礼让隧道工程地质水文及设计施工建议

沈 亮曲福友周闽江赵国军王永庆王 超

1.中电建路桥集团有限公司重庆梁忠高速公路总承包部 重庆 400044 2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 重庆 400044

礼让隧道工程地质水文及设计施工建议

沈 亮1曲福友1周闽江2赵国军1王永庆1王 超1

1.中电建路桥集团有限公司重庆梁忠高速公路总承包部 重庆 400044 2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 重庆 400044

通过收集、整理与分析相关资料，对礼让隧道工程地质中的地形地貌、地区岩性、地质构造、各种不良地质条件以及礼让隧道的水文地质条件等进行了分析。基于上述分析，提出了礼让隧道的工程地质评价及针对岩溶、石膏岩膨胀性、石膏岩腐蚀性的施工设计建议。对同类穿越石膏岩地层的隧道具有参考价值。

礼让隧道；石膏岩；膨胀性；腐蚀性；施工设计

引言

重庆市梁平至忠县高速公路LZ2合同段（K8+ 740～K23+715）是梁平至忠县高速公路中的一段，对于加快重庆市规划公路网建设，促进区域经济发展，建设放射状高速公路快速通道，带动沿线区县经济全面发展具有极其重要的作用。而礼让隧道则是梁平至忠县高速公路主要的控制工程之一,为使工程的施工方案更加科学、对各种地质问题的防治措施更加完善，本文特针对该段在工程地质及水文地质方面存在的问题进行了分析和研究。

1.隧道工程地质条件

1.1 地理位置、地形地貌

礼让隧道区为构造剥蚀、溶蚀形成的背斜山，山体呈北东南西向延伸。隧道进、出口段地形为单向自然斜坡。明月山中部为北西南东向发育的溶蚀槽谷，宽约500m～1500m，槽谷靠南东侧分布溶蚀残丘，呈线状分布，槽谷中地形标高581.0m～768.30m，地形总体北西低南东高。隧道穿越段发育的溶蚀槽谷分为前槽、后槽，前槽地形标高627.40m～689.20m，坡度5°～10°；后槽为狭窄的深切槽谷，宽10m～30m，地形标高574.10m～590.30m，槽谷两侧地形坡度较大，一般为30°～56°。

1.2 地区岩性

隧址区出露地层为三叠系下统嘉陵江组（T1j）、中统雷口坡组（T2l）、上统须家河组（T3xj）、侏罗系下统珍珠冲组（J1z）、中下统自流井组（J1-2z）、中统新田沟组（J2x）、第四系（Q4）。

1.3 地质构造

礼让隧道穿越的地质构造为明月峡背斜，构造行迹呈北北东～北东向，无大的区域性断裂隙构造分布。

明月峡背斜位于华蓥山隆褶带南东边缘，该背斜轴线平直，向北30°东延伸，无大弯曲，背斜两翼不对称，南东翼陡，倾角57°～80°,北西翼缓，倾角30°～44°，为线形斜歪背斜。

1.4 不良地质现象

隧道区存在的主要不良地质现象为岩溶、煤层采空区以及石膏岩膨胀性和腐蚀性。其中膏岩的膨胀性和腐蚀性对本工程的影响尤为明显。

（1）岩溶

岩溶是可溶岩与具有侵蚀性的地下水相互作用的产物，岩溶发育强度及岩溶地下水具有典型的不均匀性[1]，在近年的工程实践中也遇到很多诸如此类的问题。隧道区分布的可溶岩类呈条带状分布，地下岩溶的发育走向与可溶岩的分布是一致的,地下岩溶洞隙的发育宽度受可溶岩的厚度控制，延伸方向与岩层走向相同。地下水不断地对可溶岩进行化学的、物理的破坏作用，造成地下溶洞的不断扩大。

（2）煤层采空区

隧道范围分布的采空区对隧道的主要影响为穿越煤层采空区段时岩体的完整性差，采空区内的集水及有毒有害气体对隧道施工的影响。隧道穿越的须家河组T3xj1、T3xj3、T3xj5煤系地层含低瓦斯，煤层自燃倾向性等级为Ⅰ级，煤层属容易自燃煤层，有煤尘爆炸危险。

（3）石膏的膨胀性、腐蚀性

石膏主要分布于背斜轴部分布的三叠系下统嘉陵江组四段的地层中，具体分布范围：左线ZK14+582～ZK14+907、右线K14+599～K14+920。

地下水进入石膏岩层后体积会发生膨胀[2]，工程上认为这种膨胀是不可逆的。当石膏岩受到扰动，特别是当湿度条件变化时，石膏岩的性状常发生巨大变化，产生体积膨胀，对临近构筑物产生膨胀压力，影响工程的稳定性。

