超長隧洞環(huán)境工程的地質(zhì)問題處理措施

1、超長隧洞環(huán)境工程的地質(zhì)問題處理措施摘要：喀雙隧洞單洞長283.3km，是目前世界擬建最長的隧洞工程。從區(qū)域環(huán)境地質(zhì)特 征、工程地質(zhì)條件和大量地質(zhì)勘察試驗研究成果入手，深入分析超長隧洞存在的主要環(huán)境工 程地質(zhì)問題，并圍繞隧洞施工處理措施等方面進行初步的探討。為今后國內(nèi)深埋長距離隧洞 等工程建設(shè)提供一定的借鑒。關(guān)鍵詞：超長隧洞；環(huán)境工程地質(zhì)；處理措施1工程概況喀雙超長隧洞全長283.3km，平均埋深428m，最大埋深774m，設(shè)計洞徑6.569.06m，縱 坡1/2560，設(shè)計流量40m3/s。其中：隧洞采用TBM掘進機施工總長227.41km，鉆爆法施工 總長 56.0km。2區(qū)域地質(zhì)2.1地形

2、地貌喀雙隧洞位于阿爾泰山和東天山之間所夾的準(zhǔn)噶爾盆地東部邊緣，按區(qū)域地形和地貌形 態(tài)可分為：低山區(qū)、剝蝕丘陵區(qū)二大地貌單元，總地勢由北東向南西傾斜。低山區(qū)主要分布 于隧洞沿線前段的阿爾泰山南麓、北塔山山前一帶，高程7001290m，相對高差50150m，為 干燥、剝蝕強烈荒漠地貌;剝蝕丘陵區(qū)主要分布于隧洞沿線中段的準(zhǔn)噶爾盆地東部邊緣一帶， 海拔高程7501000m，地形平緩，一般高差1020m，為干燥戈壁荒漠地貌。2.2地層巖性喀雙隧洞通過的地層：主要為古生界泥盆系（D）凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖；石炭 系（C）凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、石英斑巖；華力西期（丫）侵入的花崗巖，屬厚層狀和塊狀堅 硬巖

3、；尾部分布少量中生界二疊系（P）砂巖、砂礫巖；三疊系（T）泥巖夾砂巖，屬中厚層 狀軟質(zhì)巖。其中：泥盆系+石炭系地層總長209.12km，占洞長73.75%；花崗巖（Y）總長59.68km， 占洞長21.05%；二疊系+三疊系軟巖地層總長12.15km，占洞長4.29%。2.3地質(zhì)構(gòu)造喀雙隧 洞在區(qū)域構(gòu)造上主要受準(zhǔn)噶爾優(yōu)地槽褶皺帶的控制，斷裂構(gòu)造線的走向以290 320為主。 沿線自北向南主要發(fā)育5條區(qū)域性大斷裂：額爾齊斯河斷裂（F9）、烏倫古河斷裂（F11）、恰 烏斷裂（F12）、克烏東斷裂（F13）、卡拉麥里斷裂（F14），走向NW、陡傾角、破碎帶寬度90100m， 最寬800m，其次還發(fā)育

4、有73條規(guī)模不等的次級斷層。經(jīng)統(tǒng)計，喀雙隧洞段通過的78條斷層 破碎帶累計長度2.54km2.4水文地質(zhì)條件喀雙隧洞沿線主要為低山丘陵地貌，以古生代和 華力西期侵入巖的堅硬層狀、塊狀巖石為主，地下水除河谷潛水和丘陵夷平面上高地沼澤潛 水呈狹長狀和小片狀分布外，主要為賦存于斷裂破碎帶中、構(gòu)造裂隙的脈狀裂隙水和風(fēng)化裂 隙中的基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)除烏倫古河近垂直穿過隧洞外，無其它地表水系。地下水主要接受 大氣降水補給，總體上通過基巖裂隙由北向南徑流。區(qū)內(nèi)部分低洼的山間小盆地也往往成為 地下水的排泄區(qū)。由于工程區(qū)范圍內(nèi)氣候干燥，蒸發(fā)量大，低洼排泄區(qū)的地表水及淺埋地下 水礦化度較高。3主要環(huán)境工程地質(zhì)問題根

