狮子山隧洞地质问题与施工技术*

刘俊峰，郝俊锁，李 勇，张曾照

(1.中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

隧道及地下工程用于开辟人类生存和发展的第二空间，有广阔发展前景。新技术、新工艺、新设备、新材料、新工程理论和建造理念的不断涌现，为特长隧道(洞)及地下工程建设提供理论与技术支撑[1-2]。同时，隧道(洞)及地下工程呈大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压、构造复杂、灾害频发的发展趋势。王志强等[3]总结20项调水工程资料，论述区域地质复杂环境问题、活动性构造及对洞室稳定的影响、高地应力与围岩稳定问题、高压水头引起的洞室涌水和外水压力对隧洞衬砌影响等问题，以及常见工程地质对工程建设的影响。田四明等[4]对铁路隧道突水突泥、塌方、大变形、岩爆、有害气体、高地温、冻害等工程灾害、致灾机理及具体处置进行归纳梳理。何振宁[5]以30多座在施工中发生与地质因素有关的工程事件为例，将疑难工程地质问题归纳为15类。吴国斌等[6]对滇西地区在建铁路存在的工程地质问题进行总结。王朋等[7-8]分别基于CZ铁路隧道和草海高速公路隧道，研究沿线重难点地质问题对隧道建设的影响，并探讨防治措施。

综上所述，国内研究总结了多座隧道中的地质问题。滇中狮子山引水隧洞工程基本包括所有常见不良地质问题。本文针对狮子山隧洞地质问题及潜在致灾构造，梳理工程地质，对不同地质问题和风险叠加段落，结合隧道及工程地质问题处理的新思路、新方法、新设备和工程情况，提出相应处治思路和措施，保证工程顺利开展，预防与避免灾害发生，对指导隧洞安全施工具有重要意义。

1 工程概况

滇中狮子山引水隧洞工程位于宾川县，全长29.42km。隧洞设计流量125m3/s，净断面为马蹄形，直径R为4.60m，宽9.20m，高9.20m，底坡为1/4 200。隧洞线路受岩性及构造控制，发育多个地貌单元，并面临突水突泥、高外水压力、硬岩岩爆、软岩大变形、有毒有害气体、隧洞地下水环境、地表水体影响、穿越活动性断裂带抗剪断等工程地质问题。部分洞段纵断面如图1所示。

图2 隧洞穿越断裂段纵断面

图1 狮子山隧洞部分洞段纵断面

2 地质问题及施工对策

2.1 穿越活动性断裂带抗剪断

2.1.1F16活动断裂带参数

程海—宾川断裂是隧洞沿线最主要的断裂构造，属晚更新世活动断裂，属于左旋—拉张运动性质，走滑运动速率为2.0～3.0(2.8)mm/a，垂直运动速率为1.0～1.4(1.2)mm/a(见图2)。预测隧洞50年超越概率10%水平向地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.45s，地震烈度为Ⅷ度。隧洞沿线再发生的地震震级为6.8级，计算得到的100年水平位错量为1.7m(范围值为1.3～1.7m)，垂直位错量0.30m，影响带宽度300～500m。

2.1.2活动断层对工程的影响

1)极严重挤压变形 断层带物质组成为断层泥、糜棱岩、泥质胶结角砾岩等，属极软岩。岩体结构破碎(抗压强度Rb<2MPa，完整性指数Kv<0.15)，围岩强度应力比0.03，岩石强度应力比0.17。按挤压性围岩变形等级划分标准[9]判断变形潜势为强烈。

2)坍塌、涌水突泥 断层带洞段地下水位高出底板67m，中等透水，渗透系数K为0.3m/d，外水压力折减系数βe为0.3～0.5，涌水量qmax=35.4m3/d·m(246L/min·10m)。洞段岩体强度低，呈泥包石状，结构松弛，围岩极不稳定，存在坍塌、涌水突泥问题。

