超长隧洞环境工程的地质问题处理措施

　　摘要：喀双隧洞单洞长283.3km，是目前世界拟建最长的隧洞工程。从区域环境地质特征、工程地质条件和大量地质勘察试验研究成果入手，深入分析超长隧洞存在的主要环境工程地质问题，并围绕隧洞施工处理措施等方面进行初步的探讨。为今后国内深埋长距离隧洞等工程建设提供一定的借鉴。
　　关键词：超长隧洞；环境工程地质；处理措施
　　1工程概况
　　喀双超长隧洞全长283.3km，平均埋深428m，最大埋深774m，设计洞径6.56~9.06m，纵坡1/2560，设计流量40m3/s。其中：隧洞采用TBM掘进机施工总长227.41km，钻爆法施工总长56.0km。
　　2区域地质
　　2.1地形地貌
　　喀双隧洞位于阿尔泰山和东天山之间所夹的准噶尔盆地东部边缘，按区域地形和地貌形态可分为：低山区、剥蚀丘陵区二大地貌单元，总地势由北东向南西倾斜。低山区主要分布于隧洞沿线前段的阿尔泰山南麓、北塔山山前一带，高程700~1290m，相对高差50~150m，为干燥、剥蚀强烈荒漠地貌；剥蚀丘陵区主要分布于隧洞沿线中段的准噶尔盆地东部边缘一带，海拔高程750~1000m，地形平缓，一般高差10~20m，为干燥戈壁荒漠地貌。
　　2.2地层岩性
　　喀双隧洞通过的地层：主要为古生界泥盆系（D）凝灰质砂岩、凝灰岩、钙质砂岩；石炭系（C）凝灰质砂岩、凝灰岩、石英斑岩；华力西期（γ）侵入的花岗岩，属厚层状和块状坚硬岩；尾部分布少量中生界二叠系（P）砂岩、砂砾岩；三叠系（T）泥岩夹砂岩，属中厚层状软质岩。其中：泥盆系+石炭系地层总长209.12km，占洞长73.75%；花岗岩（γ）总长59.68km，占洞长21.05%；二叠系+三叠系软岩地层总长12.15km，占洞长4.29%。2.3地质构造喀双隧洞在区域构造上主要受准噶尔优地槽褶皱带的控制，断裂构造线的走向以290 ~320 为主。沿线自北向南主要发育5条区域性大断裂：额尔齐斯河断裂（F9）、乌伦古河断裂（F11）、恰乌断裂（F12）、克乌东断裂（F13）、卡拉麦里断裂（F14），走向NW、陡倾角、破碎带宽度90~100m，最宽800m，其次还发育有73条规模不等的次级断层。经统计，喀双隧洞段通过的78条断层破碎带累计长度2.54km。2.4水文地质条件喀双隧洞沿线主要为低山丘陵地貌，以古生代和华力西期侵入岩的坚硬层状、块状岩石为主，地下水除河谷潜水和丘陵夷平面上高地沼泽潜水呈狭长状和小片状分布外，主要为赋存于断裂破碎带中、构造裂隙的脉状裂隙水和风化裂隙中的基岩裂隙水。区内除乌伦古河近垂直穿过隧洞外，无其它地表水系。地下水主要接受大气降水补给，总体上通过基岩裂隙由北向南径流。区内部分低洼的山间小盆地也往往成为地下水的排泄区。由于工程区范围内气候干燥，蒸发量大，低洼排泄区的地表水及浅埋地下水矿化度较高。
　　3主要环境工程地质问题
　　根据地质勘察试验资料分析，喀双超长隧洞存在的主要工程地质问题是：塌方、突涌水、岩爆、高外水压力、软弱岩体大变形等。
　　3.1隧洞破碎岩体塌方问题
　　隧洞的塌方通常与断层、节理裂隙、层面、岩石强度、岩体的完整性及地下水有直接或间接的关系，在断层破碎带（特别是区域性大断裂破碎带）、沟谷交汇、结构面发育、隧洞浅埋、地表径流与地下水丰富的洞段易产生塌方。从勘探成果资料综合判断，喀双隧洞易发生塌方的洞段主要处于5条区域性大断裂带内和73条局部较大的次级断层带及影响带内，其次处于喀腊塑克水库附近、乌伦古河河床底部段、裂隙较发育的Ⅳ、Ⅴ类围岩段、高地应力中等岩爆段和软岩—极软岩段。以上段洞段塌方的形式主要为表层脱落、掉块或局部坍塌。因此在施工开挖过程中通过以上洞段附近，建议采用短进尺、强支护和快衬砌的方法施工。
　　3.2隧洞突涌水问题
　　（1）由地表断裂带泉水溢出测流试验分析：沿线断裂构造带泉水流量一般为0.01~0.9L/s，估算最大涌水量Q=12m3/h。
