基于個舊組地質(zhì)的長大隧道施工技術(shù)經(jīng)濟評價

楊松 彭忠舉 歐陽汛 艾祖斌 曹振生 陳全勝 周浩

摘要：個舊組巖溶地貌由于長期受活躍地質(zhì)作用影響而具有一定的特殊性，致災(zāi)因素也更為復(fù)雜。通過對個舊組各個地層段勘察資料、文獻進行收集整理，從地質(zhì)年代、地層劃分特點等方面進行詳細(xì)分析;與雷口坡組典型巖溶地層進行對比，針對目前典型巖溶施工方案對個舊組地層隧道適用性不強的情況，結(jié)合興隆隧道施工現(xiàn)狀，提出技術(shù)要點并進行經(jīng)濟效益評價。研究成果能夠降低隧道施工和運營成本，并在類似隧道施工中可推廣應(yīng)用。

Abstract： The karst landform of Gejiu formation has been affected by active geological processes in a long time， which contributed to its unique features and complex risk factors. Survey data and research literature of each Gejiu formation stratum were collected to analyze the characteristics of geological age and stratigraphic division in detail; Then， the current typical karst construction scheme is not strong applicability to Gejiu formation tunnel. Compared with the typical karst strata of leikoupo formation. The similarities and differences in geology and tunnel construction were further explained. Combined with the construction status of Xinglong tunnel， technical points and economic benefit evaluation were put forward. The research results can reduce the tunnel construction and operation costs and can be applied in similar tunnel construction.

關(guān)鍵詞：個舊組地層;巖溶;長大隧道;技術(shù)經(jīng)濟評價;信息化（BIM）

Key words： Geji formation stratum;karst;long tunnel;technical and economic evaluation;informationization

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0126-03

0? 引言

我國已是世界上隧道數(shù)量最多的國家，其中，西南山區(qū)隧道數(shù)量占比約90%。在山區(qū)隧道建設(shè)過程中，時常要遭遇巖溶地層，揭露出巖溶空腔、地下暗河、流沙等不良地質(zhì)，易發(fā)生溶腔塌陷冒頂、突水突泥、釋放有毒有害氣體等災(zāi)害事故[1]～[2]。針對巖溶隧道提出具體的災(zāi)害預(yù)防治理措施及施工關(guān)鍵技術(shù)要點具有十分重大的意義。許多學(xué)者在巖溶地層隧道災(zāi)害評價判別、處治及施工控制技術(shù)等方面展開了大量研究，許增光[3]等提出了一種長深隧洞突涌水危險性等級評價方法;歐孝奪[4]等針對南寧地鐵2號線盾構(gòu)隧道提出了具體的巖溶處治方案和措施;黃志杰[5]等針對巖溶溶腔進行隧道穩(wěn)定性分析研究，并分析了相關(guān)影響因素;趙國軍[6]等通過對膏巖隧道采用不同施工工藝進行對比分析，優(yōu)選得到切實可行的施工方法。此外，施工設(shè)計圖紙中，也給出了普適性溶洞處治方案，為現(xiàn)場施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。

一方面，以上研究大都僅針對圍巖等級為IV～V級的巖溶隧道，且僅從單一不良因素方面入手，提出專項處治方案。目前較堅硬地層（介于III級～IV級之間）的巖溶隧道相關(guān)文獻還鮮有發(fā)現(xiàn)，其研究過程中也未綜合考慮現(xiàn)場具體地質(zhì)特性、其他巖層侵入等多種復(fù)雜因素作用;另一方面，現(xiàn)階段隧道設(shè)計圖紙僅針對圍巖級別提出通用性支護參數(shù)及類型，未形成關(guān)于圍巖復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造（如層狀、巖溶、膨脹巖等典型特殊地層）針對性成套施工技術(shù)措施。

基于上述現(xiàn)狀，本文嘗試對個舊組地質(zhì)特征進行詳細(xì)分析，并以興隆隧道為工程依托，結(jié)合四新技術(shù)及信息化手段等前沿科技，針對隧道溶蝕裂隙、溶腔、有毒有害氣體等不良條件，從光面爆破、支護及通風(fēng)等多方面提出巖溶隧道施工要點，并進行經(jīng)濟技術(shù)評價，為類似隧道施工提供有益借鑒。研究成果具有一定的理論意義和工程價值。

1? 個舊組地質(zhì)特征分析

個舊組巖層屬于三疊系中后期形成的產(chǎn)物，地層的時代為安尼期至拉丁期，與四川盆地的雷口坡組屬同一時期[7]，主要以白云巖、灰?guī)r為主，整體厚度平均為2385.3m。