5、據(jù)地質(zhì)勘察試驗資料分析，喀雙超長隧洞存在的主要工程地質(zhì)問題是:塌方、突涌水、 巖爆、高外水壓力、軟弱巖體大變形等。3.1隧洞破碎巖體塌方問題隧洞的塌方通常與斷層、節(jié)理裂隙、層面、巖石強度、巖體的完整性及地下水有直接或 間接的關(guān)系，在斷層破碎帶（特別是區(qū)域性大斷裂破碎帶、溝谷交匯、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、隧洞淺 埋、地表徑流與地下水豐富的洞段易產(chǎn)生塌方。從勘探成果資料綜合判斷，喀雙隧洞易發(fā)生 塌方的洞段主要處于5條區(qū)域性大斷裂帶內(nèi)和73條局部較大的次級斷層帶及影響帶內(nèi)，其 次處于喀臘塑克水庫附近、烏倫古河河床底部段、裂隙較發(fā)育的W、V類圍巖段、高地應(yīng)力 中等巖爆段和軟巖一極軟巖段。以上段洞段塌方的形式主要為

6、表層脫落、掉塊或局部坍塌。 因此在施工開挖過程中通過以上洞段附近，建議采用短進尺、強支護和快襯砌的方法施工。3.2隧洞突涌水問題（1）由地表斷裂帶泉水溢出測流試驗分析:沿線斷裂構(gòu)造帶泉水流量一般為0.010.9L/s， 估算最大涌水量Q=12m3/h。（2）由斷層破碎帶內(nèi)5眼大口徑井水文地質(zhì)抽水試驗分析：區(qū)域 性斷裂帶巖體，滲透系數(shù)K=（48.77.52） X 10-4cm/s，單位涌水量平均值Q=92.44m3/（hkm）； 次級斷層帶巖體，滲透系數(shù)K=（33.63.59）X10-5cm/s，單位涌水量平均值Q=62.64m3/（hkm）。（3）由沿線勘探小口徑深孔抽水試驗分析：喀雙隧洞段埋

7、深40m以下一洞底巖體滲透系數(shù)平 均值K=1.1X10-6cm/s，一般巖體單位涌水量平均值Q=4.9m3/ （hkm）。（4）由沿線勘探小口 徑深孔壓水試驗分析：喀雙隧洞段在洞底線以上50m范圍內(nèi)，巖體透水率平均值q=0.47Lu， 滲透系數(shù)平均值K=5.92X10-6cm/s，一般巖體單位涌水量平均值Q=14m3/ （hkm）。（5）根據(jù) 喀雙隧洞段T0-T6勘探試驗洞開挖洞段實測涌水量，推算隧洞一般巖體單位涌水量平均值 Q=13.95m3/ （hkm）。（6）根據(jù)上述5種方法計算參數(shù)綜合分析，可以看出：在區(qū)域水文地 質(zhì)條件上，喀雙隧洞段處于準(zhǔn)噶爾盆地沙漠東部邊緣，遠離高山區(qū)，除烏倫古河外

8、，無常年 性的河流分布。氣候干燥、多風(fēng)，降水量少（多年平均降水量172.8mm），蒸發(fā)量大（多年平均 蒸發(fā)量1867.6mm），地下水對基巖裂隙和斷層破碎帶補給量甚微。整個隧洞除隧洞進口段和 穿烏倫古河段分別受水庫和河水補給影響外，其余隧洞段主要接受大氣降水補給。在構(gòu)造 條件上，隧洞段內(nèi)均為基巖裂隙水，沒有形成統(tǒng)一的地下水位。因此，工程區(qū)主要的是賦存 在構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙中的基巖裂隙水和斷層脈狀裂隙水。隧洞沿線表層強、弱風(fēng)化層基 巖裂隙水與下部新鮮基巖裂隙水水力聯(lián)系微弱，隧洞段巖體富水性屬貧水區(qū)，為微一極微透 水性。初步判斷，施工中隧洞段總體涌水量不大。因此，該工程可能易發(fā)生涌水量相對較大 的