　　（2）由断层破碎带内5眼大口径井水文地质抽水试验分析：区域性断裂带岩体，渗透系数K=（48.7~7.52） 10-4cm/s，单位涌水量平均值Q=92.44m3/（hkm）；次级断层带岩体，渗透系数K=（33.6~3.59） 10-5cm/s，单位涌水量平均值Q=62.64m3/（hkm）。
　　（3）由沿线勘探小口径深孔抽水试验分析：喀双隧洞段埋深40m以下—洞底岩体渗透系数平均值K=1.1 10-6cm/s，一般岩体单位涌水量平均值Q=4.9m3/（hkm）。
　　（4）由沿线勘探小口径深孔压水试验分析：喀双隧洞段在洞底线以上50m范围内，岩体透水率平均值q=0.47Lu，渗透系数平均值K=5.92 10-6cm/s，一般岩体单位涌水量平均值Q=14m3/（hkm）。
　　（5）根据喀双隧洞段T0-T6勘探试验洞开挖洞段实测涌水量，推算隧洞一般岩体单位涌水量平均值Q=13.95m3/（hkm）。
　　（6）根据上述5种方法计算参数综合分析，可以看出：①在区域水文地质条件上，喀双隧洞段处于准噶尔盆地沙漠东部边缘，远离高山区，除乌伦古河外，无常年性的河流分布。气候干燥、多风，降水量少（多年平均降水量172.8mm），蒸发量大(多年平均蒸发量1867.6mm)，地下水对基岩裂隙和断层破碎带补给量甚微。整个隧洞除隧洞进口段和穿乌伦古河段分别受水库和河水补给影响外，其余隧洞段主要接受大气降水补给。②在构造条件上，隧洞段内均为基岩裂隙水，没有形成统一的地下水位。因此，工程区主要的是赋存在构造裂隙和风化裂隙中的基岩裂隙水和断层脉状裂隙水。③隧洞沿线表层强、弱风化层基岩裂隙水与下部新鲜基岩裂隙水水力联系微弱，隧洞段岩体富水性属贫水区，为微—极微透水性。初步判断，施工中隧洞段总体涌水量不大。因此，该工程可能易发生涌水量相对较大的洞段与可能易发生塌方的洞段位置大致相同。隧洞段主要以裂隙水形式产生渗流、滴水或局部线状流水，产生突水或突泥可能性不大。
　　3.3隧洞岩爆问题
　　根据喀双隧洞ZK13（孔深392m）、ZK14（孔深416m）、ZK195（孔深571m）、ZK25（孔深711m）、ZK69（孔深720m）钻孔地应力测试结果来看：当隧洞埋深小于300m，最大主应力σm=5.3~9.2MPa，岩石强度应力比9.6~16.8，属低地应力无岩爆区（段）；埋深300~600m，最大主应力σm=10~19.5MPa，岩石强度应力比5.1~11.3，属中等地应力无—轻微岩爆区（段）；埋深600~712m，最大主应力σm=21.6~36.0MPa，岩石强度应力比3.4~4.6，属高地应力轻微—中等岩爆区（段）。经统计：隧洞段低—中等地应力无岩爆段总长134.02km；中等—高地应力轻微岩爆段总长126.06km；高地应力中等岩爆段总长23.33km。
　　3.4隧洞高外水压力问题
　　（1）根据钻孔揭露，喀双隧洞沿线地下水埋深一般8.5~26.7m，局部最大埋深44m，洞室基本位于地下水位以下144~745m；从钻孔压水试验成果看，洞室围岩透水率都比较小，大部分岩体透水率小于0.1Lu，少数岩体透水率为为1~3Lu。依据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录W—外水压力折减系数，喀双隧洞外水压力折减系数一般取0.1~0.3，断层破碎带处取0.8。初步判断，折减后隧洞遭受外水压力绝大部分处于0.16~0.75MPa范围内，仅少数断层破碎带内可能存在1~2.5MPa外水压力。
　　（2）从区域水文地质条件分析，隧洞地下水为基岩裂隙水，表层基岩裂隙水与下部新鲜基岩裂隙水水力联系不强，洞身岩体属贫水区，为微—极微透水性。初步判断工程区内除存在的断层破碎带、乌伦古河段考虑有高外水压力外，其它洞段存在高外水压力外的可能性不大，即使有水水量也很小。
　　3.5隧洞软岩大变形问题
