公路隧道穿越不良地层的对策措施

李 军

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

1 工程及地质概况

中条山隧道埋深为80～680 m，地质条件复杂，沿线穿越多种不良地层，隧址区的地层物理力学性质将直接关系到隧道的变形特性、衬砌结构设计方案等。

隧道区构造形迹主要表现为断裂、简单的背斜褶皱构造及伴随次生构造。其中背斜的轴部位于片麻岩区，呈北东-南西向走向。

1.1 背斜

薛家岭背斜：属于中条山西南段隆起带的褶皱构造，与路线大角度交于K8+040，背斜走向大致东西向，为开阔的正常背斜。

1.2 断层

a）中条山北缘断裂带 位于中条山西北坡山脚下，即运城盆地与中条山山脉交接部位的边山地带，本项目路线涉及到的为桃花洞断裂（长7.3 km）断层面倾向北西，倾角为58°～75°。断裂带内岩层挤压明显。该断裂在上元古代以前就已经存在，在中生代时期，活动强烈；晚新生代以来，断裂活动更为强烈，表现为中条山强烈抬升，运城盆地的强烈下降。路线在K3+150—K5+780段基本位于山前破碎带边缘或行走在断层破碎带内，断层破碎带宽度在50～100 m之间，在解陌公路上断层宽度达200～300 m。断层破碎带内涑水群西姚片麻岩由于受构造和风化作用呈角砾、碎块状，严重的呈粉末状，局部披覆薄层马兰组黄土。断层破碎带对隧道工程均有一定影响。

b）F3逆断层 伴随背斜构造在分水岭北侧形成的区域性断裂构造，与路线大角度相交，断层走向NE70°，倾向 SE170°～160°，倾角 70°～80°。断层破碎带宽13 m左右。

c）F1断层 此断层是山前大断裂的次级构造，属正断层。并没有延伸到洞身，对工程无影响。

d）F2断层 倾向北东10°左右，倾角54°，该断层埋深85 m左右，断距45 m，没有延伸到洞身。

1.3 产状

K5+800—K8+040段岩性为涑水群片麻岩、片岩，岩层多倾向北东，倾角一般在25°～40°间。

K8+800—K9+800段，整体上位于薛家岭背斜的南翼，出露的岩性为涑水群片麻岩，岩层产状整体倾向南东，倾角一般在50°～70°间变化。

K9+800—K13+500段位于薛家岭背斜的南翼，为广布的变质沉积岩区，整体上为单斜构造，岩层倾向南东，倾角一般在20°左右变化。

1.4 节理

a）根据构造、岩性与节理发育的特征及其与路线关系分段叙述如下。

K5+800—K9+800，岩性为涑水群杂岩，岩性复杂主要为片麻岩，该段主要有一组走向295～330的近直立节理，间距0.1～0.2 m，平均6条/m；一组125°～150°∠12°～44°节理，间距0.3～0.4 m，平均4条/m，；一组31°～54°∠34°～51°节理，间距0.2～0.3 m，平均6条/m。

K9+800—K13+500，岩性为砂岩、白云岩、灰岩、页岩、泥灰岩等，该段主要有一组走向305～325近直立的节理，间距0.3～0.5 m，平均4条/m；一组250°～285°∠37°～54°节理，间距0.2～0.3 m，平均5条/m，一组走向210～220的近直立节理，间距0.3～0.5 m，平均3条/m。

b）现对各个地层不同岩性结构面（节理裂隙）特征分述如下。

隧道前半段涑水杂岩受多期构造的影响，岩体节理裂隙发育-较发育，在强风化地层中风化裂隙极发育，呈网状分布，中、微风化基岩中较发育-发育，局部少发育或密集发育，节理裂隙分布杂乱，一般发育密度为4～6条/m，间距0.20～0.30 m，部分裂隙充填方解石、铁锰质等物质，以闭合状为主，张开次之，部分裂隙连续性较好，节理走向以283°为主，其次为353°