9、洞段與可能易發(fā)生塌方的洞段位置大致相同。隧洞段主要以裂隙水形式產(chǎn)生滲流、滴水或 局部線狀流水，產(chǎn)生突水或突泥可能性不大。3.3隧洞巖爆問題根據(jù)喀雙隧洞ZK13 （孔深392m）、ZK14 （孔深416m）、ZK195 （孔深571m）、ZK25 （孔深 711m）、ZK69 （孔深720m）鉆孔地應(yīng)力測試結(jié)果來看：當(dāng)隧洞埋深小于300m，最大主應(yīng)力。 m=5.39.2MPa，巖石強度應(yīng)力比9.616.8，屬低地應(yīng)力無巖爆區(qū)（段）；埋深300600m，最 大主應(yīng)力。m=1019.5MPa，巖石強度應(yīng)力比5.111.3,屬中等地應(yīng)力無一輕微巖爆區(qū)（段）；埋深600712m，最大主應(yīng)力。m=21.6

10、36.0MPa,巖石強度應(yīng)力比3.44.6,屬高地應(yīng)力輕微 一中等巖爆區(qū)（段）。經(jīng)統(tǒng)計：隧洞段低一中等地應(yīng)力無巖爆段總長134.02km；中等一高地 應(yīng)力輕微巖爆段總長126.06km ；高地應(yīng)力中等巖爆段總長23.33km。3.4隧洞高外水壓力問題（1）根據(jù)鉆孔揭露，喀雙隧洞沿線地下水埋深一般8.526.7m，局部最大埋深44m，洞 室基本位于地下水位以下144745m ；從鉆孔壓水試驗成果看，洞室圍巖透水率都比較小，大 部分巖體透水率小于0.1Lu，少數(shù)巖體透水率為為廣3Lu。依據(jù)GB50487-2008水利水電工 程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄W一外水壓力折減系數(shù)，喀雙隧洞外水壓力折減系數(shù)一般取0.

11、廣0.3, 斷層破碎帶處取0.8。初步判斷，折減后隧洞遭受外水壓力絕大部分處于0.160.75MPa范圍 內(nèi)，僅少數(shù)斷層破碎帶內(nèi)可能存在廣2.5MPa外水壓力。（2）從區(qū)域水文地質(zhì)條件分析，隧洞 地下水為基巖裂隙水，表層基巖裂隙水與下部新鮮基巖裂隙水水力聯(lián)系不強，洞身巖體屬貧 水區(qū)，為微一極微透水性。初步判斷工程區(qū)內(nèi)除存在的斷層破碎帶、烏倫古河段考慮有高外 水壓力外，其它洞段存在高外水壓力外的可能性不大，即使有水水量也很小。3.5隧洞軟巖大變形問題處于軟巖中的隧洞在開挖后，因構(gòu)造應(yīng)力的擠壓及巖體膨脹作用，易引起圍巖發(fā)生變形、 垮塌和圍巖破壞的工程地質(zhì)災(zāi)害。喀雙隧洞中的軟巖主要集中分布在尾端，總

12、長度12.15km， 巖性為二疊系砂巖、砂礫巖及三疊系泥巖，砂礫巖干抗壓強度18.7MPa ；泥巖干抗壓強度 13.6MPa，自由膨脹率49.5%。圍巖類別屬W類。因此，在隧洞施工開挖過程中主要發(fā)生塑性 變形。（1）通過軟巖吸水試驗結(jié)果可以得出，粘土礦物含量越高，巖石的吸水能力越強，因 此，各鉆孔所在軟巖段吸水膨脹軟化可能性：泥質(zhì)砂巖泥炭質(zhì)砂巖凝灰?guī)r。（2）通過對 軟巖段物理模型破壞實驗分析可知，隧洞破壞過程為：頂沉、冒頂、底臌及兩幫收縮。其中： 圍巖首先在隧洞的左上部產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著埋深的增加以及巖層結(jié)構(gòu)的影響，分別在圍巖 的左上部、右下部及左下部分別產(chǎn)生應(yīng)力集中。圍巖的破壞形式主要為剪切

