禮讓隧道工程地質水文及設計施工建議

沈 亮曲福友周閩江趙國軍王永慶王 超

1.中電建路橋集團有限公司重慶梁忠高速公路總承包部 重慶 400044 2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室 重慶 400044

禮讓隧道工程地質水文及設計施工建議

沈 亮1曲福友1周閩江2趙國軍1王永慶1王 超1

1.中電建路橋集團有限公司重慶梁忠高速公路總承包部 重慶 400044 2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室 重慶 400044

通過收集、整理與分析相關資料，對禮讓隧道工程地質中的地形地貌、地區巖性、地質構造、各種不良地質條件以及禮讓隧道的水文地質條件等進行了分析。基于上述分析，提出了禮讓隧道的工程地質評價及針對巖溶、石膏巖膨脹性、石膏巖腐蝕性的施工設計建議。對同類穿越石膏巖地層的隧道具有參考價值。

禮讓隧道；石膏巖；膨脹性；腐蝕性；施工設計

引言

重慶市梁平至忠縣高速公路LZ2合同段（K8+ 740～K23+715）是梁平至忠縣高速公路中的一段，對于加快重慶市規劃公路網建設，促進區域經濟發展，建設放射狀高速公路快速通道，帶動沿線區縣經濟全面發展具有極其重要的作用。而禮讓隧道則是梁平至忠縣高速公路主要的控制工程之一,為使工程的施工方案更加科學、對各種地質問題的防治措施更加完善，本文特針對該段在工程地質及水文地質方面存在的問題進行了分析和研究。

1.隧道工程地質條件

1.1 地理位置、地形地貌

禮讓隧道區為構造剝蝕、溶蝕形成的背斜山，山體呈北東南西向延伸。隧道進、出口段地形為單向自然斜坡。明月山中部為北西南東向發育的溶蝕槽谷，寬約500m～1500m，槽谷靠南東側分布溶蝕殘丘，呈線狀分布，槽谷中地形標高581.0m～768.30m，地形總體北西低南東高。隧道穿越段發育的溶蝕槽谷分為前槽、后槽，前槽地形標高627.40m～689.20m，坡度5°～10°；后槽為狹窄的深切槽谷，寬10m～30m，地形標高574.10m～590.30m，槽谷兩側地形坡度較大，一般為30°～56°。

1.2 地區巖性

隧址區出露地層為三疊系下統嘉陵江組（T1j）、中統雷口坡組（T2l）、上統須家河組（T3xj）、侏羅系下統珍珠沖組（J1z）、中下統自流井組（J1-2z）、中統新田溝組（J2x）、第四系（Q4）。

1.3 地質構造

禮讓隧道穿越的地質構造為明月峽背斜，構造行跡呈北北東～北東向，無大的區域性斷裂隙構造分布。

明月峽背斜位于華鎣山隆褶帶南東邊緣，該背斜軸線平直，向北30°東延伸，無大彎曲，背斜兩翼不對稱，南東翼陡，傾角57°～80°,北西翼緩，傾角30°～44°，為線形斜歪背斜。

1.4 不良地質現象

隧道區存在的主要不良地質現象為巖溶、煤層采空區以及石膏巖膨脹性和腐蝕性。其中膏巖的膨脹性和腐蝕性對本工程的影響尤為明顯。

（1）巖溶

巖溶是可溶巖與具有侵蝕性的地下水相互作用的產物，巖溶發育強度及巖溶地下水具有典型的不均勻性[1]，在近年的工程實踐中也遇到很多諸如此類的問題。隧道區分布的可溶巖類呈條帶狀分布，地下巖溶的發育走向與可溶巖的分布是一致的,地下巖溶洞隙的發育寬度受可溶巖的厚度控制，延伸方向與巖層走向相同。地下水不斷地對可溶巖進行化學的、物理的破壞作用，造成地下溶洞的不斷擴大。