　　处于软岩中的隧洞在开挖后，因构造应力的挤压及岩体膨胀作用，易引起围岩发生变形、垮塌和围岩破坏的工程地质灾害。喀双隧洞中的软岩主要集中分布在尾端，总长度12.15km，岩性为二叠系砂岩、砂砾岩及三叠系泥岩，砂砾岩干抗压强度18.7MPa；泥岩干抗压强度13.6MPa，自由膨胀率49.5%。围岩类别属Ⅳ类。因此，在隧洞施工开挖过程中主要发生塑性变形。
　　（1）通过软岩吸水试验结果可以得出，粘土矿物含量越高，岩石的吸水能力越强，因此，各钻孔所在软岩段吸水膨胀软化可能性：泥质砂岩 泥炭质砂岩 凝灰岩。
　　（2）通过对软岩段物理模型破坏实验分析可知，隧洞破坏过程为：顶沉、冒顶、底臌及两帮收缩。其中：围岩首先在隧洞的左上部产生应力集中，随着埋深的增加以及岩层结构的影响，分别在围岩的左上部、右下部及左下部分别产生应力集中。围岩的破坏形式主要为剪切破坏，且塑性区的分布向深部转移，将会加剧隧洞围岩的破坏。
　　（3）断层破碎带TBM施工隧洞，围岩大变形过程物理模型试验结果表明，隧洞顶部是应力集中部位，且最先产生破坏，由此造成两帮收缩及底板鼓起，最终导致全断面破坏。其破坏前有较长时间的能量积聚，一旦超过围岩强度，则会出现突然性，大范围的破坏。
　　（4）断层破碎带钻爆施工隧洞，围岩大变形过程物理模型试验结果表明，随着隧洞顶部是集中应力向下传递，隧洞左下角最先出现破坏，由此造成两帮收缩变形及底板鼓起，最终导致全断面破坏。其破坏前有较长时间的能量积聚，一旦超过围岩强度，则会出现突然性破坏。
　　4隧洞预处理措施
　　4.1塌方处理
　　根据勘察工程地质条件综合分析：喀双隧洞易发生塌方的洞段，主要处于5条区域性大断裂带内和73条局部较大的次级断层带及影响带内；其次处于水库附近、乌伦古河河床底部段；裂隙较发育的Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ类围岩段；中等岩爆段；尾部软岩—极软岩段。
　　（1）Ⅲb类围岩：属中—坚硬岩,一般围岩整体基本稳定，局部围岩受断层破碎带及影响带或裂隙面切割组合的影响，可能产生掉块和失稳，稳定性差。不支护可能产生塌方或变形破坏。①对于围岩基本稳定的洞段，采用喷15~20cm厚C30混凝土，视需要还可设置2.5~3.5m长22mm~25mm随机锚杆，局部边顶拱挂钢筋网。②对于发育的裂隙面组合不稳定块体或稳定性较差的洞段，采用随机锚杆和挂网喷混凝土支护。顶拱90 设置2.5~3.5m长25mm随机锚杆，顶拱180 挂钢筋网，顶拱290 喷15~20cm厚C30混凝土，侧拱有不利组合结构面时局部设置砂浆锚杆钢筋网。③对局部发育的断裂破碎带和影响带，可采用跟进随机锚杆、格栅拱架或环形钢拱架+钢筋排和喷混凝土支护。
　　（2）Ⅳ类围岩：属较软—软岩，围岩强度低,一般围岩整体不稳定。围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。①局部围岩条件相对较好，具有一定的自稳能力，可采用系统锚杆挂网喷混凝土的支护形式，视需要设置格栅拱架或钢拱架支护。②围岩不稳定或稳定时间很短，顶拱180 设置2.5~3.0m长25mm随机锚杆，侧拱55 设置2.5~3.0m长22mm~25mm砂浆锚杆；顶拱290 挂钢筋网并喷15cm厚C30混凝土，设置HW125~HW150环梁支撑拱架，局部视需要设置16mm~18mm钢筋排，必要时及时封闭底拱。③当遇到规模较大的断层影响带或地下水较丰富段时，可以采用小导管超前注浆预加固围岩等方法，并跟进随机锚杆、环形钢拱架+钢筋排和喷护处理，及时封闭底拱。
　　（3）Ⅴ类围岩：围岩极不稳定，为规模较大的断层破碎带。顶拱180 设置2.5~3.5m长25mm随机锚杆，侧拱55 设置2.5~3.5m长22mm~25mm砂浆锚杆；顶拱290 挂钢筋网并喷15~20cm厚C30混凝土，设置HW150环梁支撑拱架，顶拱围岩易坍塌部位采用20mm钢筋排，穿越断层破碎带时需要设置小导管超前注浆预加固围岩，及时封闭底拱。
　　4.2涌水处理
