建平隧道不良地质问题应对处理措施

程良军

(中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁 大连 116100)

我国高速铁路建设正在快速发展，作为高速铁路的基础设施，隧道工程也得到了迅猛发展。据统计，截至2015年底，中国建成通车的高速铁路隧道长度总计约3 200 km，数量超过2 200座，成为全世界拥有高速铁路隧道最多的国家[1]。已故著名隧道工程专家、中国工程院院士王梦恕曾经撰文指出：地下工程是高风险性工程，必须实事求是、科学地进行施工。施工阶段必须做到地质超前预报，预报手段必须是采用几种方法同时进行检测的综合性预报，应正确选择施工方法[2]。本文介绍目前正在建设的建平隧道施工过程中采用的有关措施，这些措施保障了施工的顺利进行。

1 工程概况

新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路位于蒙东地区的通辽与辽宁省西部地区，线路从京沈高铁的喀左站引出，经过朝阳市的喀左县、建平县和赤峰市的宁城县、元宝山区、红山区、松山区，最后引入赤峰西站，线路全长156.21 km。建平隧道位于辽宁省建平县青峰山乡境内，隧道全长11.34 km，起讫里程为DK30+060～DK41+400，最大埋深约230 m，为本线控制工期的重点工程。

建平隧道为双线隧道，设计行车速度250 km/h。主要工程包括：正洞11 340延米、1号斜井600延米、2号斜井455延米、3号斜井683延米。2016年8月11日开工，计划2019年5月2日完工。隧道进、出口采用帽檐斜切开孔式缓冲结构洞门；明洞共170 m，采用明挖法施工工艺施工；暗挖隧道共11 170 m，其中Ⅱ级围岩560 m，采用全断面法施工；Ⅲ级围岩3 265 m，采用台阶法施工；Ⅳ级围岩4 940 m，采用三台阶法施工；Ⅴ级围岩2 405 m，采用三台阶临时仰拱法施工。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

隧道所在区域为低山丘陵区，北东—南西走向的努鲁儿虎山脉贯穿工作区南部。区内地形切割较强烈，发育大量树枝状展布的“V”字型冲沟，冲沟切割深度多为3～15 m。总的地形趋势为中部高，东、西部低，海拔标高615.6～848.7 m，相对高差233.1 m。区内山丘形状多呈圆形，坡度一般为10°～30°，基岩裸露，大气降水沿山坡汇入区内地势低洼的沟谷中。

2.2 地层岩性

隧址区主要出露太古界建平群小塔子沟组(Arjnx)，分布于隧道DK36+100向小里程方向；侏罗系上统吐呼噜组安山岩、凝灰岩及凝灰质砂砾岩(J3t)，分布于DK36+100向大里程方向；第四系上更新统坡洪积层(Q3al+pl)分布于山间低凹处。隧址区域所揭露地层岩性由新到老分述如下：

1)第四系：岩性为粉质黏土、粉土、黄土、砂类土及碎石类土，分布在调查区的低洼及沟谷处，地表露头可见厚度约0.5～10 m，区内第四系残坡积、冲洪积物厚度可达50 m。

2)侏罗系上统吐呼噜组(J3t)，分布于区内DK36+100向大里程方向，主要岩性如下：凝灰岩：灰白色，全风化、强风化及弱风化，凝灰质结构、岩屑砂质结构，块状、层状构造，主要成分为石英、长石火山碎屑及黏土矿物。凝灰质砂岩：凝灰质结构，层状构造，成分为石英、长石及黏土矿物。安山岩：灰色、褐色、黑色等，斑状结构，块状构造，蚀变后成绿色，主要成分为斜长石、角闪石、辉石及黑云母。分布于DK37+460～DK40+240段。

3)太古界建平群小塔子沟组(Arjnx)，分布于隧道入口至DK35+300范围内，主要岩性为片麻岩，灰褐色，强风化至弱风化，中粗粒变晶结构、中细粒变晶结构，条带状及片麻状构造，主要矿物成分为长石、石英、角闪石。局部夹黑云角闪片麻岩及红褐色二长片麻岩。