（2）煤層采空區

隧道范圍分布的采空區對隧道的主要影響為穿越煤層采空區段時巖體的完整性差，采空區內的集水及有毒有害氣體對隧道施工的影響。隧道穿越的須家河組T3xj1、T3xj3、T3xj5煤系地層含低瓦斯，煤層自燃傾向性等級為Ⅰ級，煤層屬容易自燃煤層，有煤塵爆炸危險。

（3）石膏的膨脹性、腐蝕性

石膏主要分布于背斜軸部分布的三疊系下統嘉陵江組四段的地層中，具體分布范圍：左線ZK14+582～ZK14+907、右線K14+599～K14+920。

地下水進入石膏巖層后體積會發生膨脹[2]，工程上認為這種膨脹是不可逆的。當石膏巖受到擾動，特別是當濕度條件變化時，石膏巖的性狀常發生巨大變化，產生體積膨脹，對臨近構筑物產生膨脹壓力，影響工程的穩定性。

石膏地層對隧道的腐蝕作用主要分為物理腐蝕作用和化學腐蝕作用。物理腐蝕主要表現為地下水中的CaSO4溶液隨混凝土的孔隙滲入其中，在環境濕度較低時結晶析出，對混凝土孔壁造成極大的結晶壓力，從而引起混凝土的膨脹開裂；化學腐蝕主要為地下水中硫酸鹽對混凝土材料的侵蝕。石膏為弱透水層，在隧道中不存在干濕和凍融交替作用，判定為Ⅱ類環境，石膏對砼具有強腐蝕（對應腐蝕作用等級為D級），對鋼筋混凝土結構中鋼結構有微腐蝕性[3]。

2.隧道水文地質條件

隧址區三疊系中下統碳酸鹽巖類分布于背斜軸部，因受兩側碎屑巖所構成的中、低山嶺的夾持，具備有利的巖溶發育條件，形成了特有的隆脊型巖溶槽谷，巖溶的發育與巖性、地貌條件關系密切；巖溶水運動和富集則受地質構造的控制。

隧道進口前部為兩溝相交部分，由東向西發育的沖溝為主溝，雨后流量可達到2.5L/s；南東向北西方向的沖溝為次級沖溝，雨后流量為0.5L/s。隧道洞口施工前須進行改溝施工。

煤礦礦井水及嘉陵江組四段石膏鹽層地段的地下水SO42-含量較高，對砼物具弱腐蝕性，化學腐蝕環境分類及作用等級劃分為C級，地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。隧道穿越石膏層時，分布的石膏對砼物具強腐蝕性，腐蝕性等級為D級，為嚴重；對鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性。隧道區其余正常區段地下水對混凝土結構具微腐蝕性。

3.工程地質評價及施工、設計建議

3.1 區域穩定些評價

根據地質勘探資料，隧道進、出口段地形為單向自然斜坡。進口側自然斜坡坡向北西，地形坡度25°～30°；出口側自然斜坡坡向南東，地形坡度35°～50°，局部大于60°。各層巖性由新至老可分為第四系全新統（Q4）、侏羅系（J）、三疊系（T）其中第四系全新統殘坡積土主要分布于隧道進、出口段及洞身段地形坡度較小的地段地表。地下水可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、砂泥巖風化裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶水（巖溶裂隙、溶洞水）。

3.2 設計、施工建議

綜合以上分析，針對區域內不良地質情況對設計、施工提出相應建議。

（1）巖溶

巖溶發育，可能產生冒頂、突水和突泥，應加強地質超前預測預報工作，預防產生巖溶突水，應采取以堵為主的防治方案[4]。隧道巖溶的治理應以安全、質量為重點，因此制定方案時應嚴格遵從“保證施工安全、確保結構穩定、保障安全運營”的基本原則，還應根據施工現場實際情況采用恰當、不同的方法進行地質預報，采集精確數據、認真分析得出結論，指導施工。施工現場應注意以下幾個原則：（1）堅持綜合超前地質預報的原則，做到有疑必探、有水必治、強化探測，先探后掘。（2）堅持動態設計，動態施工的原則。（3）堅持“光面爆破、支護緊跟、監控量測、及時反饋和修正、適時襯砌施工”的原則。（4）堅持“釬探深、預注漿、管超前、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的原則[5]。（5）堅持巖溶水地段先止水結合排水，再開挖的原則。