隧道南端地层为徐庄、张夏组灰岩，节理裂隙发育，密度为5条/m。主要发育有两组节理，走向分别为290°和50°，倾角分别为60°和75°，裂隙连续性较好，延伸长度大，从7～30 m不等，宽度约7 cm，以张开为主，部分裂隙充填方解石细脉及泥钙质。

徐庄组下部地层为馒头、毛庄组。岩性以页岩及竹叶状灰岩为主，页岩风化强裂，页理发育,平均密度达 15条 /cm；灰岩节理裂隙发育,密度为13条/m，主要发育有两组高角度节理裂隙，倾角分别为70°和76°，走向分别为80°和281°，多为闭合型。主要充填物为钙质充填。

洞身围岩岩性主要为白云岩节理裂隙较发育,密度为2条/m，以闭合为主，主要发育有2组节理，走向分别为290°和12°，倾角分别为62°～80°和70°～75°。节理连续性好，主要为方解石脉充填。

石英岩状砂岩节理裂隙较发育，密度为4条/m，主要发育有两组节理，走向分别为342°和353°，倾角分别为68°和64°，以闭合型为主，张开次之。部分裂隙连续性较好，裂隙充填可见多期硅质充填切穿早期泥质充填。

斜长片麻岩中节理裂隙较发育，密度为10条/m，主要发育有两组节理裂隙，一组走向为72°，倾角为64°，延伸长度为40 cm，宽约2 mm左右；另一组走向为282°，倾角为69°，长度约70 cm，宽约1～3 mm，节理以张开状为主，少量呈闭合状，充填物主要为方解石细脉，石英细脉及铁锰质。

隧道进口端岩性为片麻状二长花岗岩。其节理裂隙较发育,密度为8条/m，主要发育有两组节理，一组走向为333°，倾角为73°，长度为52 cm，个别延伸达6 m，宽度约1～3 m；另一组走向为351°，倾角为71°，长度从0.2～4.5 m不等，宽度约2～5 mm，节理以张开为主，部分闭合，可见有铁锰质充填和石英细脉充填。

2 穿越不良地层及对策措施

2.1 岩爆及处治措施

本隧道K8+380—K11+880段存在隐含岩爆，岩爆主要有弹射型岩爆、爆炸抛射型岩爆、破裂剥落型岩爆、冲击地压型岩爆4种类型。

岩爆多出现弹脆性深埋硬质岩层中，根据经验类比，在中条山隧道深埋段条带状花岗混合片麻岩、含黑云母片岩地段可能发生岩爆，该类岩爆一般发生在两侧拱腰、拱脚区域，多有沉闷的爆落响声。

发生岩爆的区段和时段主要有以下特征：隧道起拱线与直边墙相交的两侧拱腰附近区域，边墙两侧底部左、右拱脚区域，爆破开挖后岩爆较为集中在0～4 h内、爆破开挖后的15～20 h内，距离掌子面10 m左右，正值初期支护施作的时段，尤其应注意岩爆的预防和观测。

式中：Hcr为岩爆的临界埋深；μ为岩石泊松比；γ为岩体容重；σc为岩石单轴抗压强度。

岩爆发生的判断条件：Rc≥15Rt、Wet≥2.0、σθ≥0.3Rc、Kv≥0.55，

式中：Rc为岩石的单轴抗压强度；Rt为岩石的单轴抗拉强度；σθ为隧道洞壁最大切向应力，σθ=3σ1-σ3；Kv为岩体的完整性系数，由岩体和岩块的纵波波速计算得到。

还可参照表1进行分析判断。

表1 岩爆判据及分级表

施工过程中应根据上述判断条件进行综合评判，对可能存在岩爆的区段实施有效的预防、防治措施。

a）岩爆段施工预案，必须安排观测岩爆的值班员24 h进行岩爆观测、提前成立岩爆发生后的抢险小组、技术部门编制岩爆发生时的安全预案，并开展抢险的应急演练。

b）岩爆段防护措施：

（a）给施工人员配戴钢盔、穿防弹背心，主要防止弹射型岩爆伤人。

（b）在可能发生岩爆的地段，开挖掌子面后及时向洞壁进行高压水的喷洒，提高围岩的塑性。

（c）改造施工台车，设立柔性双层钢绳防护网于台车的上方及侧面。

（d）预判岩爆类型及大小，根据情况在岩爆段洞壁上提前打孔，可以释放应力，可以在爆破中减震。

2.2 隧道软弱围岩塌方处治措施

a）由于隧址区工程地质与水文地质条件复杂，地质构造发育及可能存在隐伏含水体，需要对隧道全长采用综合超前地质预报系统并根据实际情况结合超前地质钻孔加以确认，并采取相应的辅助工程措施后方可进行后续的施工开挖支护施作。