2.3 地质构造

隧址区位于叨尔登—张家营断裂带西侧，构造部位属东西向构造带和北东向构造带交接地带，其稳定性主要受北东向构造带所控制。隧道进口段内共有5条断层破碎带，节理密集带3条。太古界建平群小塔子沟组(Arjnx)片麻岩与侏罗系上统吐呼噜组凝灰岩(J3t)、安山岩与凝灰岩均为不整合接触。

2.4 水文地质

依据区内地下水的赋存条件，含水层的水力性质及特征等水文地质条件，区内地下水可分为第四系孔隙含水、碎屑岩类裂隙水及基岩裂隙含水3种类型。

第四系孔隙水主要分布在区内低洼处，呈条带状连续或不连续分布，水位埋深1.50～13.00 m，单井涌水量小于100 m3/d。水化学类型为重碳酸钙型，矿化度<1 g/L。

碎屑岩类裂隙水主要分布在区内中西部，含水岩组为侏罗系上统金刚山组、吐呼噜组陆相碎屑岩含水岩系。地下水除直接接收大气降水补给，并承受部分第四系孔隙水的补给。水位埋深2.0～53.65 m，含水层厚度23.35～126.00 m，单井涌水量2.42～253.61 m3/d。水化学类型为重碳酸钙型，矿化度0.1～0.5 g/L。

基岩裂隙水主要分布在区内东部，含水岩组为太古界建平群小塔子沟组(Arjnx)片麻岩、二长片麻岩及黑云角闪片麻岩，在局部地区构造裂隙较发育，成为较强的富水地段和构造充水带，但富水性极不均一。水位埋深3.00～47.20 m，含水层厚度13.58～93.19 m，单井涌水量5.36～609.72 m3/d，水化学类型为重碳酸钙型、硫酸钙型水，矿化度0.1～0.49 g/L。

2.5 地震参数

地震烈度分区为Ⅶ度，属于轻微地震破坏区。地震动峰值加速度为0.10 g，反应谱特征周期Tg=0.25 s。

3 基于超前地质预报的施工

3.1 实施超前地质预报的必要性

从岩性方面分析，第四系上更新统洪坡积层存在人工填土、新黄土、膨胀岩等不良地质现象。太古界建平群小塔子沟组片麻岩及黑云角闪片麻岩，经钻孔洞身取样测试，单轴饱和抗压强度为81.5～91.1 MPa，且洞身埋深大，存在洞身围岩发生岩爆的可能性。从地质构造方面分析，隧道进口段内共有5条断层破碎带，节理密集带3条，在断层破碎带及其影响带范围内施工时易引起坍方；太古界建平群小塔子沟组与侏罗系上统吐呼噜组为不整合接触，不整合面存在岩体稳定问题和渗水、突水问题。

由上面的分析可以看出，建平隧道隧址位于低山区，不良地质较多，施工时易引起岩爆、围岩失稳、塌方、突泥涌水等情况。Q/CR9217—2015《铁路隧道超前地质预报技术规程》[3]要求：隧道应对软弱夹层、物探异常带、岩体破碎带等发育情况进行预测预报，并将超前地质预测预报纳入施工工序。因此，本隧道施工过程中将超前地质预报纳入施工工序管理，通过超前地质预报掌握掌子面前方围岩地质情况，并及时反馈，随时调整方案，正确指引施工。做到先探测后施工，不探测不施工。

3.2 基于超前地质预报的施工流程

根据建平隧道工程地质条件，确定以下预报方案：在地质调查法的基础上，采用地震波反射法进行中长、长距离探测，再采用加深炮孔探测，超前钻探、补充短距离雷达和物探红外探测法进行短距离预报。基于超前地质预报完整施工流程如图1所示。

3.3 施工效果

在基于超前地质预报的施工流程中，有两个方面是需要特别重视的：一个方面是综合预报，对于重要的、地质条件复杂的地段必须要用多种预报手段相互验证，提高预报结果的可靠性；另一个重要的环节是及时将预测数据、结果反馈至设计院与施工单位，针对主要地质问题的性质、规模及位置，提出施工建议，调整设计、改变施工方案，保障施工的安全。