個舊組巖層分布區(qū)域范圍廣，按照不同巖層性質(zhì)，云南省地礦局區(qū)調(diào)隊六分隊在1980年將個舊組地層自下而上分為五段，下與嘉陵江組（亦稱“永寧鎮(zhèn)組”）為連續(xù)過渡關(guān)系，上與拖味組、法郎組為整合接觸。1996年，云南省地質(zhì)礦產(chǎn)局出版專著《云南省巖石地層》[8]，將拖味組灰?guī)r納入個舊組中，并將個舊組自下而上重新分為三段，上段與法郎組相接觸。目前大多數(shù)文獻[9]～[10]及地勘報告均基于此分段方式進行研究和編制。

1.1 個舊組下段（T2g3）

個舊組下段（T2g3）厚230m，主體為一套灰色鎂質(zhì)碳酸鹽沉積，分為上下兩個部分。上部以灰、淺灰中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，夾少量生物碎屑灰?guī)r、球粒灰?guī)r。下部為灰色中厚層狀白云巖、灰質(zhì)白云巖，含泥質(zhì)條帶，局部見同生灰質(zhì)角礫巖。上部灰?guī)r消失并出現(xiàn)白云巖，標(biāo)志著個舊組下段巖層開始進入中段巖層。

1.2 個舊組中段（T2g2）

個舊組中段（T2g2）由白云巖組成，屬灰色鎂質(zhì)碳酸鹽沉積，厚630～680m，分為上下兩個部分。上部為灰色中厚層狀隱晶-細(xì)晶灰質(zhì)白云巖。下部為灰-深灰色中厚層白云巖，呈塊狀。上部白云巖消失且開始出現(xiàn)雜色灰?guī)r，標(biāo)志著巖層已由個舊組中段進入個舊組上段。

1.3 個舊組上段（T2g1）

個舊組上段（T2g1）以灰?guī)r為主，厚738m。巖石組合劃分為5個部分。分別為灰色中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、夾炭質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，且主體形成于臺地邊緣相區(qū)。由于晚期燕山運動，個舊組上段被以花崗巖為主的火成巖侵入。

火成巖體主要侵入個舊組上段灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r層中，侵入巖區(qū)以個舊斷裂帶為界，分東西兩區(qū)。東區(qū)主要為麒麟山、老廠、卡房等區(qū)域，花崗巖呈粒狀，主要為隱伏巖體;西區(qū)主要為龍岔河、賈沙、白云山、克勒等區(qū)域，所侵入花崗巖呈斑狀，并大片出露于西區(qū)，原有巖體則大部分被覆蓋。東西區(qū)均由于接觸界面影響。部分巖體被大理巖化。

2? 巖溶隧道施工技術(shù)現(xiàn)狀

雷口坡組與個舊組雖是同一地層年代的產(chǎn)物，卻具有諸多異同點，雷口坡組屬典型海相地層，均為沉積巖，區(qū)域內(nèi)存在較多暗河，易造成隧道涌水，巖溶災(zāi)害相對較為單一。而個舊組由于外部環(huán)境和火成巖侵入等方面原因，圍巖級別多為III級和IV級，區(qū)域內(nèi)可能存在多種復(fù)雜致災(zāi)因素，例如，興隆隧道部分區(qū)段雖遭遇干性溶洞，但溶蝕面積大，更易發(fā)生塌方，同時可能存在流沙，并釋放硫質(zhì)等成分的有毒有害氣體等對施工不利的情況。

3? 興隆隧道施工技術(shù)經(jīng)濟評價

3.1 工程概況

興隆隧道為紅河州建水（個舊）至元陽高速公路項目一大重點控制性工程，位于云南省個舊市境內(nèi)（西區(qū)），隧道左洞全長為8843m，右洞全長8840m（含明洞長度），最大埋深約437m，屬于深埋特長公路隧道。

結(jié)合地勘報告及設(shè)計說明等相關(guān)資料，隧址區(qū)地層巖性屬于個舊組上段，主要為泥質(zhì)灰?guī)r和花崗巖，局部夾雜白云巖和大理巖，巖性大多為III級～IV級，局部存在V級圍巖，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶。

3.2 隧道施工技術(shù)評價

興隆隧道作為長大隧道，且穿越個舊組花崗巖侵入的特殊巖溶地層，典型巖溶條件的施工技術(shù)適用性不強，易導(dǎo)致隧道進洞挖方量大、爆破及超欠挖控制困難、支護及通風(fēng)效果不佳等問題，難以滿足施工預(yù)期要求。形成個舊組地層隧道施工技術(shù)要點，不僅能夠指導(dǎo)興隆隧道現(xiàn)場施工，還有利于節(jié)約類似隧道施工和運營成本。

3.2.1 洞身開挖

①洞身開挖前，結(jié)合地質(zhì)雷達、TGP等超前地質(zhì)預(yù)報手段，采用三維地質(zhì)素描等新技術(shù)，進行圍巖精細(xì)化分級，同時實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計。

