高红杰
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)
摘 要:关角隧道是我国目前已建成的最长铁路隧道，施工中遇到了岭脊灰岩突涌水、软弱破碎围岩变形等地质问题。通过对主要地质问题进行成因分析，归纳总结特长隧道施工地质问题的类型和特点，寻找各类问题的内在本质与机理，提高处理隧道施工地质问题的能力，推广处理复杂施工地质问题的经验，提高复杂地质条件下长大隧道施工技术水平。
关键词:铁路隧道;施工;突涌水;围岩变形;成因分析
青藏铁路西宁至格尔木段增建二线关角隧道，位于青海省天峻县、乌兰县境内，地面高程3 400～4 500 m，地形、地质条件复杂，于2007年11月6日全面开工，2014年4月15日全隧贯通。隧道全长32.690 km，设计为2座单线隧道，线间距40 m，设有10座总长为15.141 km的斜井辅助施工，并设1座长10.450 km泄水洞疏排地下水。其为国内目前已建成的最长铁路隧道，也是目前世界最长的高海拔隧道。
新建关角隧道位置见图1。
图1 西格二线关角隧道地理位置
2.1 地形地貌
隧道位于青藏高原东北缘，隧道通过区属祁连山南缘支脉青海南山高山区的关角日吉山，隧道进口位于布哈河冲积平原后缘，出口位于肯德隆沟沟谷中。根据山体的相对高差，又进一步划分为关角日吉山北坡低高山区、关角日吉山中高山区、关角日吉山南坡低高山区三个次级地貌单元，地面高程3 400～4 500 m，相对高差200～750 m，山坡自然坡度25°～45°，地势陡峻。
2.2 地层岩性
本区地层岩性复杂，沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类均有分布，以变质岩为主。隧道通过的地层岩性主要有第四系砂质黄土、黏性土及砂类土、碎石类土，三叠系、二叠系灰岩及砂岩，石炭系变质砂岩、片岩、板岩及大理岩，志留系板岩、变质砂岩，下元古界片麻岩、混合岩，并伴有华力西期闪长岩、花岗岩入侵。
2.3 地质构造及区域地应力特征
由于隧址区位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘，跨越柴达木陆块北缘、宗务隆山裂陷槽、南祁连陆块三个大地构造单元，区内断裂及褶皱均发育，因此隧道区可能存在较高的地应力，根据水压致裂法实测的地应力结果分析，岭脊埋深较大的石炭系变质砂岩及片岩段存在高地应力问题。隧址区断裂构造发育，洞身通过4条区域性断裂及13条次级断裂，其中二郎洞断裂带(F3)由6条次级断层组成的断层束，宽度近3 km，其中主断带宽520 m，断带内岩体破碎，对工程影响大。
2.4 水文地质
关角隧道越岭区地质及水文地质条件较为复杂，关角日吉山北坡和岭脊附近，出露大面积二叠系、三叠系灰岩，隧道洞身通过灰岩段长度约9.17 km。地表岩溶形态以溶隙、溶槽为主，局部发育溶洞，还见有沿层面线状发育的椭圆形溶洞，属寒带、裸露型岩溶，为岩溶不发育区。由于岩体受构造影响的程度不同，其节理及岩溶裂隙的发育程度及连通性也差异较大，因此，不同地段岩体的富水性也差异较大，岩体节理及岩溶裂隙不发育地段，岩体较完整，地下水也不发育，以滴水、渗水为主;岩体节理及岩溶裂隙发育地段，岩体较破碎，地下水发育，以股状、雨状涌水为主。地表岩溶发育特征见图2。
3.1 岭脊灰岩段集中突涌水
3.1.1 隧道集中突涌水点分布情况［2］
(1) 2008年7月31日，4号斜井发生淹井。淹井前的洞口排水量为8 500 m3/d，淹井后洞口排水量最大达到30 000 m3/d，最大淹没位置X14 + 95(高程:3 622.8 m)，距离掌子面(X11+72)淹没长度为323 m，施工中断。发生淹井后施工单位积极组织排水，于2008年9月29日排完洞内积水，历时59 d。