3)隧洞结构错动破坏 断裂活动导致隧洞结构应力增大，发展到一定程度便造成隧洞震害，主要表现为洞身段衬砌开裂、衬砌错台、局部或洞体垮塌等，需进行抗断设计。

2.1.3主要工程对策

1)活动断层超前地质预报 为探明断层性质、产状、富水情况、在隧道中的分布位置、断层破碎带规模、物质组成等，远距离预报采用弹性波反射法，短距离预报采用瞬变电磁法+超前钻探法。

2)极软岩水平钻芯取样工艺 为满足地质设计要求的岩芯采取率，极软岩(抗压强度Rb<2MPa)钻探采用金刚石绳索取芯工艺。对破碎复杂地层采用三级套管护壁，松散、完整地层钻进采用优质钻井液(无固相泥浆)进行护壁，以确保钻孔施工的安全和高效。

3)隧洞结构抗断设计 国内外对工程抗断采用超挖、铰接、隔离消能等设计理念，由于多数工程竣工时间距今较短，获得的监测数据有限，国际上尚未取得共识[10]。本工程采取超挖设计，在原断面净空基础上加大0.5m扩挖，衬砌厚度为80cm。断层错动时，预先扩挖面积能抵消因断层错动导致的净空缩减，从而保证有效净空面积，维持隧洞正常使用功能。

2.2 软岩变形地质问题

2.2.1地质概况

高地应力是隧洞穿越软岩地层发生变形的重要地质条件。本工程软岩变形地质主要由高地应力的控制，高地应力软岩分为自重高应力软岩和构造应力软岩[11]。

图3 隧洞岩爆段纵断面

1)自重高应力软岩变形 外部荷载主要是山体重力，与深度有关，与方向无关。一般隧洞埋深>200m，软岩发生大变形，但本工程埋深大、自重高、地应力大，导致隧洞沿线多段发生严重变形。

2)构造应力软岩挤压变形 隧洞穿越高挤压性岩体构造区带，地质构造作用强烈，岩体被反复挤压、揉搓，形成扭曲褶皱；变形与深度无关，而与方向有关。

2.2.2变形特征

狮子山隧洞除拱顶下沉、坍塌外，还有片帮、底鼓、底围隆破等问题，表现出强烈的整体收敛和破坏，既有结构面控制，又有应力控制，尤以应力控制为主。此外，隧洞拱顶下沉>10cm，部分高达50cm，两帮挤入20～80cm，底鼓非常强烈，在常规无仰拱支护情况下，强烈的底鼓往往封闭整个隧洞。隧洞初期收敛速度可达3cm/d，即使施作常规锚喷支护后，软岩隧洞收敛速度依然很高，可达2cm/d，而且变形收敛速度降低缓慢，且由于软岩具有强烈的流变性和低强度，软岩隧洞变形破坏往往持续1～2年。

2.2.3主要工程对策

目前，国内外大变形隧道有及时强支护、分层支护和让压支护等[12-13]，针对断层破碎带及深埋软岩挤压变形问题,采取及时强支护，即加固围岩、支护加强、变形留够、底部加强整治原则。

1)超前加固措施 采用全断面固结灌浆法，灌浆孔孔距为1.25m，共28个孔，排距2.5m，孔深入围岩10m。

2)提高围岩自稳能力 采用短进尺、分部开挖的方式，开挖后及时初喷混凝土封闭围岩。初期支护及早闭合成环，按≤2倍洞径进行控制。

3)加强支护结构刚度 V类软岩段采用I20a@50cm钢架，喷射28cm厚C25混凝土；系统锚杆采用长5.0m的中空注浆锚杆，呈梅花形布置，间距0.8m×0.8m；φ8钢筋网的网格间距为15cm×15cm。锁脚锚杆采用5.0m长的φ48×3.5注浆锚管。