b）按照设计文件做好超前支护、初期支护、监控量测、二次衬砌紧跟等措施，未经上级技术部门同意，不得擅自改变施工开挖、支护方式。

c）在隧道开挖中，突然遇到了较大的涌水及断层破碎带时，必须改变施工工法，调整初期支护设计参数。

d）为了尽量利用围岩的自承能力，应尽可能地采用光面爆破或预裂爆破；对于地质条件较差段，采用台阶法分步开挖、支护方案。

e）隧道进、出口段落围岩条件较差，为了预防坍塌，必须按照设计文件采用超前注浆管棚或超前自进式管棚或超前小导管预注浆加固围岩。

f）洞口浅埋Ⅴ级围岩二次衬砌不得滞后初期支护，应按设计文件紧跟初期支护作业面施作二次衬砌，Ⅳ级围岩需根据量测结果确定二次衬砌施作时机。

g）隧道开挖支护过程必须严格按照设计文件实施监控量测工作，以便为后续的施工开挖、支护作业提供技术指导，优化施工工艺。

2.3 涌水处治预案

对于工程地质与水文地质较复杂地段，对涌水发生的可能要引起十分的重视。可以结合隧道施工开挖后揭示出来的围岩情况、地质勘察及附近的水文资料、布设一定数量的探水钻孔并结合超前地质预报手段综合判定前方地段是否会有隐藏的大型含水体。根据预判情况，有针对性地查明前方围岩地下水的分布状况及水量大小。结合隧道内涌水量大小、出水点、水压等各种情况来确定帷幕注浆堵水方案，可以分为全断面预注浆堵水和局部预注浆堵水两种方式，此外一定要预备大功率排水机械，以保证在隧道开挖过程中能将涌水及时排出。

2.4 溶洞处治预案

溶洞对隧道工程的影响主要有洞害、水害、洞穴充填物等方面，针对溶洞的影响，主要的处理措施有以下几个方面。

2.4.1 岩溶水的处理

对岩溶水来说，它的处理方法是“以疏为主，疏堵结合”。

2.4.2 岩溶洞穴的处理

a）封闭 对已经不再发育的无水小溶洞，可以采用低标号混凝土、浆砌片石或干砌片石等进行堵塞、填实，必要的时候还可以补充注浆加固以防止塌陷或大变形。

b）支顶加固 对溶洞的支顶加固，通常采用支撑墙、支撑柱以及嵌补等工程措施支顶，同时对穿越溶洞的隧道段结构进行补强。

c）跨越 当溶洞规模较大，可根据具体条件采用如梁跨、拱跨及板跨等相应的结构形式进行跨越。

d）对洞穴充填物的处理 当隧道穿越洞穴充填物可采取浆砌片石换填、桩基础及注浆等措施。

2.5 软弱围岩大变形处治预案

2.5.1 改进施工工艺

a）调整光面控制爆破各项爆破参数实现弱爆破，减少对围岩的扰动。

b）采用短台阶法施工，使上台阶开挖断面高度满足出渣作业要求即可。

2.5.2 加强支护

使用I20b型钢钢拱架，钢架用Φ22钢筋连接，环向间距为100 cm，使之成为整体；设直径42 mm超前小导管，间距35 cm；设D25中空注浆锚杆，长度3.5 m，间距50 cm×100 cm；挂设φ8钢筋网，网孔间距15 cm×15 cm。

3 结语

公路隧道穿越不良地层时采取的合理措施是隧道施工及运营安全与否的关键。本文是隧道穿越不良地层时采用合理措施的有益探索，为后期同类工程提供一定的借鉴。