深埋隧道工程的災(zāi)害地質(zhì)問(wèn)題

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摘要：在進(jìn)行深埋隧道工程施工過(guò)程中，由于洞程較長(zhǎng)，洞深埋設(shè)較大，地質(zhì)條件較復(fù)雜，在施工時(shí)，如果處理措施不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)高地溫、巖爆、高壓涌水等問(wèn)題。鑒于此，以實(shí)際工程為例，對(duì)深埋隧道工程主要存在的災(zāi)害地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討，保證了施工的順利進(jìn)行，以期為類似工程提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：深埋隧道工程；災(zāi)害地質(zhì)；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(zhǎng)隧道，隧道工程總施工長(zhǎng)度為3134m。左幅為ZK38+624~ZK41+740，長(zhǎng)3116；右幅為K38+642~K41+776。最大埋深為176m。本文以此工程為例，對(duì)深埋隧道工程主要災(zāi)害地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)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(zhì)問(wèn)題是需要進(jìn)行探索和研究的關(guān)鍵領(lǐng)域，最先要通過(guò)預(yù)測(cè)天然地溫，一旦地溫超過(guò)30℃一般將其稱之為高地溫。高地溫不僅會(huì)惡化深埋隧道作業(yè)的環(huán)境，還會(huì)嚴(yán)重降低工人的勞動(dòng)生產(chǎn)率，甚至?xí)?duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命造成極大危害。此外，對(duì)深埋隧道施工材料選取的難度也相應(yīng)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(guān)系不是呈線性的，因?yàn)樵斐蛇@種深埋隧道中的高地溫問(wèn)題的原因主要是地下水活動(dòng)以及近期巖漿活動(dòng)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(yīng)力問(wèn)題

在深埋地下隧道的工程中，其中一個(gè)突出的地質(zhì)難題就是巖爆問(wèn)題。地下隧道工程埋得越深，其地應(yīng)力就會(huì)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(gòu)造應(yīng)力外，最主要取決于圍巖出現(xiàn)的高地應(yīng)力。它不僅在硐側(cè)壁引起高壓應(yīng)力，還導(dǎo)致硐頂部出現(xiàn)高拉應(yīng)力，這樣會(huì)導(dǎo)致硐室圍巖不穩(wěn)定，埋下隱患。由于高地應(yīng)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(huì)產(chǎn)生被塑性擠出的可能。高地應(yīng)力不斷釋放，地下隧洞就會(huì)發(fā)生變形，往往會(huì)出現(xiàn)隧洞短時(shí)間內(nèi)突然變小的異?，F(xiàn)象。就好比從掌子面距離正洞30m開(kāi)始，洞身變形的長(zhǎng)度有40m，起初的支架保護(hù)結(jié)構(gòu)破壞就會(huì)非常嚴(yán)重，通過(guò)測(cè)量計(jì)算，隧洞拱頂?shù)南鲁猎?0~20cm之間，隧洞的拱腳和邊墻也出現(xiàn)不同程度的擠壓和移位，甚至還有混凝土開(kāi)裂的情況[2]。這時(shí)就需設(shè)計(jì)一套科學(xué)有效、剛?cè)峤Y(jié)合、綜合治理的施工方案。為克制高地應(yīng)力，考慮使用約1萬(wàn)根超長(zhǎng)錨桿，要求總長(zhǎng)超過(guò)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(shè)計(jì)要求。巖爆受影響的原因有地震爆破，也有相鄰巖爆或機(jī)械等外因動(dòng)力的振動(dòng)，但其中影響巖爆的最基本原因是巖石的結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，巖石顆粒排列呈定向排列還是隨機(jī)排列，巖石是膠結(jié)連接還是結(jié)晶連接，是鈣質(zhì)膠結(jié)還是硅質(zhì)膠結(jié)，這最終關(guān)系著巖爆烈度的強(qiáng)弱。例如：（1）隨機(jī)排列的花崗巖、閃長(zhǎng)巖等巖石的巖爆烈度，會(huì)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(qiáng)一些；（2）結(jié)晶連接的深層巖漿巖石中的巖爆烈度比膠結(jié)連接的沉積巖強(qiáng)；（3）具有硅質(zhì)膠結(jié)巖石的天生橋二級(jí)水電站引水隧洞比關(guān)村壩的隧道中鈣質(zhì)膠結(jié)巖石的爆烈度強(qiáng)。