4)调整预留变形量 V类软岩段预留变形为20～25cm。

2.3 岩爆地质问题

2.3.1岩爆预测

隧址区域受印-欧板块远程碰撞效应影响，诱发强烈的构造-岩浆活动，且隧洞穿越乌龙坝向斜及次级扭曲构造，最大埋深达694m，深埋脆性围岩地段存在岩爆问题。预测隧洞岩爆段总长约8 302m，占总长的39.2%。其中，轻微岩爆洞段7 064m，占岩爆洞段长度的85.1%，占隧洞总长的33.4%；中等岩爆洞段长1 238m，占岩爆洞段长度的14.9%，占隧洞总长的5.8%；隧洞无强烈岩爆，隧洞岩爆等级以轻微岩爆为主，局部中等岩爆(见图3)。

2.3.2岩爆特性及危害

岩爆具有突发性、滞后性等特点，岩爆发生前没有明显征兆，难以监测。目前，部分项目利用微震监测技术预报岩爆，但受施工环境影响，难以确定岩爆具体发生时间、空间位置等，预测准确率不高。且岩爆发生具有滞后性。据资料统计[14]，约 65%以上的岩爆发生爆破后5h内，个别极强岩爆滞后最高可达20h，甚至数天；发生地点主要集中在开挖工作面5～25m处，最大达35m。

2.3.3主要工程对策

1)岩爆预测、预报 ①宏观预测 通过地质观察、素描，综合分析埋深、岩性和地质构造特性等，初步预判岩爆发生的可能性。岩爆发生时，埋深>200m，且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，具有较高的脆性和弹性；地下水较少，岩体干燥；岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中；当掌子面与断裂或节理走向平行时，极易触发岩爆。②超前探孔预测 在宏观预测基础上，通过超前钻探和开挖钻孔发生的现象进行判断。采取超前钻探时，分析钻出的岩屑和取出的岩芯，若钻孔排粉量为正常排粉量的2倍以上，即有发生岩爆的危险。掘进钻孔时,如果发生卡钻或夹持现象，将产生轻微岩爆。③试验测试 根据研究资料[15]，由于岩石脆性系数B和最大储存应变能Es测定方便，作为岩爆倾向性判据指标。取隧洞岩石试样进行室内岩石单轴抗压强度试验和岩石劈裂试验，按B=Rb/Rt，Es=Rb2/2E计算B和Es值，其中Rb为岩样饱和单轴抗压强度，Rt为抗拉强度，E为岩体弹性模量。

2)防治措施 诱发岩爆的内在因素是围岩应力高度集中，可采取以下措施：①消除应力集中 采用短进尺、弱爆破的开挖方法,每循环进尺控制在1.0～1.5m，开挖壁面喷水润湿，洞壁环向钻设应力释放孔，在隧洞设计断面轮廓线外,包括边墙和拱部,以间距40～60cm施打，孔径90～120mm，孔深3.5～5.0m；②抑制岩爆 采用涨壳式锚杆抑制岩爆。周边随机安装涨壳式锚杆，尤其是拱肩部位，利用涨壳式锚杆的迅速锚固作用抑制岩爆，中等岩爆区效果明显，表明锚网喷支护系统结合涨壳式锚杆，能有效抑制岩爆发生。呈梅花形布设φ22mm@1.5m中空锚杆，长2.5m，紧贴岩壁布置φ6.5钢筋网，网格间距20cm×20cm；喷12cm厚C25混凝土。

2.4 Cl2超标问题

2.4.1Cl2来源与成因分析

岩层有毒有害气体按来源分为有机和无机[16-17]。本工程Cl2赋存于岩浆岩地层，主要是岩浆活动、无机盐类分解等产生的气体，存储在花岗岩纳米级孔隙中，含量为0.4mg/L，规定限值为0.3mg/L，为规定限值的1.3倍。岩体受地质构造运动、岩体风化作用等，Cl2沿裂隙释放或溶于地下水。

