淺談杭瑞高速公路湖北段上官隧道巖溶及破碎帶區工程的地質比選

盧紅波

(湖北省地球物理勘察技術研究院,湖北 武漢　430056)

0　引言

山區高速公路所處地質環境條件一般較為復雜,尤其是山區特長深埋隧道工程,其巖溶、斷裂、軟巖等不良地質隱蔽性較大,一般情況下在各階段采用綜合勘察手段查明的基礎上,予以繞避,但有時卻無法完全繞避,則應充分注重不同方案場址的工程地質條件分析和比較,從地質角度優選危害性較小的合理工程設計方案,充分體現“地質選線”在公路工程建設中的意義和作用[1-2]。

杭瑞高速公路上官隧道段因受前后地勢條件限制,無法以明線爬坡方案通過黃家坳埡口,且埡口附近發育與路線走向近平行的黃家坳區域斷裂；向南展線又受到南側山體放射性礦產的較大影響[3]。在此復雜區段,最終只能以隧道穿越。擬設隧道方案有兩個(圖1)：方案一(A1線)為中長淺埋隧道,緊鄰并平行黃家坳斷裂展布；方案二(K線)為特長深埋隧道,穿過北側可溶巖區。本文針對方案一斷裂破碎軟巖隧道和方案二巖溶隧道進行地質分析,并結合區域地質條件,最終從施工風險及安全角度確定優選方案。

圖1　隧道工程方案位置示意圖

1　工程地質環境條件

杭瑞高速上官隧道段位于湖北省陽新縣富水鎮境內,屬構造溶蝕—剝蝕低山區,在南北山嶺之間為坳溝及溝源埡口(圖2)。黃家坳斷裂(逆斷層)呈近東西向通過北側山嶺坡腳和埡口,該斷裂從地層接觸關系及其上覆蓋層未錯斷等現象推斷,形成于印支—燕山期,最后一次主活動時期為中第三紀之前,挽近期沒有活動跡象,斷裂下盤(北側低山)主要為三疊系大冶組(T1d)灰巖,屬硬質碳酸鹽巖類,巖溶發育；上盤(南側較緩低山)主要為志留系新灘組(S1x)頁巖,屬軟質巖類,并受斷裂影響破碎嚴重,斷裂帶附近多呈泥化狀,在山頂老虎墩一帶有放射性礦產。

圖2　上官隧道地質平面圖

該區構造上處于大磨山復背斜的次級褶皺帶中,由黃石洞向斜、富水背斜組成。其中方案二前半段位于黃石洞向斜核部,后半段穿越向斜南翼,核部出露三疊系下統大冶組灰巖地層,巖溶問題突出。方案一主要位于富水背斜北翼。

該區地處中緯度亞熱帶溫暖潮濕氣候區,屬大陸溫濕季風性氣候,四季分明,雨量充沛,年降水量1 200 mm±,降雨多集中在3-9月,6月最大,雨季時間長,區內相對濕度75%±。

區內地表水主要為方案二隧道進口附近的小溪,水位及水量受季節影響變化大,夏季一般為2～3 m3/s,暴雨時形成山洪,水深最大可達3 m,冬季水量小或干枯。另外沿斷裂北盤有4處巖溶下降泉出露,流量0.6～3.0 m3/s。

區內地下水有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、基巖裂隙水三種類型。其中松散巖類孔隙水及基巖裂隙水水量均較貧乏,對工程影響甚微,而碳酸鹽巖類巖溶裂隙水賦存于三疊紀碳酸鹽巖中,受層間裂隙、節理、斷裂及溶蝕洼地、洞穴等控制,水量豐富,對工程影響大。

區內地下水主要由北側山體向南匯集,在斷裂帶南側分布志留系頁巖,為相對隔水層,受斷裂影響,地層泥化嚴重,隔水效果更好;而北側大冶組灰巖與斷裂破碎帶接觸部位,灰巖溶蝕嚴重,并形成順斷裂帶的串珠狀導水通道。對方案二穿過的山體,在前段黃石洞向斜地段形成儲水溶洞,巖溶通道為向南及東西向。