（2）石膏巖的膨脹性

膏巖是一種軟巖，在地下水的作用下會有膨脹性。而且水是膨脹性圍巖隧道病害的主要根源，對隧道危害較大，因此必須采取加強隧道的防排水措施[6]。防排水措施的好壞直接影響到膨脹巖隧道工程質量[7]，所以，膨脹巖隧道開挖后，應及時錨噴，封閉暴露圍巖，并重視地表水和地下水的防、排水措施。本隧道圍巖可分為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級,其中石膏巖為V級。

石膏地層圍巖級別劃分如下：Gypsum formation rock class division is as follows:

Ⅴ級圍巖分布于隧道進、出口及部分洞身段，其主要巖性為粉砂質頁巖、炭質頁巖、煤層、石膏質巖層及鹽溶角礫巖；巖體受地質構造及風化作用影響較重，裂隙較發育，呈碎裂狀松散結構，易坍塌，圍巖無自穩能力，跨度5m或更小時，可穩定數日。根據石膏質圍巖的此種情況，要求在施工過程中加強圍巖支護，并時刻注意隧道中的排水情況，盡量降低石膏質圍巖發生結構失穩的可能性。尤其對于V類圍巖，可進行超前布設稀疏錨桿以單側壁導坑法，開挖第一次錨噴聯合初期支護。

膨脹巖層對隧道施工危害具體表現在以下幾個方面：隧道下沉、圍巖膨脹、坍塌、襯砌變形和破壞等。為了盡量避免如上幾個問題的出現，建議在隧道施工過程中，應堅持短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、襯砌跟的原則，選擇合理的施工方法和開挖方法，并制定有效防排水方案[8～9]；在隧道開挖斷面時要預留較大的變形量，防止圍巖膨脹導致的襯砌侵入建筑限界；襯砌設計方面宜采用復合式襯砌，初期采用錨噴支護，具有即時、柔性、密閉的優點；仰拱應及時施作，使支護襯砌盡早形成閉合結構，以增加襯砌整體剛度，同時防止水流浸泡基底，以控制邊墻變形和底鼓；當膨脹變形大、膨脹力大或者圍巖難以支護時，應對拱部和邊墻進行進一步處理。如采用超前注漿小導管、自進式錨桿等方法。

（3）石膏巖的腐蝕性

石膏對隧道混凝土的腐蝕機理主要分為物理腐蝕和化學腐蝕兩種，前者簡單來說是由于混凝土內的某些成分在環境因素的影響下，進行溶解或膨脹；后者是由于化學環境介質（CO2、Mg2+、Cl-、pH、SO42-）與混凝土成分發生化學反應[10]。

隧道施工中穿越石膏層建議對隧道襯砌層采用抗硫酸鹽水泥，并需作抗溶出型腐蝕處理措施。特別的，針對石膏質圍巖性質及對于混凝土的腐蝕破壞性，結合相關施工防腐措施提出以下整改建議：（1）必須嚴格控制施工工序，建立完善施工流程，對于石膏段圍巖具有的軟化性和腐蝕性，需要快速施工形成較穩定的支護狀態以減輕隧道施工過程中這些因素造成的塌方事故。建議建立鉆爆作業線、防排水作業線、裝碴運輸作業線、噴錨作業線、二次模筑混凝土襯砌作業線、通風作業線等六條獨立、相互配合的作業線，是全面完成隧道快速施工的關鍵，尤其加強錨噴作業和防排水作業的力量是提高進度的重要手段。（2）完善現場防排水措施，應遵循“以排為主，防排結合，因地制宜，綜合治理”的原則。（3）提高混凝土噴射和二襯混凝土施工工藝。（4）設計及施工過程中必須考慮各種極端情況。（5）采取準確的超前探測，有效的反饋信息，采取針對性措施。