　　（1）超前高压注浆。采用分段全断面超前钻孔高压注浆的治理方法进行涌水及涌泥治理。具体为：在掘进掌子面按一定距离，呈放射状布置钻孔，注浆材料可采用普通水泥浆液、超细水泥浆液、普通C-S双液浆液和高早强度HSC浆液为主。
　　（2）超前支护法。对于充填型规模较大的夹泥断层破碎带，可采用挑梁法开挖支护，先在洞口1.0~2.0m范围内架设钢支撑打锚杆，并在架好的钢支撑上向洞内打工字钢，形成＂挑梁＂，然后将挑梁部分和钢支撑部分整体浇筑混凝土形成安全棚，再挖去挑梁下充填物，接长边墙支腿，按此步骤循环作业。
　　（3）管棚法施工，上部管棚混凝土护顶、下部侧墙施工。
　　（4）预加固法。若邻近有已开挖隧洞，可采用该方法。具体为在邻近的隧洞向上开斜洞至空洞斜上方，再平行隧洞轴线开掘一灌浆廊道，在廊道中打孔灌浆，钻孔深入隧洞顶部上方，对空洞充填物加固。然后挖除泥石、修复接长钢支撑、减底、挖至设计底板线，再进行永久衬护。
　　4.3岩爆处理
　　对轻微岩爆的处理办法为：钻浅孔喷水释放应力，再进行锚网喷支护。对中等岩爆的处理办法为：除了喷水、钻孔释放一部分应力外，须及时进行锚、网、喷、格棚或槽钢架支护，控制落石。对强烈岩爆的处理办法：为架设全圆钢拱架，再铺以格栅或槽钢拱架，及时用混凝土回填塌穴。使用TBM上部外角为6 的超前钻，预打补偿和超前锚杆，使岩体原始地应力释放，以便减缓开挖后的围岩应力，使之不发生岩爆或削弱岩爆。紧跟掘进喷混凝土支护，及时加锚杆以阻止顶板的进一步破坏，防止剧烈的岩块弹射。因此，在岩爆段换刀时，应迅速退机，使刀盘与掌子面保持一定距离，并用冷水喷洒或喷射混凝土后再进行作业。
　　4.4高外水压力处理
　　（1）处理高外水压力问题，通常采用＂灌＂、＂排＂及＂排灌结合＂的对策措施。
　　（2）＂灌＂亦为对隧洞围岩进行防渗固结灌浆和衬砌与围岩的回填灌浆，形成一定厚度的阻水环形围幕，以承担主要外水荷载。
　　（3）＂排＂分2种情况，一种是利用排水孔和衬砌外围的引排措施，降低衬砌的外水压力。另一种是在主洞外侧打排水洞排水，降低外水压力。
　　（4）＂灌排相结合＂亦为在围岩防渗固结灌浆范围内，打短排水孔和引排措施，降低衬砌的外水压力。
　　（5）在地下水溢出量较大的洞段（如线状流水和涌水洞段），宜采用灌排结合的处理措施。在围岩渗透性差，溢出水量小的洞段，宜以排水为主。
　　（6）在裂隙水发育的洞段，处理措施比较复杂，视具体情况采取＂排＂、＂截＂、＂堵＂、＂防＂相结合的综合处理措施。
　　4.5软岩大变形处理
　　（1）针对软岩吸水软化问题，在含水量较大的隧洞围岩开挖前，应首先采取堵水、疏水措施，尽可能减小围岩与水的作用；同时，开挖后应及时采用喷浆等措施封闭围岩，避免围岩与环境水的进一步接触，从而尽可能保护围岩的强度。
　　（2）对于处于软岩段的隧洞施工，在上述措施采用适合于围岩大变形的锚杆支护材料进行初次支护，在有控制性地释放围岩变形能量的基础上，根据蠕变理论计算出合理的预留量，待围岩变形趋稳后，实施永久支护。
　　（3）对于处于断层破碎带TBM施工的洞段，应在注浆改善围岩强度及结构的基础上，短进尺掘进，及时实施采用适合于围岩大变形的锚杆支护材料进行初次支护，并对变形关键部位进行加强支护，在有控制性地释放围岩变形能量的基础上，待围岩变形趋稳后，二次支护采用管片内部注浆，形成永久支护。
　　（4）对于处于断层破碎带钻爆法施工的洞段，应在注浆改善围岩强度及结构的基础上，小进尺分部开挖，采用超前锚杆保护顶部围岩，及时实施采用适合于围岩大变形的锚杆支护材料进行初次支护，待围岩变形趋稳后，实施永久支护。
　　（5）在软岩段施工过程中，应及时加强围岩变形及支护受力监测，为围岩稳定性评价提供依据。
　　5小结
　　从已探明的喀双输水隧洞工程地质情况来看，局部洞段具备发生破碎岩体塌方、断层破碎带突涌水、高地应力产生岩爆、高外水压力、软岩大变形等地质灾害的条件。但总体看比较适合TBM机械化快速施工，对于局部存在的上述主要工程地质缺陷，设计主要考虑采用钻爆法施工，降低TBM卡机的风险。