13、破壞，且塑性區(qū) 的分布向深部轉(zhuǎn)移，將會加劇隧洞圍巖的破壞。（3）斷層破碎帶TBM施工隧洞，圍巖大變形 過程物理模型試驗結(jié)果表明，隧洞頂部是應(yīng)力集中部位，且最先產(chǎn)生破壞，由此造成兩幫收 縮及底板鼓起，最終導(dǎo)致全斷面破壞。其破壞前有較長時間的能量積聚，一旦超過圍巖強度， 則會出現(xiàn)突然性，大范圍的破壞。（4）斷層破碎帶鉆爆施工隧洞，圍巖大變形過程物理模型 試驗結(jié)果表明，隨著隧洞頂部是集中應(yīng)力向下傳遞，隧洞左下角最先出現(xiàn)破壞，由此造成兩 幫收縮變形及底板鼓起，最終導(dǎo)致全斷面破壞。其破壞前有較長時間的能量積聚，一旦超過 圍巖強度，則會出現(xiàn)突然性破壞。4隧洞預(yù)處理措施4.1塌方處理根據(jù)勘察工程地質(zhì)條件綜合

14、分析：喀雙隧洞易發(fā)生塌方的洞段，主要處于5條區(qū)域性大 斷裂帶內(nèi)和73條局部較大的次級斷層帶及影響帶內(nèi)；其次處于水庫附近、烏倫古河河床底部 段；裂隙較發(fā)育的mb、w、v類圍巖段；中等巖爆段；尾部軟巖一極軟巖段（1）mb類圍 巖：屬中一堅硬巖，一般圍巖整體基本穩(wěn)定，局部圍巖受斷層破碎帶及影響帶或裂隙面切割組 合的影響，可能產(chǎn)生掉塊和失穩(wěn)，穩(wěn)定性差。不支護可能產(chǎn)生塌方或變形破壞。對于圍巖 基本穩(wěn)定的洞段，采用噴1520cm厚C30混凝土，視需要還可設(shè)置2.53.5m長22mm25mm隨 機錨桿，局部邊頂拱掛鋼筋網(wǎng)。對于發(fā)育的裂隙面組合不穩(wěn)定塊體或穩(wěn)定性較差的洞段， 采用隨機錨桿和掛網(wǎng)噴混凝土支護。頂

15、拱90。設(shè)置2.53.5m長25mm隨機錨桿，頂拱180 掛鋼筋網(wǎng)，頂拱290。噴1520cm厚C30混凝土，側(cè)拱有不利組合結(jié)構(gòu)面時局部設(shè)置砂漿錨 桿鋼筋網(wǎng)。對局部發(fā)育的斷裂破碎帶和影響帶，可采用跟進隨機錨桿、格柵拱架或環(huán)形鋼 拱架+鋼筋排和噴混凝土支護。（2）W類圍巖：屬較軟一軟巖，圍巖強度低，一般圍巖整體不 穩(wěn)定。圍巖自穩(wěn)時間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。局部圍巖條件相對較 好，具有一定的自穩(wěn)能力，可采用系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴混凝土的支護形式，視需要設(shè)置格柵拱架 或鋼拱架支護。圍巖不穩(wěn)定或穩(wěn)定時間很短，頂拱180設(shè)置2.53.0m長25mm隨機錨桿， 側(cè)拱55。設(shè)置2.53.0m長22

16、mm25mm砂漿錨桿；頂拱290掛鋼筋網(wǎng)并噴15cm厚C30混凝 土，設(shè)置HW125HW150環(huán)梁支撐拱架，局部視需要設(shè)置16mm18mm鋼筋排，必要時及時封閉 底拱。當(dāng)遇到規(guī)模較大的斷層影響帶或地下水較豐富段時，可以采用小導(dǎo)管超前注漿預(yù)加 固圍巖等方法，并跟進隨機錨桿、環(huán)形鋼拱架+鋼筋排和噴護處理，及時封閉底拱（3）V類 圍巖：圍巖極不穩(wěn)定，為規(guī)模較大的斷層破碎帶。頂拱180設(shè)置2.53.5m長25mm隨機錨 桿，側(cè)拱55設(shè)置2.53.5m長22mm25mm砂漿錨桿；頂拱290掛鋼筋網(wǎng)并噴1520cm厚 C30混凝土，設(shè)置HW150環(huán)梁支撐拱架，頂拱圍巖易坍塌部位采用20mm鋼筋排，穿越斷層