2009年7月5日4号斜井施工至X4+85处发生突然涌水，水量很大，并迅速上涨，2 h后水位上涨淹没斜井300 m，随后速度明显减缓，最终至X11+15(高程:3 603.4 m)，淹没长度630 m，根据水位的上涨速度初步推算涌水量为3 000～4 000 m3/h。经过4个半月的抽水后才重新回到了斜5+05的位置。经各方协商，决定对4号斜井涌水段进行封堵，之后采用绕行的方案来处理，施工至绕斜4+09、绕斜3+88发生涌水险情。4号斜井逐月平均排水量柱状图见图3。
图2 地表岩溶发育特征
图3 4号斜井逐月平均排水量柱状图［1］
(2) 3号斜井开挖涌水量较大，井口平均水量为15 000～20 000 m3/d，由于泵站配备较合理，没有出现较大的集中涌水，施工可以基本正常进行。
(3) 5号斜井在斜4+91.4至斜3+40掌子面出现涌水，水压较大，喷射距离较远，涌水量约1.5万m3/d，采取了帷幕注浆进行堵水。
(4) 6号斜井涌水情况相对稳定，6号斜井担负的Ⅱ线隧道在2010年9月19日发生涌水，洞内水位淹至DYK296+110横通道。
(5)施工中，2号、3号、4号、5号、6号斜井所担负开挖的正洞灰岩段发生多次涌水险情，经及时注浆堵水，未发生大的突涌水，但对施工产生一定影响。
3.1.2 隧道涌水特点
(1)由于岩体受构造影响的程度不同，其节理及岩溶裂隙的发育程度及连通差异较大，不同地段岩体的富水性也差异较大。岩体节理及岩溶裂隙不发育地段，岩体较完整，地下水也不发育，以滴水、渗水为主;岩体节理及岩溶裂隙发育地段，岩体较破碎，地下水发育，以股状、雨状涌水为主。
(2)隧道位于岩溶水水平径流循环带及深部循环带，岩溶裂隙及节理发育，连通性较好，岭北降水量较丰富，受该区降水、融雪水及地表水体补给，岩体赋存着巨大的地下水静储量，因此，涌水量大，且衰减缓慢，持续时间长。如4号斜井最大涌水量达13万m3/d。
(3)灰岩地段隧道埋深大，最大埋深达791 m，突涌水的水压大，最大水压达4 MPa。
岭脊灰岩段股状涌水见图4。
图4 岭脊灰岩段股状涌水
3.1.3 隧道涌水机制分析
岭脊灰岩段集中涌水类型以北方岩溶裂隙为主，以股状、散状水为主要涌水形式，结合岩溶发育的垂直分带性分析，隧道位于岩溶水水平径流循环带及深部循环带，涌水多具有一定压力，受该区降水、融雪水及地表水体补给影响，岩体赋存着巨大的地下水天然存储量，涌水衰减缓慢。同时，受地质构造和后期溶蚀作用的双重影响，岩溶裂隙水含水介质具有较强的非均质各向异性，涌水形式具有水点位置集中、水量大等特点。
岭脊灰岩段地表水系发育，灰岩以裸露型为主，有利于降水的入渗补给，受季节性降水量及降水强度影响，动态变化特征明显，隧道涌水和地表水有较强的水力联系，排水设计时应考虑季节性降水及融雪水对地下水的快速补给可能引起水量增大等因素的影响。
关角隧道属岩溶不发育区，其地下水的分布及运移具有北方岩溶水特征。岩溶水是目前地下水类型中最为复杂的一种，因此需加强施工监测、进行连续超前地质预报及超前探水工作，确保施工安全。
3.2 变形与塌方［3］
关角隧道施工中遇到的变形与塌方主要发生在断层破碎带、软弱围岩段以及浅埋段，其变形塌方机制和特征各不相同。
3.2.1 断层破碎带及影响带变形与塌方
(1)变形塌方概况
以F3断层破碎带为例(图5)，Ⅰ线隧道DK303+ 540～DK304+070段洞身通过地层为F3断层破碎带，断层带物质为断层泥、断层角砾岩，局部为碎裂岩，岩体呈灰色、灰黑色，挤压强烈，多见不规则挤压光滑面。该段地下水不发育，岩面潮湿，属Ⅴ～Ⅵ级围岩。施工中发生了多段变形，最大收敛变形达到338.87 mm/d。
图5 F3断层破碎带碎裂岩
(2)变形原因分析
F3断层在区域地质构造上叫二郎洞断裂，是由多条断层组成的断裂带，为该隧道通过的最大的断层，破碎带宽度100～500 m，破碎带物质受构造影响强烈，岩体极破碎，强度低。隧道开挖前，岩体处于稳定平衡状态，开挖揭露以后，工程扰动引起围岩应力状态重新分布。临空面的形成和受地下水的浸湿作用影响下，围岩在应力释放过程中，工程性质和稳定性变差，经历了蠕滑－拉裂过程，初期支护不能有效抵制其变形，在二次模筑衬砌施做之前就遭到剪切破坏，造成变形塌方。