4深埋隧道中的高壓涌水難題

深埋地下隧道的施工過(guò)程中，除了高地溫以外，涌水問(wèn)題也成為隧道運(yùn)營(yíng)中亟待解決的又一難題。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道通過(guò)的地段會(huì)挖掘出很多水流量大的地質(zhì)單元，一般就會(huì)出現(xiàn)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(shí)，就會(huì)導(dǎo)致巖體水力劈裂。這就說(shuō)明在高水頭壓力的作用下，在巖體的突水點(diǎn)附近，巖體斷續(xù)裂隙、裂縫是朝著某個(gè)方向的，受網(wǎng)狀交織的構(gòu)造裂隙影響，經(jīng)過(guò)融合后發(fā)生擴(kuò)展的裂隙、空隙最終張裂開(kāi)來(lái)。隨著隧道深部巖體涌水量越來(lái)越大，地下水水壓越來(lái)越高，會(huì)導(dǎo)致深埋隧道工程圍巖水力劈裂。一旦出現(xiàn)水力劈裂的情況，就會(huì)迅速連通裂隙，空隙的張裂程度就會(huì)越來(lái)越大，涌水的滲透力會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。再加上動(dòng)水壓力的影響，裂隙會(huì)再擴(kuò)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(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為斷層破碎帶，巖體不整合接觸面和結(jié)構(gòu)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(duì)封閉的煤系構(gòu)造地層中，由沖擊波的產(chǎn)生、劇烈的氧化作用而導(dǎo)致的爆破，其災(zāi)害性極強(qiáng)。

5基巖裂隙水

5.1基巖裂隙水的含義

只有儲(chǔ)存在堅(jiān)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(jù)含水介質(zhì)的基礎(chǔ)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(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系。貯水空隙系統(tǒng)具有雙重空隙介質(zhì)，在地下水勘探中，關(guān)于貯水空隙類型還探索到了新的領(lǐng)域?；鶐r裂隙水主要存在于受符合地質(zhì)構(gòu)造條件的屬堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬的巖石所控制的以裂隙為主的貯水空間，是具有運(yùn)動(dòng)、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(jiān)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(guān)鍵在于是不是受地質(zhì)構(gòu)造因素的嚴(yán)格控制。巖石含水的裂隙有成巖裂、構(gòu)造裂和風(fēng)化裂，主要是依照它的成因來(lái)劃分的。如果非要與風(fēng)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(gòu)造裂隙。

5.2基巖裂隙水的特點(diǎn)

由于主控因素作用，不同的蓄水構(gòu)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(dú)特的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。我國(guó)基巖裂隙水富集的基本特色理論就是蓄水構(gòu)造系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)如下。（1）基巖裂隙水具有復(fù)雜多樣的埋藏和分布形態(tài)。將儲(chǔ)存、運(yùn)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(chǎn)狀，都是受地質(zhì)構(gòu)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(diǎn)[4]。比如用脆性和塑性這兩種地層做比較，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的賦水性。若裂隙發(fā)育在褶皺構(gòu)造中，像褶皺軸、轉(zhuǎn)折、背斜傾伏等處，富水段的形成就會(huì)比較容易，而壓性斷裂破碎帶中的賦水性是比較差的。（2）復(fù)雜的基巖裂隙水中，由于儲(chǔ)存空間中不均勻的介質(zhì)，埋深程度不同的同一含水層，其地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也各有不同。對(duì)于巖石中所要形成和分布的空隙，最基礎(chǔ)的因素是地質(zhì)構(gòu)造，主要表現(xiàn)在：巖石裂隙的發(fā)育和裂隙水的儲(chǔ)存都是受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性所影響，其中，基巖裂隙水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也被地質(zhì)構(gòu)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(shí)而出現(xiàn)無(wú)壓水，時(shí)而出現(xiàn)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(yùn)動(dòng)的不同狀態(tài)，因此，基巖裂隙水的不均一性以及強(qiáng)烈的方向感，是導(dǎo)致裂隙巖體的透水復(fù)雜多樣、不具有規(guī)律性的根本原因。

6結(jié)論

在深埋地下隧道的工程中，比較突出的幾大地質(zhì)難題包括高地應(yīng)力及巖爆問(wèn)題、高壓涌水突水問(wèn)題、高地溫問(wèn)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(gè)復(fù)雜的、系統(tǒng)的深埋隧道工程中，關(guān)于災(zāi)害地質(zhì)的研究，對(duì)隧道工程能否順利開(kāi)展是關(guān)鍵的一步，在隧道工程施工前應(yīng)按照隧道工程的各方面具體情況，采取有效、有針對(duì)性的防御措施。

參考文獻(xiàn)：

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[2]上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，清華大學(xué).隧道工程防水技術(shù)規(guī)范：CECS370—2014[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014

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

[4]王洪新.土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率選型及其對(duì)地層適應(yīng)性研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，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(gòu)密封艙壓力分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（1）：18-23．

作者:王清平 單位:成都華川公路建設(shè)集團(tuán)有限公司