17、破 碎帶時需要設(shè)置小導(dǎo)管超前注漿預(yù)加固圍巖，及時封閉底拱。4.2涌水處理（1）超前高壓注漿。采用分段全斷面超前鉆孔高壓注漿的治理方法進行涌水及涌泥治理。 具體為：在掘進掌子面按一定距離，呈放射狀布置鉆孔，注漿材料可采用普通水泥漿液、超 細水泥漿液、普通C-S雙液漿液和高早強度HSC漿液為主。（2）超前支護法。對于充填型規(guī) 模較大的夾泥斷層破碎帶，可采用挑梁法開挖支護，先在洞口 1.02.0m范圍內(nèi)架設(shè)鋼支撐打 錨桿，并在架好的鋼支撐上向洞內(nèi)打工字鋼，形成“挑梁”，然后將挑梁部分和鋼支撐部分整 體澆筑混凝土形成安全棚，再挖去挑梁下充填物，接長邊墻支腿，按此步驟循環(huán)作業(yè)。（3） 管棚法施工，上部管

18、棚混凝土護頂、下部側(cè)墻施工。（4）預(yù)加固法。若鄰近有已開挖隧洞， 可采用該方法。具體為在鄰近的隧洞向上開斜洞至空洞斜上方，再平行隧洞軸線開掘一灌漿 廊道，在廊道中打孔灌漿，鉆孔深入隧洞頂部上方，對空洞充填物加固。然后挖除泥石、修 復(fù)接長鋼支撐、減底、挖至設(shè)計底板線，再進行永久襯護。4.3巖爆處理對輕微巖爆的處理辦法為：鉆淺孔噴水釋放應(yīng)力，再進行錨網(wǎng)噴支護。對中等巖爆的處 理辦法為：除了噴水、鉆孔釋放一部分應(yīng)力外，須及時進行錨、網(wǎng)、噴、格棚或槽鋼架支護， 控制落石。對強烈?guī)r爆的處理辦法：為架設(shè)全圓鋼拱架，再鋪以格柵或槽鋼拱架，及時用混 凝土回填塌穴。使用TBM 上部外角為6的超前鉆，預(yù)打補償和超

19、前錨桿，使巖體原始地應(yīng) 力釋放，以便減緩開挖后的圍巖應(yīng)力，使之不發(fā)生巖爆或削弱巖爆。緊跟掘進噴混凝土支護， 及時加錨桿以阻止頂板的進一步破壞，防止劇烈的巖塊彈射。因此，在巖爆段換刀時，應(yīng)迅 速退機，使刀盤與掌子面保持一定距離，并用冷水噴灑或噴射混凝土后再進行作業(yè)。4.4高外水壓力處理（1）處理高外水壓力問題，通常采用“灌”、“排”及“排灌結(jié)合”的對策措施。（2）“灌” 亦為對隧洞圍巖進行防滲固結(jié)灌漿和襯砌與圍巖的回填灌漿，形成一定厚度的阻水環(huán)形圍幕， 以承擔(dān)主要外水荷載。（3）“排”分2種情況，一種是利用排水孔和襯砌外圍的引排措施，降 低襯砌的外水壓力。另一種是在主洞外側(cè)打排水洞排水，降低外水壓力。（4）“灌排相結(jié)合” 亦為在圍巖防滲固結(jié)灌漿范圍內(nèi)，打短排水孔和引排措施，降低襯砌的外水壓力。（5）在地 下水溢出量較大的洞段（如線狀流水和涌水洞段），宜采用灌排結(jié)合的處理措施。在圍巖滲透 性差，溢出水量小的洞段，宜以排水為主。（6）在裂隙水發(fā)育的洞段，處理措施比較復(fù)雜， 視具體情況采取“排”、“截”、“堵”、“防”相結(jié)合的