為4 期巖漿侵入，特別是燕山旋回的第三期，對應于晚侏羅世，是燕山旋回巖漿侵入活動的高潮期，區(qū)內(nèi)大型的中生代巖體幾乎都是本期的產(chǎn)物，遍布全區(qū)各個地質(zhì)構(gòu)造單元[4]本期侵入巖體占燕山旋回侵入巖的71.45%，其中花崗巖、花崗閃長巖占81.29%。與本期侵入活動有關(guān)的脈巖活動也最發(fā)育、最復雜，并見有十分獨特的大規(guī)模淺成、超淺成侵入巖。

在巖漿侵入初期侵入巖與圍巖接觸帶范圍的溫度約300℃～1000℃，壓力約100～300MPa。圍巖在高溫高壓的作用下，會發(fā)生接觸熱變質(zhì)作用與接觸交代變質(zhì)作用，從而形成變質(zhì)帶[5]。在后期，氣液經(jīng)過巖石裂隙，特別是軟弱帶（變質(zhì)帶、破碎帶、層理）時，在氣體與液體的參與下，這部分圍巖發(fā)生化學作用，使礦物組成與巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成蝕變帶。此次事故中隧道中所涌出的具有泥石流特征的碎石與水正是蝕變帶與水相互作用而形成深風化槽或風化囊受到隧道開挖影響大量涌出導致，如圖4 所示。

圖4 風化囊、風化槽

3 隧道塌方及開裂處理措施

松山特長隧道塌方處理措施：

類似于此次松山隧道由于河北燕山山脈公路隧道沿侵入接觸帶塌方的類似事故著實不少，例如榮烏高速營爾嶺隧道塌方[6]，由于花崗巖侵入到安山巖中，沿接觸蝕變帶滑落，導致9 人被困；112 國道鐵營隧道塌方[7]，由于花崗巖侵入到混合巖中，沿接觸蝕變帶滑塌，導致5 人被困；張石高速岳家溝隧道塌方，由于花崗閃長巖侵入到花崗巖中，沿侵入接觸帶滑塌，導致3 人被困。在此次事故發(fā)生后，施工方立即采取了回填支撐、超前管棚等措施。

（1）封閉措施。

①噴射10cm 厚C25 混凝土及時封閉塌腔及掌子面。

②利用洞渣反壓回填掌子面，采用麻袋分臺階碼砌至拱頂封閉塌方體坡面，并預埋泵送混凝土管道及通氣孔。（2）支護調(diào)整。

①超前支護：超前支護采用洞內(nèi)管棚，環(huán)向間距30cm。與超前注漿小導管方式對前方松散體進行加固，保證管棚進入基巖長度3m。采用雙液漿（水泥漿+水玻璃），注漿配合比和注漿壓力通過現(xiàn)場試驗確定。

②自K17+290 開始初期支護采用噴射26cm 厚C25 混凝土，全環(huán)I20b 型鋼鋼架，鋼架間距0.5m；鋼架鎖腳錨管更換為長度為4.5m 小導管，每處4 根，確保初支鋼拱架的穩(wěn)定性。

③全環(huán)二次襯砌采用45cm 厚鋼筋混凝土，具體段落長度根據(jù)前方開挖掌子面揭露圍巖情況而定。

（3）塌腔處理。

①對塌方形成的空腔部分，采用泵送C25 混凝土至超過拱頂2.0m，形成護拱，并在護拱內(nèi)預留吹沙管。

②待該段支護結(jié)構(gòu)施做完畢且基本穩(wěn)定后，利用吹沙管吹填粉煤灰至空腔密實。

（4）監(jiān)控量測。

對塌方區(qū)域增設監(jiān)控量測斷面，加大監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預報的頻率，嚴格遵守“短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的原則。

4 結(jié)論

（1）隧道施工地質(zhì)條件復雜多變，每一次事故都有自己特定的工程環(huán)境與原因，大多數(shù)的事故可以通過采取有效手段避免，要將復雜的地質(zhì)問題進行歸納總結(jié)，采取合理科學的方法。

（2）隧道在穿越侵入接觸帶與斷層破碎帶時，圍巖穩(wěn)定性差，開挖時要結(jié)合超前地質(zhì)預報與現(xiàn)場情況，提前調(diào)整超前支護，采用超前注漿小導管必要時可采取超前大管棚，如若發(fā)生塌方事故，要及時采取措施避免造成二次事故發(fā)生，要根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整開挖方式、施工工序、支護方式與支護時間，必要時可采取臨時支撐等方式保證隧道的穩(wěn)定性。

（3）隧道的施工一定要堅持動態(tài)設計，隧道施工前的地質(zhì)資料大多來自前期的地面調(diào)查、物探、鉆探等，是非常宏觀的地質(zhì)信息，在隧道開挖時往往有較大出入，很難滿足開挖施工時的精度要求，如在隧道經(jīng)過侵入接觸帶、斷層破碎帶、軟弱結(jié)構(gòu)面與巖溶分布等區(qū)域時很難提供精準的位置，因此要結(jié)合地表調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與超前地質(zhì)預報科學合理的進行施工。