2　隧道工程地質條件分析

2.1　方案二(K線)

方案二采用特長深埋隧道穿越北側山體,隧道長3 676 m,洞底設計標高80～150 m,最大埋深約354 m,其主要的工程地質問題為巖溶。

隧道區地表溶蝕現象明顯,山體表面遍布溶蝕溝槽、石芽和溶洞,其中溶洞多分布于標高220 m以下。地表見有兩處較大的溶洞:位于進洞口左側約100 m的溶洞a,洞口標高為50 m,為地下暗河出口,洞口形態不規則,大小約2 m×0.5 m,洞體向西延伸。洞身中部左側220 m的筋骨洞b,洞口標高為120 m,為干洞,洞體高大,高約15 m,寬約6 m,向北東延伸。

隧道穿越的山體分水嶺北側楓樹嶺、伍家一帶,發育大片山頂巖溶洼地,長1 000 m,寬度50～150 m不等,底部平坦,巖溶洼地四周有大落水洞6處。平常積水都從落水洞下泄,遇暴雨時消水不及時,還出現部分落水洞往外翻水。證明山峰高地周圍仍發育巖溶洼地、落水洞且與低處的落水洞存在一定的連通關系。該巖溶洼地山體周圍無其它出水點,與該山體地下水有密切關系的出水點主要為黃家坳斷裂帶北側分布的2個泉:泉1,位于K線隧道進口(YK58+425)左側約50 m處,涌水量為0.8～1.6 m3/s,出露口標高約46 m,常年有水,雨后1-2天左右水量明顯增大,可達平常的3倍,且水質變渾；泉2,位于K線隧道進口前方(YK58+016)右側20 m處,涌水量為0.6～1.8 m3/s,出露口標高約44 m,水量較穩定,水質清亮,為當地居民飲用水源。另外,南北山體之間的坳溝地帶分布有長200 m、寬50～80 m、深12 m的洼地,其中有2 個圓形落水洞,深6～10 m,平時無水,雨期為地表匯水灌入地下的通道。

2.2　方案一(A1線)

方案一采用中長淺埋隧道穿越南側山體,隧道長1 969 m,洞底設計標高80～150 m,最大埋深約115 m,最小埋深僅3 m,其主要的工程地質問題為軟巖。

隧道緊鄰黃家坳逆斷層并與之大致平行,受黃家坳斷層及其分支斷層的影響,隧道圍巖風化較強,巖體松散破碎,開挖過程中易發生洞室變形、坍塌、掉塊、冒頂等情況。但因受斷裂帶的影響,志留系頁巖經過擠壓錯動,造成壓碎泥化,客觀上造成了對水的阻隔,隧道區出現大量涌水事故的可能性非常小。

3　方案比選

3.1　圍巖分級分段差異

兩方案的圍巖分級情況列表如下(表1、表2)。

表1　方案二(K線)上官隧道圍巖分級表

表2　方案一(A1線)上官隧道圍巖分級表

從表列數據可見,K線方案圍巖級別明顯好于A1線方案,但圍巖級別僅反映了圍巖的堅硬程度和完整性。

方案二中Ⅲ級圍巖段巖石堅硬,巖體完整性較好,圍巖條件較好；Ⅴ級圍巖主要分布于隧道進出洞口淺埋段及隧道遭遇的斷裂破碎帶,圍巖條件差；Ⅳ級圍巖段除少部分為Ⅲ級和Ⅴ級圍巖的過渡段外,多為巖溶發育段,是該方案遭遇巖溶突水、突泥而最難控制的施工段。

方案一中Ⅲ級圍巖段巖石較堅硬,巖體完整性較好,圍巖條件較好；Ⅴ級圍巖長度大主要是受隧道埋深淺,從第四系覆蓋層及軟巖風化層中通過的段較長；Ⅳ級圍巖主要是受斷裂影響,巖石產生破碎、泥化現象,而巖質較軟。因此該方案的主要問題為洞室變形、局部坍塌或冒頂等。

