張承高速公路隧道圍巖級別劃分問題的探討

任艷斌 鄭金田 王晨濤

(中交遠洲交通科技集團有限公司，河北 石家莊 050051)

張承高速公路隧道圍巖級別劃分問題的探討

任艷斌 鄭金田 王晨濤

(中交遠洲交通科技集團有限公司，河北 石家莊 050051)

分析了地質背景對隧道圍巖的劃分影響，結合張承高速公路張家口至崇禮段的特殊地質構造、地層分布和地形地貌情況，綜合研究了圍巖劃分的考慮因素，提出了隧道圍巖級別劃分和施工過程中需注意的問題，以供類似的工程勘察參考應用。

高速公路，隧道圍巖，膨脹巖,隧道

張家口市位于河北省的西北部，京、晉、蒙的交界處，是京、津、唐經濟圈聯系山西、內蒙的樞紐和中介，亦是溝通中原與北疆，連接中西部資源產區與環渤海經濟圈的重要紐帶，戰略位置上又是國家和首都北京的北大門。項目區地形、地貌多變，地質情況復雜，特別是膨脹巖的不均勻分布，對隧道圍巖級別的劃分影響較大。本文從地質背景、地質特征和勘察手段等多方面入手，分析隧道圍巖級別的劃分，并評價其對工程的影響，特別是膨脹巖不均勻分布的分析評價。

1 隧道所處地質背景及與隧道圍巖的關系

傳統地質學將地殼表層按其活動性劃分為地臺與地槽兩構造單元。“地臺”屬于地殼的穩定區，上升下降幅度小，褶皺斷裂不甚發育，未遭受過強烈的地殼變動，地層和巖體受到的破壞小，完整性相對較好。而“地槽”則相反，它是地殼強烈活動的地區，遭受過強烈的地殼變動，上升下降幅度大，褶皺斷裂十分發育，巖漿活動頻繁，地層、巖體受破壞嚴重，完整性差。人們又稱它為褶皺帶或造山帶。

傳統地質學還根據其相對活動和穩定的程度在地臺和地槽內部又進一步劃分出若干次級與更次級的構造單元，以區分彼此不同的地質構造特征與成礦地質特征。

張承高速公路張家口—崇禮段，所處大地構造位置為中朝準地臺燕山臺褶帶的宣付天—小營盤斷褶帶內。這里人們在“地臺”前加了個“準”字，意思是說它屬于地臺區，但不標準。缺乏真正意義上的地臺應有的穩定程度。所謂臺褶帶、斷褶帶則更進一步地說明了它所處具體位置的活動程度。

該區的地質發展歷史也充分說明，在漫長的地質歷史演變過程中，曾經歷多次強烈的地殼變動，形成了復雜的地質構造景觀，從所保留下的構造形跡來看，尤如“分離立交”，中生代以前以東西向構造展布為主，而中生代侏羅紀則以北東方向疊加其上。

從構造活動的強烈程度與形成過程來看，由早到晚表現出三個大的構造發展活動階段。即早期(太古代—早元古代)基底的形成階段，中期(中、晚元古—中生代三疊紀)蓋層的形成與發展階段，晚期(侏羅紀)的地臺活化性亦超出了“地臺”相對穩定的極限，達到了與地槽褶皺帶幾乎可以相提并論的程度。

對工程巖體來說，處在這一地質構造環境是不利的，受到影響的程度均較嚴重或很嚴重。作為地下工程的隧道圍巖，穩定性一般較差，級別多偏低，這是這樣的地質構造環境所賦予它的必然結果。

2 張承高速公路幾處隧道圍巖的地質特征

張承高速公路共設計有4處隧道，均位于路線前半段的盆地低山丘陵區與中低山區，所穿越的地層巖性均為侏羅系上統(J3)的火山巖。按其巖性組合特征及上下關系，可分為四岔組與啕北營組。四岔組區內僅出第一段(J3S1)，其巖性以凝灰質為主，夾凝灰巖與石英斑巖。啕北營組可分三段：上段(第三段)，以粗面巖、英安巖、安山巖為主，夾流紋巖與凝灰巖；中段(第二段)，以流紋巖為主，夾石英斑巖、粗面巖與凝灰巖；下段(第一段)，為凝灰巖、凝灰質角礫巖與凝灰質砂礫巖。

需要強調的是，在以上所有地層中均夾有膨脹巖包體。這種包體系由后期熱流沿原巖的節理，裂隙蝕變而成，形態不規則，分布無規律，規模時大時小。淺部風化強烈，形成膨脹土，深部(100 m以下)風化作用差，在微～未風化帶則保持原巖(斑脫巖)特征。強度大，與流質巖、凝灰巖肉眼難以辨別。

在地質構造上，隧道穿越段，尤其大華嶺隧道穿越段，斷裂構造較為發育，目前地表所見規模較大的斷層就有5條，對隧道圍巖穩定性產生很大的影響。

3 隧道圍巖劃分上存在的主要問題

張承高速公路隧道圍巖劃分，主要是根據巖(土)性質、結構構造特征、強度等級，受地質構造影響程度、完整程度、波速比等綜合考慮，其資料來源主要是地表地質觀察、物探和鉆探成果。根據劃分結果來看，Ⅳ級，Ⅴ級圍巖依據相對充分，原因是這些圍巖分布地段一般埋深淺，根據地表觀察，結合物探資料易于分析、推斷，加之又有一定的鉆探工程控制，可靠性較大。而Ⅲ級圍巖劃分則主要的，甚至是唯一的根據——埋深大。正因為埋深大，地質分析推斷局限性就大；因為埋深大，物探勘察深度達不到，資料無法顯示；又因為深埋大，地形復雜，鉆探工程無法實施，缺少第一手資料。所以Ⅲ級圍巖一般可靠程度相對較差，可變性更大。