2.4.2危害

1)Cl2主要作用于气管、支气管、细支气管和肺泡，导致相应病变，部分Cl2又可由呼吸道呼出。人体对Cl2的嗅阈为0.06mg/m3，当Cl2浓度达18mg/m3时刺激咽喉，达90mg/m3时引起剧烈咳嗽，达120～180mg/m3时接触30～60min可导致严重损害，达300mg/m3时可造成致命性伤害，当Cl2浓度高达30 000mg/m3时，一般滤过性防毒面具也无保护作用。

2)尚无Cl2对隧道及地下工程建影响的报道，对成因、赋存、危害防治等尚无研究先例。

2.4.3防治技术

1)Cl2超前预测预报 隧洞开挖进入粗粒花岗岩地层，需对Cl2进行超前预测。沿隧洞轴线方向布置超前探测钻孔，孔深20～30m。根据钻进过程中的岩粉、钻速、气体成分和水质，判断前方水文地质条件和有毒有害气体情况。

2)建立智能化隧洞安全监控系统 建立基于物联网的适用于隧洞建设特点的安全监控系统，融合Cl2自动检测系统、视频监控系统、人员定位系统、通风机监控系统和智能管理系统(安全管理、进度管理、设备管理、施工管理、资料管理)等子系统，全面感知隧洞施工人、机、环、管过程数据信息，实现智能化施工全面管理。

3)喷雾洒水溶解 隧洞开挖进入粗粒花岗岩地层，安装洒水喷雾装置进行全断面封闭式喷雾。出渣前，对爆破作业后新暴露的岩面、岩块、碎渣喷水洒水。

4)通风稀释 在原有通风系统布置的基础上增加通风设施布置，进一步加强有毒有害气体洞段通风能力。

5)采用湿式凿岩机造孔 利用压力水冲洗洞壁，爆破后应利用喷雾器喷雾，出渣前宜用水淋湿石渣，并采用湿喷机喷射混凝土。

2.5 隧洞突水突泥

2.5.1突水突泥致灾构造

隧道及地下工程施工过程中发生突水突泥约占隧道灾害事故的1/3，根据突水突泥致灾构造的内在条件和控制因素，将突水突泥致灾构造划分为3类11型[18]。狮子山隧洞沿线穿越断层、向斜构造及岩溶破碎带等不良地质，极易发生突水突泥灾害(见图4)。

图4 部分洞段地质纵断面

图5 隧洞水文地质纵断面

2.5.2相应工程对策

1)物探先行，钻探验证 突水突泥预报以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报。地下水探测采用地质雷达法、瞬变电磁法、红外探水法及综合采用2种及以上的地下水综合探测法。

2)先泄水降压，后加固地层 采取定向钻技术全面覆盖探查隧洞周边8m范围，施钻过程中采用探查-泄水-探查相结合的方法。对易发生实水实泥和存在高外水压地段，采用钻孔雷达超前探水等技术，探明可能发生突水突泥地段的位置、规模、物质组成、水量、水压等。

3)地层加固 对富水区破碎带采取超前帷幕预注浆的方法，范围为开挖轮廓线外约5m。注浆顺序为先外圈后内圈，同圈孔间隔分序施工。内圈孔应采用后退式注浆，外圈孔环采用前进式注浆。

4)一般断层破碎带采用单液水泥浆，对复杂地质采取以浆液复合、注浆工艺复合、注浆压力动态调控为核心的动态信息化帷幕注浆技术[19]。注浆效果评定采用理论分析、现场试验等方法，如采用压力p-流量Q-注浆时间t曲线分析法、检查孔注水试验、钻芯取样、孔内成像技术等[20]。

5)预留足够厚度安全岩盘 防突影响因素包括围岩特征和水动力条件，如岩体质量和完整性、节理状态、岩石强度、地应力、岩体透水性特征和岩层走向与倾角及水压力特征、水源补给条件和水力连通性[21]。因防突影响因素多且岩体破坏复杂，开挖接近突水突泥构造或分段处理，预留≥5m的防突岩盘安全厚度。

