深埋隧道工程的災害地質問題

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摘要：在進行深埋隧道工程施工過程中，由于洞程較長，洞深埋設較大，地質條件較復雜，在施工時，如果處理措施不當會出現高地溫、巖爆、高壓涌水等問題。鑒于此，以實際工程為例，對深埋隧道工程主要存在的災害地質問題進行了分析和探討，保證了施工的順利進行，以期為類似工程提供參考與借鑒。

關鍵詞：深埋隧道工程；災害地質；高壓涌水

1工程概況

太行山高速公路邯鄲東坡隧道位于武安市嶺底村南、七水嶺村東、涉縣東坡村東北處。隧道為分離式特長隧道，隧道工程總施工長度為3134m。左幅為ZK38+624~ZK41+740，長3116；右幅為K38+642~K41+776。最大埋深為176m。本文以此工程為例，對深埋隧道工程主要災害地質問題進行分析和探討。

2深埋隧道中的高地溫難題

深埋地下隧道的工程中，地質問題是需要進行探索和研究的關鍵領域，最先要通過預測天然地溫，一旦地溫超過30℃一般將其稱之為高地溫。高地溫不僅會惡化深埋隧道作業(yè)的環(huán)境，還會嚴重降低工人的勞動生產率，甚至會對現場施工人員的生命造成極大危害。此外，對深埋隧道施工材料選取的難度也相應增加[1]。然而，地溫值是隨著地下工程埋深在不斷變化的，但地下工程的最大埋深和地溫值的增加關系不是呈線性的，因為造成這種深埋隧道中的高地溫問題的原因主要是地下水活動以及近期巖漿活動中放射性生熱元素含量較高等。

3深埋隧道與巖爆的高地應力問題

在深埋地下隧道的工程中，其中一個突出的地質難題就是巖爆問題。地下隧道工程埋得越深，其地應力就會越高。深埋隧道工程和近地表工程的不同之處除了具有較高的水平構造應力外，最主要取決于圍巖出現的高地應力。它不僅在硐側壁引起高壓應力，還導致硐頂部出現高拉應力，這樣會導致硐室圍巖不穩(wěn)定，埋下隱患。由于高地應力的存在，一些黏性土含量較高，而硬巖含量較低的圍巖就會產生被塑性擠出的可能。高地應力不斷釋放，地下隧洞就會發(fā)生變形，往往會出現隧洞短時間內突然變小的異?，F象。就好比從掌子面距離正洞30m開始，洞身變形的長度有40m，起初的支架保護結構破壞就會非常嚴重，通過測量計算，隧洞拱頂的下沉在10~20cm之間，隧洞的拱腳和邊墻也出現不同程度的擠壓和移位，甚至還有混凝土開裂的情況[2]。這時就需設計一套科學有效、剛柔結合、綜合治理的施工方案。為克制高地應力，考慮使用約1萬根超長錨桿，要求總長超過11×104m，把地下隧洞中的斷面改成環(huán)形成拱，做到先柔后剛、先放后抗的設計要求。巖爆受影響的原因有地震爆破，也有相鄰巖爆或機械等外因動力的振動，但其中影響巖爆的最基本原因是巖石的結構特征。經過大量的數據分析發(fā)現，巖石顆粒排列呈定向排列還是隨機排列，巖石是膠結連接還是結晶連接，是鈣質膠結還是硅質膠結，這最終關系著巖爆烈度的強弱。例如：（1）隨機排列的花崗巖、閃長巖等巖石的巖爆烈度，會比片麻巖、花崗片麻巖、糜棱巖等具有定向排列的圍巖顆粒更強一些；（2）結晶連接的深層巖漿巖石中的巖爆烈度比膠結連接的沉積巖強；（3）具有硅質膠結巖石的天生橋二級水電站引水隧洞比關村壩的隧道中鈣質膠結巖石的爆烈度強。

4深埋隧道中的高壓涌水難題

深埋地下隧道的施工過程中，除了高地溫以外，涌水問題也成為隧道運營中亟待解決的又一難題。由于地質條件復雜，隧道通過的地段會挖掘出很多水流量大的地質單元，一般就會出現涌水量大或水頭壓力高的情況。地下水水壓在深部巖體中極高時，就會導致巖體水力劈裂。這就說明在高水頭壓力的作用下，在巖體的突水點附近，巖體斷續(xù)裂隙、裂縫是朝著某個方向的，受網狀交織的構造裂隙影響，經過融合后發(fā)生擴展的裂隙、空隙最終張裂開來。隨著隧道深部巖體涌水量越來越大，地下水水壓越來越高，會導致深埋隧道工程圍巖水力劈裂。一旦出現水力劈裂的情況，就會迅速連通裂隙，空隙的張裂程度就會越來越大，涌水的滲透力會越來越強。再加上動水壓力的影響，裂隙會再擴展，而使在裂隙面上的充填物發(fā)生剪切變形和位移。不論是在深埋隧道工程中還是在淺埋隧道中，容易發(fā)生的地質災害主要表現為斷層破碎帶，巖體不整合接觸面和結構不利組合段造成的塌方、地震，還有瓦斯爆炸、有害氣體以及溶巖塌陷、泥屑流等[3]。其中，瓦斯爆炸主要指甲烷CH4在相對封閉的煤系構造地層中，由沖擊波的產生、劇烈的氧化作用而導致的爆破，其災害性極強。