例如，2017年8月10日对1号斜井中利用TSP203进行了弹性波中长距离超前地质预报，预报范围为DK33+002～DK32+896，预报结果如下：洞身DK33+002～DK32+986段岩体较破碎，地下水较发育；洞身DK32+986～DK32+924段岩体较破碎、局部破碎，裂隙较发育—发育，会出现裂隙线状出水，建议该段及时加强支护措施和防排水措施；洞身DK32+924～DK32+896段围岩岩性变好。

图1 基于超前地质预报的施工流程

为了保障施工安全，随着施工的进行，在该地段连续采用地质雷达及红外探测法进行短距离预报。2017年8月6日对DK33+015～DK32+985段进行探测，2017年8月14日对DK32+990～DK32+960段进行探测，2017年8月25日对DK32+965～DK32+935段进行探测，2017年9月3日对DK32+940～DK32+910段进行探测。各段探测分析结果大致相同，预报结果如下：该段节理较发育，岩体较破碎，局部存在裂隙夹泥或软弱夹层，工程地质条件较差，围岩稳定性差，易坍塌、掉块。

预报结果反馈到施工单位后，施工单位高度重视，及时采取了合理的应对措施，顺利的通过了该地段。

4 不良地质地段的应对措施

4.1 断层破碎带地段施工措施

本隧道进口段内共有5条断层破碎带，在这些地段施工时易引起灾害，对此采取如下应对措施，确保整个地段施工的安全：

1)充分重视超前地质预报资料，根据预报资料确定相应的方案后，再开始下一循环施工。在施工过程中，还要根据掌子面围岩的具体情况，及时调整施工方案和支护参数。

2)施工前提前采取防排水措施，施工过程中要充分关注地下水状态，采取针对性的措施，尽可能将地下水堵截于隧道之外。

3)采用超前支护技术[4]，先固后挖，密闭支撑，边挖边封闭。开挖前打设超前管棚，并注浆加固围岩，然后再开挖。水量过大时，也可考虑注入化学浆液堵水，如局部出现漏浆可采用发泡注浆抢堵剂进行封堵。

4)施工力求安全稳妥，不盲目冒进。采用微震爆破技术[4]，用浅眼、密眼进行爆破，并严格控制用药量。开挖后及时进行初期支护，尽快使用全断面衬砌封闭，减少岩层的暴露时间，减少围岩松动和地压增大的危害。

5)加密围岩变形监控量测的频率，如果发现围岩变形出现异常，立即采取有效措施进行处理。依据监控量测的结果分析，适时进行二次衬砌。

4.2 岩爆段施工应对措施

隧道DK34+060～DK34+620里程段主要为片麻岩及黑云角闪片麻岩，围岩分级以Ⅱ级为主，经钻孔洞身取样测试，单轴饱和抗压强度81.5～91.1 MPa，且洞身埋深大，存在洞身围岩发生岩爆的可能性。为减少岩爆对施工的危害，施工时采取以下应对措施：

1)重视岩爆的预测预报。以综合预报手段进行分析预报，根据探测结果，参考有关资料及类比类似条件工程，判断岩爆发生的可能性，指导后续施工。

2)根据预报反映的岩爆强度大小，采用相应的施工措施[5]：①首先要给主要的施工设备和施工人员增设临时性的防护设备，避免岩爆弹射出的块体伤及作业人员和砸坏施工设备。②通过喷洒高压水或提前掘进导坑等方式，促进地应力释放和调整，然后再进行隧道的开挖。③采用短进尺、弱爆破的开挖方法，每循环进尺控制在1.0～1.5 m左右，浅孔爆破，光面爆破，少装药，减小爆破应力场的影响。④采用钢纤维喷射混凝土，厚度为5～8 cm，及时对开挖面进行支护，尽可能缩短开挖面的暴露时间，最大程度减轻岩爆的可能性。