②針對隧道溶蝕和全～強風(fēng)化花崗巖圍巖區(qū)域，超前支護選用小導(dǎo)管效果相對更好，且施做時可適當(dāng)將拱頂范圍內(nèi)的小導(dǎo)管移向泥質(zhì)充填發(fā)育的區(qū)域;在拱頂層面和裂隙較多強～中風(fēng)化花崗巖地層區(qū)域，建議采用超前錨桿支護，提升隧道整體穩(wěn)定性。

③興隆隧道洞身開挖時，可采取光面爆破技術(shù)。考慮到個舊組地層巖性變化較大的特點，可通過及時調(diào)整爆破參數(shù)，以強化爆破過程超欠挖控制。針對隧道巖性較堅硬但溶蝕裂隙發(fā)育地段，可在裂隙較多部位采取“少裝藥，多布孔”措施;在巖質(zhì)較軟弱地段，可適當(dāng)調(diào)整爆破微差，并將其控制在毫秒級，確保爆破效果和質(zhì)量。

3.2.2 隧道支護

在進行隧道支護時，針對溶蝕發(fā)育但巖質(zhì)較堅硬的地段，可適當(dāng)增設(shè)四肢格柵鋼架，掛網(wǎng)等措施，降低頂部掉塊風(fēng)險，提升隧道整體性和施工安全性。此外，施做錨桿時，可考慮向垂直裂隙和層面方向的角度傾斜，最大化利用錨桿支護性能，充分實現(xiàn)圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同承載[12]。

3.3 隧道施工經(jīng)濟評價

3.3.1 零開挖進洞

考慮興隆隧道山體地質(zhì)特點，洞口施工可采用三臺階七步法或CD法等工藝，過程中采用管棚加固進行配合，有效減少挖方，防止洞口仰坡面失穩(wěn)。端墻式洞門可沿順坡方向。針對洞口段山體一般較為破碎的特點，還可配合主動防護網(wǎng)進行坡體防護。

采用“零開挖”進洞施工技術(shù)，大大減少了洞口土石方開挖，有效節(jié)約資源消耗、運輸成本等費用約30%，實現(xiàn)綠色施工，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

3.3.2 施工通風(fēng)

長大隧道通風(fēng)本身已是一大難題，施工時易遭遇有毒有害氣體時，更需要行之有效的通風(fēng)方式，保證作業(yè)人員職業(yè)健康以及施工安全。針對興隆隧道，可采用巷道式通風(fēng)，通過增設(shè)射流風(fēng)機，充分利用離掌子面最近的已連通車行橫洞，同時封閉其前方存在的人行橫洞，改善通風(fēng)措施，確保形成通風(fēng)回路，強化供風(fēng)效果的同時，還需避免形成風(fēng)簾“關(guān)住”掌子面污風(fēng)。此外，結(jié)合單位自行研制的隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，出風(fēng)洞、通過傳感器檢測有毒有害氣體、粉塵等濃度，設(shè)置指標(biāo)進行變頻控制，不僅能在關(guān)鍵作業(yè)時間內(nèi)快速降塵，改善作業(yè)面環(huán)境，還能在非關(guān)鍵作業(yè)時間內(nèi)降低風(fēng)量，有效提升風(fēng)機工作效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗高達約15%。（圖1）

3.3.3 信息化管理

隧道在施工準(zhǔn)備、掌子面開挖、監(jiān)控量測、二襯支護等各方面均可結(jié)合BIM技術(shù)進行施工管理，施工前，通過可視化BIM模型，結(jié)合施工模擬，優(yōu)化施工方案;采用精細(xì)化模型，深化應(yīng)用，進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報和施工監(jiān)控量測，強化過程管控和災(zāi)害預(yù)防，確保隧道施工質(zhì)量，為隧道全壽命周期能夠正常服役提供多重技術(shù)性保障。

高速公路運營期隧道通風(fēng)耗電量最大，通過信息化技術(shù)，還能根據(jù)實際環(huán)境條件，實現(xiàn)變相通風(fēng)技術(shù)，節(jié)約運營通風(fēng)成本約10%。

興隆隧道施工過程中需嚴(yán)格遵循“短進尺、強支護、早封閉、勤量測、襯砌跟”等原則。目前興隆隧道雙洞采取雙向掘進，單洞長度均超過2km，施工質(zhì)量良好，整體受控。

4? 結(jié)論

①本文從個舊組各自分段的巖性情況、地層構(gòu)造、劃分標(biāo)志及形成原因等方面，結(jié)合地質(zhì)區(qū)域特點，展開了詳細(xì)地質(zhì)特征分析。

②以興隆隧道為依托，將個舊組與雷口坡組地層進行對比，并對其施工過程中可能存在的各類風(fēng)險及注意事項進行了說明。

③從目前巖溶隧道施工技術(shù)現(xiàn)狀入手，從巖石巖性、致災(zāi)因素等方面，闡述了特殊巖溶地層與典型巖溶地層的差異，并從隧道進洞、洞身開挖、爆破、支護及施工通風(fēng)、信息化管理等方面進行經(jīng)濟技術(shù)評價，為其他隧道施工提供借鑒。

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