5基巖裂隙水

5.1基巖裂隙水的含義

只有儲存在堅硬巖石裂隙中的非可溶性地下水，才被統(tǒng)一歸納在基巖裂隙水的傳統(tǒng)范疇中，根據含水介質的基礎特征，可以將地下水分為空隙、裂隙、巖溶3種，但并非在地下水、巖石以及巖石中的空隙這3者之中產生對應關系。貯水空隙系統(tǒng)具有雙重空隙介質，在地下水勘探中，關于貯水空隙類型還探索到了新的領域?；鶐r裂隙水主要存在于受符合地質構造條件的屬堅硬或半堅硬的巖石所控制的以裂隙為主的貯水空間，是具有運動、富集規(guī)律的地下水。不管是溶蝕裂隙地下水在可溶性巖石中的部分，還是孔隙裂隙水中的半堅硬巖石，都屬于基巖裂隙水，而它與其他類型地下水的基本區(qū)別，關鍵在于是不是受地質構造因素的嚴格控制。巖石含水的裂隙有成巖裂、構造裂和風化裂，主要是依照它的成因來劃分的。如果非要與風化裂隙水和成巖裂隙水作比較，那么水源集中、水量較大的必定是構造裂隙。

5.2基巖裂隙水的特點

由于主控因素作用，不同的蓄水構造中分布、富集基巖裂隙水的基本規(guī)律和決定主控的因素也基本相同，具有獨特的分布和運動規(guī)律。我國基巖裂隙水富集的基本特色理論就是蓄水構造系統(tǒng)，其主要特點如下。（1）基巖裂隙水具有復雜多樣的埋藏和分布形態(tài)。將儲存、運移基巖裂隙水的空間和通道，叫做巖石裂隙?；鶐r裂隙的大小和基巖裂隙的形狀，以及控制埋藏和分布裂隙發(fā)育帶的產狀，都是受地質構造、地層巖性、地貌條件等影響的。埋藏、分布不均勻的基巖裂隙水，大多具有不規(guī)則的含水層、多種多樣形態(tài)、分布呈帶狀的特點[4]。比如用脆性和塑性這兩種地層做比較，會產生較強的賦水性。若裂隙發(fā)育在褶皺構造中，像褶皺軸、轉折、背斜傾伏等處，富水段的形成就會比較容易，而壓性斷裂破碎帶中的賦水性是比較差的。（2）復雜的基巖裂隙水中，由于儲存空間中不均勻的介質，埋深程度不同的同一含水層，其地下水的運動狀態(tài)也各有不同。對于巖石中所要形成和分布的空隙，最基礎的因素是地質構造，主要表現在：巖石裂隙的發(fā)育和裂隙水的儲存都是受地質構造和地層巖性所影響，其中，基巖裂隙水的運動規(guī)律也被地質構造所牽制。由于地下水面的不同，即便是在基巖相同的裂縫水中，也是有時而出現無壓水，時而出現承壓水的情況[5]。層流、管道流、紊流、明渠流水是在巖石裂隙、溶洞的特殊形態(tài)作用下形成水運動的不同狀態(tài)，因此，基巖裂隙水的不均一性以及強烈的方向感，是導致裂隙巖體的透水復雜多樣、不具有規(guī)律性的根本原因。

6結論

在深埋地下隧道的工程中，比較突出的幾大地質難題包括高地應力及巖爆問題、高壓涌水突水問題、高地溫問題等。此外，還有像地震震害、瓦斯有害氣體爆炸以及涌水突泥、圍巖塌方、巖溶塌陷、泥屑流等。于是，在這個復雜的、系統(tǒng)的深埋隧道工程中，關于災害地質的研究，對隧道工程能否順利開展是關鍵的一步，在隧道工程施工前應按照隧道工程的各方面具體情況，采取有效、有針對性的防御措施。

參考文獻：

[1]重慶交通科研設計院.公路隧道設計規(guī)范：JTGD70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]上海市隧道工程軌道交通設計研究院，清華大學.隧道工程防水技術規(guī)范：CECS370—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014

[3]孫赤.錦屏二級深埋隧道大理巖段突水破壞機理研究[D].成都：成都理工大學，2014.

[4]王洪新.土壓平衡盾構刀盤開口率選型及其對地層適應性研究[J].土木工程學報，2010（3）：88-92．

[5]武力，屈福政，孫偉，等.基于離散元的土壓平衡盾構密封艙壓力分析[J].巖土工程學報，2010，32（1）：18-23．

作者:王清平 單位:成都華川公路建設集團有限公司