3.2.2 软弱围岩大变形
(1)典型软弱围岩大变形特征
9号斜井工区正洞DyK304+370～+540段地层为石炭系板岩，节理裂隙及小型褶曲发育，岩体极破碎，岩质软弱，易风化，含有膨胀性矿物，遇水易软化而强度降低，开挖过程中经常出现掉块现象，由于二次永久衬砌跟进不及时，该段在开挖后发生了不同程度的变形，最大变形达505 mm，严重危及施工安全并影响了工期。
关角隧道软弱围岩的变形特征［3］，有变形迅速，变形量大，收敛时间长的特点。根据监控量测资料，在10 d内变形量可达300 mm以上，达到最大变形量的60%;在初期变形发生后的1个月时间内，变形继续发展，在采取横向和竖向支撑措施以后，大变形才慢慢趋于稳定(图6)。
(2)变形原因分析
软弱围岩大变形的影响因素主要有高地应力、岩性和地下水3个方面。关角隧道区位于特殊大地构造部位，新构造运动强烈，地壳大幅度水平收敛，垂直方向加厚，具有较大的残余构造应力，大变形附近最大水平主应力达22.04 MPa，隧道开挖后应力重分布导致径向应力急剧降低，围岩压力增大，在洞壁附近，原本因高围压而紧密闭合的破碎岩体结构面张开，形成累进性松动，导致作用在支护结构上的荷载逐渐增加，使支护结构变形和严重破坏;软岩的矿物成分中含有黏土矿物和绢云母、绿泥石、石英等，其特点是岩体破碎，岩质软，易风化，含有膨胀性矿物，遇水强度降低显著，工程性质差;变形段局部渗出的地下水与软弱围岩发生水－岩作用，从而降低围岩的力学性能，为围岩的塑性变形提供了外部条件。该段隧道施工实践表明，有裂隙水渗出的段落，较之围岩干燥处明显变形大，钢拱架变形严重。
图6 水平收敛监测曲线
3.2.3 河谷浅埋段变形塌方
(1)变形塌方概况
DK281+765～DK282+165段为关角山河谷浅埋段，隧道埋深20 m左右，地表为托洛合拢洼河，常年流水。地表分布冲洪积细角砾土，厚度约13 m，洞身通过地段地层为闪长岩及板岩，岩体受风化、构造影响严重，风化节理、裂隙发育，岩体破碎，层间结合差，整体稳定性差。该段地下水较发育，拱部线状滴水，边墙股状出水，属Ⅴ－Ⅵ级围岩，施工过程中掌子面有突泥突砂现象且坍塌严重。
2011年4月6日正洞Ⅱ线DyK281 + 903～DyK281+914段起拱线位置初期支护混凝土开始剥落，随即撤出所有施工人员，10 s后DyK281+903～DyK281+914段初期突然变形开裂，同时DyK281 + 914～DyK281+931段突然坍塌，2 min后坍塌体堆满整个断面，从DyK281+903～DyK281+914段线路右侧钢架整体变形，最大变形量42 cm，裂缝宽度约15 cm。
(2)变形塌方原因分析
地下水作用因素。浅埋段地表为托洛合拢洼河，常年流水，隧道埋深约20 m。由于隧道埋深浅，地下水流通渠道短，地表水及第四系空隙潜水容易沿着第四系松散层及风化破碎基岩渗入隧道施工范围，洞内出水形式拱顶为淋雨状、边墙为股状出水。在地下水作用下，围岩强度降低，同时岩体结构面上的充填物被冲刷流失，结构面强度进一步降低，层间结合力进一步削弱，岩体稳定性变差。
地层岩性因素。浅埋塌方段地层以板岩为主，局部发育闪长岩侵入体。板岩矿物成分中含有绿泥石、绢云母等，抗吸水软化能力差，浸水后岩体强度显著降低;闪长岩成分主要为斜长石、石英和角闪石等，粗粒结构，受构造影响严重，岩体风化严重，结合差，水流冲刷作用下较多变为沙状物，施工掌子面有突泥突砂现象，围岩强度和稳定性变差，易变形失稳。
支护参数与施工工序的影响。初期支护结构所承受的压力，主要来自于围岩松动之后产生的松动圈施与的压力。由于初期支护属于临时支护，其储备强度不能完全抵抗来自围岩的压力，此时及时二次衬砌就显得尤为重要。本段塌方的形成与初期支护参数偏弱以及二次衬砌不及时关系较大，因此，为控制变形塌方的多发，调整支护参数和施工工序显得非常重要。