4.結語

（1）由于隧道中出現石膏巖，具有膨脹性、腐蝕性等性質，在施工過程中必須隨時注意隧道中的排水情況以及混凝土的防腐蝕問題，且進行必要的地質超前預報工作對隧道施工具有重要的意義。同時，在施工過程中加強施工管理并及時進行防護作業，防止因石膏巖力學性質的不穩定而造成工程事故。

（2）因隧道所處地段巖石風化程度不一，工程地質條件較為復雜，不良地質情況中出現巖溶和采空區等情況，嚴重影響施工過程中的安全性，要求在施工的整個過程中應注意做好邊坡防護及變形觀測，同時應在隧道施工關鍵部位及時施作支護并保證施工質量以保證隧道周邊的安全。

（3）在施工過程中加強施工管理，并及時進行防護作業可有效地杜絕因涌水及地下水位異常變化對施工和當地居民造成較大的影響和經濟損失。

（4）要求在今后的施工過程中,應根據隧道不同地段的富水情況,合理安排隧道施工涌水處理的設計和施工,防止隧道施工過程中發生突水事故,并確保隧道的施工不會嚴重影響周邊的地下水環境。

（5）詳盡的工程地質資料是指導施工和制定合理、科學、經濟的施工技術方案的一個重要前提。隨著現代隧道施工技術的不斷探索與創新，挪威法、掘進機法、盾構法、沉管法等在復雜地質條件下施工應用，對于隧道建設的施工安全、縮短建設工期、降低工程成本及提高工程質量具有顯著的作用和意義。

[1]陳鴻吟,論巖溶區地下水的不均勻性[J],貴州地質，1994,11（1）∶69-74.

[2]郭富利,張頂立,蘇潔等.圍壓和地下水對軟巖殘余強度及峰后體積變化影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28（S1）∶2644-2650.

[3]徐銀燕.隧道工程圍巖穩定性影響因素分析與破壞基本判據[J].安徽建筑，2009,31（5）：64-66.

[4]張慶松，李術才等.巖溶隧道施工風險評價與突水災害防治技術研究[J].山東大學學報，2009（3），106-110.

[5]袁軍平,黨高紅,淺談隧道防排水施工[J],水利與建筑工程學報.2009,7（3）：110-113.

[6]郭黎明.淺談隧道工程防水設計與質量控制[J].公路交通科技（應用技術版）,2012,7（9）282-284.

[7]崔連友,鉆爆法隧道防排水施工技術[J]鐵道建筑技術,2005（3）,43-47.

[8]崔旭，張玉.膨脹巖的判別分級與隧洞工程[J].甘肅水利水電技術，2000（3）.

[9]董新平.膨脹巖隧道施工技術研究現狀[J].世界隧道，2000，（5）：60-63.

[10]唐清寬，王靜，吳銀亮.石膏巖區隧道襯砌混凝土侵蝕機理分析及配合比設計[J],鐵道建筑，2015，（6）∶72-74.

Simple analyzing Li Rang tunnel engineering geological and hydrogeological characteristics

Shen Liang1,Qu Fu you1,Zhao Guojun 1,Zhou Minjiang2,Wang Yong qing1,Wang Chao1
（1.POWERCHINA road bridge group co.,LTD Chongqing Liang Zhong highway general contracting department 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China）

This paper analysis the topography,geomorphology,lithology,geological structure various adverse geological conditions in engineering geology and hydro geological condition of Lirang tunnel.Based on these analysis,gave the advice of engineering geology evaluation and the karst,gypsum rock dilatability,gypsum rock corrosive ability construction design for Lirang tunnel. It have reference value for the tunnel of across gypsum rock formation.

Li-Rang tunnel;gypsum rock;swelling character;corrosive character；Construction design

∶TU47

A

沈亮（1961-），男，重慶梁平人，高級工程師，主要從事隧道工程方面的研究。

周閩江（1993-），男，重慶豐都人，碩士研究生，主要從事隧道、巖土工程方面的研究。