3.2　巖溶化差異

從調查所得的資料來看,沿黃家坳斷裂帶及其次斷裂帶附近分布的較大規模的溶洞和泉點有13處,且均分布于黃家坳斷裂帶北面,這說明這些溶洞和泉點經斷層破碎帶形成了貫通帶,對方案二影響較大,而方案一受黃家坳斷裂的阻隔而遭遇巖溶突水的可能性非常小。

方案二隧道的設計高程80～150 m,地面高程>180 m,北側山頂洼地高程在460 m以上,黃家坳斷裂帶附近出露的巖溶泉高程在50 m左右。因此北側山頂洼地四面匯水,通過溶洞匯到黃家坳斷裂附近,在隧道與斷層相交的位置極易產生涌水,對施工安全等產生不利影響。

隧道涌水量預測如下:按最不利情況估算,僅考慮山頂巖溶洼地積水(匯水面積約1 km2),當管道充滿水(山頂消水洞往外翻水是客觀依據),隧道遇到巖溶管道,水頭有3～3.8 MPa(即300～380 m水柱產生的壓力),按暴雨標準(日降雨量>50 mm),水頭壓力折減后約2.4～3.0 MPa,涌水量達0.87 m3/s。由于泉1、泉2均為長年不干泉,其日出水量最小值之和按1.4 m3/s計算,100日總量=1.4×60×60×24×100=12 096 000 m3,由此推測山體中有大容量儲水管道,如隧道施工遭遇強突水,后果不堪設想。

3.3　經濟比選

方案一線路長度較方案二短,雖單個隧道工程投資較大,但經綜合造價估算,方案一較方案二少投資150余萬元。隧道運營期的通風、通電等維護成本,方案一將明顯低于方案二。

3.4　比選結論

兩方案地質情況優劣對比如表3。

對于該隧道工程的比選,圍巖的破碎狀況對于目前已趨于成熟的施工方法來說,風險在可控制范圍內,而最難以控制的風險在于不確定性涌水造成施工期間人員的傷亡[4]。因此從地質安全角度最終推薦方案一作為優選方案。

表3　兩方案的工程地質條件對比表

4　結語

加強基礎設施建設是中國的一項基本國策,在公路、鐵路等大型基礎設施建設中,線路方案常會遇到滑坡、崩塌、巖溶、泥石流等不良工程地質問題,但并非遭遇到不良工程地質問題一定會導致線路方案不成立,應對不同方案從安全性、經濟性、合理性進行比選,采用最優方案進行建設[5]。本文方案一遇到的問題主要是圍巖破碎,方案二則是巖溶問題,兩方案各有優缺點,但方案二的危險性在施工中可采取信息法施工,就有關數據顯示,即使提前預測到涌水問題,解決難度也較大,同時經疏排水后對地質環境的影響也較大。在兩方案總的經濟指標相差較小的情況下,選用了可控性較好的方案一。

該隧道最終采用方案一進行施工,雖在施工中遭遇了近30次的洞室變形、局部坍塌、大塌方等多種狀況,但均在可控范圍之內,未發生安全事故,并于2011年4月4日順利貫通。

參考文獻:

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[2]高軍,王華.山區高速公路路線設計中應考慮的關鍵問題[J].交通標準化,2006(7)：60-63.

[3]霍明.山區高速公路勘察設計指南[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4]關寶樹.隧道施工中的災害與防治[C]//鐵路工程建設科技動態報告文集：鐵路隧道及地下工程.北京:中國鐵道出版社,1993.

[5]白云山,蔣樹屏,丁浩，等.巖溶地質特長隧道的關鍵技術問題及對策[C]//山區高速公路、橋梁、隧道、關鍵技術研討會論文集.武漢：湖北省科學技術協會，2006.