(1)关角隧道施工中遇到的地质问题主要为岭脊灰岩段集中突涌水以及变形塌方问题，变形与塌方可归纳为断层破碎带变形塌方、软弱围岩大变形和河谷浅埋段变形塌方3种类型，其成因机制各不相同。
(2)关角隧道岭脊灰岩段集中突涌水属北方岩溶裂隙水，具有出水形式多样且出水点分布不均衡不规律、静储水量大、水量衰减缓慢、水压大等特点。隧道位于岩溶水水平径流循环带及深部循环带，含水介质具有较强的非均质各向异性，岩溶水是目前地下水类型中最为复杂的一种。
(3)断层破碎带物质受构造影响强烈，岩体极破碎，强度低。隧道开挖前，岩体处于稳定平衡状态，开挖揭露以后，工程扰动引起围岩应力状态重新分布，围岩在应力释放过程中，经历了蠕滑－拉裂过程，最终演变为塌方。
(4)关角隧道区位于特殊大地构造部位，地应力较高，同时地下水与软弱围岩发生水－岩作用，从而降低围岩的力学性能，因此，软弱围岩大变形主要由于高地应力、岩性和地下水3个方面因素共同作用的结果。
(5)浅埋段地表有常年流水，地表水与洞内涌水有较强的水力联系，在地下水作用下，围岩强度降低，岩体稳定性变差，极易产生塌方。
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Geological Problems in the Construction of Guanjiao Supper Long Tunnel and Cause Analysis
GAO Hong-jie
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)
Abstract:GuanJiao tunnel is the longest railway tunnel built in our country at present.During the construction，such geological problems as water burst，soft and broken surrounding rock deformation are encountered.This article focuses on the main geological problems encountered in the construction of Guanjiao tunnel to conduct cause analysis，summarize the types and characteristics of super long tunnel construction geological problems，identify the mechanism of such problems so as to improve the ability to deal with the geological problems，promote the practices in copying with complex geological problems and improve technological levels.
Key words:Railway tunnel; Construction; Water burst; Deformation of surrounding rock; Cause analysis
作者简介:高红杰(1969—)，男，高级工程师，1993年毕业于兰州大学水文地质与工程地质专业，理学学士，E-mail:778325901@ qq.com。
收稿日期:2015-08-01;修回日期:2015-08-12
文章编号:1004-2954(2016) 03-0087-04
中图分类号:U452.1+1
文献标识码:A
DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.019
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