除了上述劃分中存在的主要問題外，圍巖中的膨脹巖包體則是影響穩定的另一重要因素。試驗結果表明，膨脹巖(土)的自由膨脹率(δef)為38.00%～75.00%，具有弱～中等膨脹性。在空間上的分布又無規律可尋，即由四岔組的第一段(J3S1)到啕北營業組的1—3(J3t1-3)段都有分布。目前，在東山隧道和大華嶺隧道前半段所施工的7個鉆孔以及兩隧道之間的各橋梁鉆孔中均有膨脹巖分布，其比例占到基巖(火山巖)段的20%～50%，有的高達100%(橋梁孔)。這一事實說明膨脹巖對隧道圍巖，尤其東山隧道(長隧道)和大華嶺隧道(物質特長隧道)的影響程度是十分明顯的、嚴重的。

4 施工中可能出現的問題

1)鑒于該區所處大地構造環境、隧道圍巖的地質特征以及有限的鉆孔工程控制程度，隧道圍巖級別的定量分析受到較大的限制，尤其不同級別圍巖界線的圈定不可避免地存在一定程度的隨意性，因而施工中不同圍巖界線位置的變化不僅是可能的，而且會是常有的。同時，圍巖的變更也是難免的。

這樣說并不等于否定我們的勘察成果，貶低我們的設計，更不是回避我個人的責任。恰恰相反，而是說明，對隧道這樣的特殊工程，人們對它要取得真正的認識，也必然離不開由點到面，由淺入深，即實踐—認識，再實踐—再認識這一辯證的認識過程。目前，公路工程界普遍認為公路隧道的施工圖設計只是“預設計”，而在開挖過程中根據隧道監控、超前預報所作的動態設計才是最終的設計。這是人們經過多年實踐對公路隧道工程設計與施工所作出的一個科學總結。所以隧道的設計與變更，不僅張承高速公路運輸會這樣，乃至全國，甚至世界各地，也都是這樣。

2)按照《公路隧道設計規范》要求，膨脹性隧道圍巖應采取復合式襯砌，二次襯砌采用等厚、圓順斷面，并宜采用鋼筋混凝土襯砌。同時，支護均應設置仰拱，而張承高速公路隧道設計在Ⅲ級圍巖地段采用兩套方案，即正常圍巖段二次襯砌采用素混凝土，如遇膨脹性圍巖，則采用鋼筋混凝土。這一設計思路于方案本來是完全正確的，無可非議的，但問題在于該區膨脹巖不僅分布無規律、形態不規則、空間變化大，在圍巖所占比例比較大，而且在埋深大、微風化～未風化的情況下與流紋巖、凝灰巖肉眼難以區分，強度二者沒有多大差異，如果這一特征在隧道開挖后能長久地保持下去，而不發生任何變化，二次襯砌采取素混凝土也是可以的。但這是不可能的，隨著隧道的開挖，地質環境將隨之變化。地下水由靜態變為動態，流動加速，循環加快，圍巖風化作用隨之加劇。在經過一定的時段后，膨脹巖的膨脹性即顯示出來，如果設計不到位，就將直接影響到支護襯砌的穩定性，造成不良后果。大華嶺隧道隧址附近已建二道邊軍事隧道底鼓的發生與側墻的開裂、傾斜就是一個很好的例證。

5 結論與建議

1)由于本區膨脹巖分布的無規律性及在圍巖中所占比例之大，在埋深大、微風化、未風化情況下，又與流質巖、凝灰巖肉眼難以區分的特點，而隧道工程又是修復困難的重大工程，從長遠考慮，為了保證初砌的安全性，建議Ⅲ級圍巖分布地段二襯全部采用鋼筋混凝土初砌并施作仰拱，以防留下隱患。

2)加強隧道施工監控，根據開挖實際，對預設計(施工圖設計)隨時提出修改意見，為動態設計提供依據。

[1] 鄭金田，任艷斌，梁軍平.張承高速公路張家口至崇禮段詳細工程地質勘察報告[R].

[2] 常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

Inquiry on Zhang-Cheng highway tunnel surrounding rock level division

Ren Yanbin Zheng Jintian Wang Chentao

(ChinaCommunicationYuanzhouTrafficScience&TechnologyGroupCo.,Ltd,Shijiazhuang050051,China)

The paper analyzes influence of geological background upon surrounding rock division. Combining with special geological structure, stratum distribution and landform of Zhangjiakou-Chongli section of Zhang-Cheng highway, it comprehensively studies surrounding rock division factors, and points out matters needing attention in tunnel surrounding rock level division and construction process, with a view to provide some guidance for similar engineering survey.

highway, tunnel surrounding rock, expansive rock, tunnel

2015-01-14

任艷斌(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0175-02

U451.2

A