3)做好岩爆发生时的处理预案。①发生岩爆时，人员在安全距离地段躲避，机械迅速驶离现场，到达安全区域，停机待命。②确认岩爆平静后，及时撬顶，清除爆裂的岩石，不论在掌子面、拱部、两侧边墙，都要进行2～3次找顶。同时进行工作面的观察记录，如岩位置、强度、类型、数量及山鸣等。③施工人员向工作面及附近洞壁岩体洒高压水，以降低岩体强度，减弱岩体的脆性，同时起到降温除尘的作用。初期支护紧跟开挖面，尽可能减少岩层爆露时间，减少岩爆发生，确保人员安全。④及时喷射钢纤维混凝土，厚度为5～8 cm。尽快施作能尽早受力的磨擦型锚杆(或早强锚杆)，作为施工支护。

4.3 松散岩体地段施工应对措施

隧道DK30+230～DK30+760、DK40+440～DK41+350为浅埋地段，岩体破碎，呈角砾碎石状松散结构；DK36+220～DK36+505、DK37+135～DK37+955、DK38+720～DK38+905、DK39+025～DK39+175及DK39+445～DK39+930段节理裂隙很发育，岩体破碎—较破碎，呈角砾碎石状压碎结构，施工中容易发生塌方现象。为减少塌方对施工危害，施工时采取以下应对措施：

1)在重视超前地质预报结果的基础上，加强对地表沉降、拱顶下沉、围岩收敛等指标的监控量测，认真观察开挖工作面的一系列变化，特别要注意裂隙渗水的浑浊程度、拱顶掉块情况、围岩裂缝宽度的变化情况等，通过综合判断，分析是否出现坍方的前兆。

2)选择合适的施工方式：①采用超前小导管预注浆，提高围岩的自承能力，减少围岩松弛变形；②采取大拱脚台阶法分步开挖，严格控制进尺，减少爆破装药量，尽量减小开挖对围岩的扰动；③及时支护，利用锁脚锚杆加强支护，防止由于拱脚下沉和内移引起过大变形而导致拱部岩层坍塌。

3)做好隧道塌方发生后的应急预案。洞口常备一定数量的抢险材料，一旦发生塌方，利用抢险材料迅速加固塌体两端的原有支护，快速清除危石，注浆加固大裂缝，及时施作护拱。

4.4 软岩地段施工技术措施

DK36+220～DK36+505、DK37+135～DK37+275、DK37+575～DK37+955、DK39+215～DK39+405、DK39+445～DK39+980、DK40+180～DK40+280及DK40+440～DK41+350段属于软弱围岩，施工中应采取以下应对措施：

1)防水工作对于控制软岩的大变形至关重要，施工过程中高度重视防水。在超前地质预报地下水赋存情况预报的基础上，每个掘进循环中在掌子面处适度安排超前探孔，进一步探明地下水情况。较小水量的地下水沿排水沟随挖随排；水量较大的地段先进行注浆止水，然后再掘进。

2)选择合适的施工方法[6]。严格控制炮眼数量，适度降低深度、减少装药量，尽可能减少爆破对围岩的震动破坏；尽量缩短各施工工序之间的距离，尽快施作初支，及早衬砌封闭；适当加长锚杆并扩大锚设范围；采用适当加大预留变形量的措施，以保证隧道的限界；加强监控量测，根据量测结果适时调整支护参数。

3)做好软岩变形坍塌事故的应急处理预案。做好人员、物资准备，一旦发生事故，立即成立事故抢救指挥中心，尽快做出符合实际的抢救方案，及时开展抢救工作。

5 结语

本文以建平隧道作为研究对象，首先分析了该隧道的工程地质条件，然后针对其工程地质条件，选取有效的超前地质预报手段，综合各种预报手段，尽可能地使预报结果接近实际地质情况。严格按照地质预报结果进行施工，并对地质条件复杂地段采取了相应的应对措施。实践证明，上述措施都是有效的，自2016年8月11日开工以来，施工顺利，截至2018年6月30日，仅正洞剩余5 652 m，可以保证按期完工。

地质条件的复杂性给隧道工程施工带来了巨大挑战，尽管在施工之前进行了详细的地质勘查，开挖以后，还是会发现现场的地质条件与勘查报告有很大出入，这就需要施工人员作出合理的抉择。系统地开展超前地质预报，基于地质预报的结果采取有效的应对方案，选择适宜的施工方法和支护参数，才能有效保证隧道施工期间的安全。