6)建立突水灾害预警判识机制 建立突水突泥预警体系，划分风险等级，确定风险因子及判识标准，制定应对措施和应急预案。现场监测监控水压、水量、水质、初期支护及围岩稳定性，根据水压、岩体位移变形等预警判识[22]。当现场所测水压p接近防突岩体临界承载水压pcr时(p>0.85pcr)，应进行突水临灾预警。洞内安装灾害报警装置，当预判启动应急撤离或突发事故，立即启动声光报警装置，进行紧急撤离、洞内与地面联动。

2.6 高外水压与水环境影响问题

2.6.1高外水压问题

1)隧洞埋深大，穿越断层区岩性差、结构破碎，主要呈散体结构，洞底板以上水位高，地下水动力条件好，流动畅通，强透水，外水折减小，存在高外水压(1.15，1.04MPa)及涌水、突水问题。

2)隧洞岩溶段地层易溶蚀且局部洞段发育剪切破碎带及溶蚀破碎带，涌水量大，地下水头高，为中等～强透水，外水折减小，存在高外水压(1.9MPa)及涌水、突水问题。隧洞水文地质纵断面如图5所示。

2.6.2隧洞开挖对水环境的影响

隧洞开挖导致地表与地下水循环系统被破坏，形成一定规模的降水漏斗现象，引起水位大幅下降、地表沉陷等负效应，本段岩溶区域地下水系统相对独立，水量交换作用较弱。区域干旱降雨较少，自然补给能力弱。隧洞开挖后如果长期不加以控制，区域含水层中地下水大面积疏干，导致地下水环境和地表生态环境恶化。

2.6.3应对措施

1)对于存在水环境影响的限排洞段，隧洞固结灌浆圈厚度根据围岩类别及外水压力进行综合确定：①外水压力<0.5MPa的洞段采用衬砌自防水，但Ⅴ类围岩洞段需进行全断面固结灌浆，灌浆孔径为50mm，孔深为5m，排距3m；②外水压力为0.5MPa≤P<1MPa的洞段，灌浆孔深5～6m，孔距2m，排距2.5m；③外水压力为1MPa≤P<1.5MPa洞段，孔深8m，孔距1.5m，排距2.5m；④外水压力P>1.5MPa的洞段，孔深10m，孔距1.25m，排距2.5m。

2)高外水压仅依靠衬砌限排不太合理。衬砌厚度增加可降低渗透性，但导致外水压力增加，不利于衬砌稳定，且增加工程造价。围岩注浆降低衬砌外水压力作用明显，相对经济合理的注浆圈厚度可降低衬砌外水压，缓解排水减压与环境保护间的矛盾[23]。

3 结语

1)隧址位于青藏高原东南缘大理—丽江地区滇西北裂陷带东部。F16活动断裂水平-垂直外移较大，地震活动强烈，地质灾害风险极高。工程防治对策主要是超前地质预报及设计隧洞抗剪断结构。

2)由深埋和断层-皱褶构造导致的高地应力软岩大变形，围岩强度极低，施工应遵循快开挖、快支护、快封闭的理念，做好超前加固措施并预留变形量。

3)岩爆等级预测结果表明工程以轻微岩爆为主，局部中等，无强烈岩爆。防治措施以预防为主，采取主动控制岩爆和被动保护人员安全相结合的方式。

4)隧址部分洞段岩层中有毒气体含量超标，采取超前预测预报、自动监测和人工检测等综合防治技术。

5)现场运用综合超前地质预报系统查明灾害源赋存特征，通过排水降压和注浆等措施改造地质条件，分段验证加固效果，逐步开挖安全通过。高外水压作用导致围岩与衬砌劣化、地表与地下水环境破坏等，通过注浆限排等措施可有效改善地质条件，阻止水环境恶化。