石膏地层对隧道的腐蚀作用主要分为物理腐蚀作用和化学腐蚀作用。物理腐蚀主要表现为地下水中的CaSO4溶液随混凝土的孔隙渗入其中，在环境湿度较低时结晶析出，对混凝土孔壁造成极大的结晶压力，从而引起混凝土的膨胀开裂；化学腐蚀主要为地下水中硫酸盐对混凝土材料的侵蚀。石膏为弱透水层，在隧道中不存在干湿和冻融交替作用，判定为Ⅱ类环境，石膏对砼具有强腐蚀（对应腐蚀作用等级为D级），对钢筋混凝土结构中钢结构有微腐蚀性[3]。

2.隧道水文地质条件

隧址区三叠系中下统碳酸盐岩类分布于背斜轴部，因受两侧碎屑岩所构成的中、低山岭的夹持，具备有利的岩溶发育条件，形成了特有的隆脊型岩溶槽谷，岩溶的发育与岩性、地貌条件关系密切；岩溶水运动和富集则受地质构造的控制。

隧道进口前部为两沟相交部分，由东向西发育的冲沟为主沟，雨后流量可达到2.5L/s；南东向北西方向的冲沟为次级冲沟，雨后流量为0.5L/s。隧道洞口施工前须进行改沟施工。

煤矿矿井水及嘉陵江组四段石膏盐层地段的地下水SO42-含量较高，对砼物具弱腐蚀性，化学腐蚀环境分类及作用等级划分为C级，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。隧道穿越石膏层时，分布的石膏对砼物具强腐蚀性，腐蚀性等级为D级，为严重；对钢筋混凝土中的钢筋具弱腐蚀性。隧道区其余正常区段地下水对混凝土结构具微腐蚀性。

3.工程地质评价及施工、设计建议

3.1 区域稳定些评价

根据地质勘探资料，隧道进、出口段地形为单向自然斜坡。进口侧自然斜坡坡向北西，地形坡度25°～30°；出口侧自然斜坡坡向南东，地形坡度35°～50°，局部大于60°。各层岩性由新至老可分为第四系全新统（Q4）、侏罗系（J）、三叠系（T）其中第四系全新统残坡积土主要分布于隧道进、出口段及洞身段地形坡度较小的地段地表。地下水可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、砂泥岩风化裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水（岩溶裂隙、溶洞水）。

3.2 设计、施工建议

综合以上分析，针对区域内不良地质情况对设计、施工提出相应建议。

（1）岩溶

岩溶发育，可能产生冒顶、突水和突泥，应加强地质超前预测预报工作，预防产生岩溶突水，应采取以堵为主的防治方案[4]。隧道岩溶的治理应以安全、质量为重点，因此制定方案时应严格遵从“保证施工安全、确保结构稳定、保障安全运营”的基本原则，还应根据施工现场实际情况采用恰当、不同的方法进行地质预报，采集精确数据、认真分析得出结论，指导施工。施工现场应注意以下几个原则：（1）坚持综合超前地质预报的原则，做到有疑必探、有水必治、强化探测，先探后掘。（2）坚持动态设计，动态施工的原则。（3）坚持“光面爆破、支护紧跟、监控量测、及时反馈和修正、适时衬砌施工”的原则。（4）坚持“钎探深、预注浆、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的原则[5]。（5）坚持岩溶水地段先止水结合排水，再开挖的原则。

（2）石膏岩的膨胀性

膏岩是一种软岩，在地下水的作用下会有膨胀性。而且水是膨胀性围岩隧道病害的主要根源，对隧道危害较大，因此必须采取加强隧道的防排水措施[6]。防排水措施的好坏直接影响到膨胀岩隧道工程质量[7]，所以，膨胀岩隧道开挖后，应及时锚喷，封闭暴露围岩，并重视地表水和地下水的防、排水措施。本隧道围岩可分为Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级,其中石膏岩为V级。

石膏地层围岩级别划分如下：Gypsum formation rock class division is as follows:

Ⅴ级围岩分布于隧道进、出口及部分洞身段，其主要岩性为粉砂质页岩、炭质页岩、煤层、石膏质岩层及盐溶角砾岩；岩体受地质构造及风化作用影响较重，裂隙较发育，呈碎裂状松散结构，易坍塌，围岩无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日。根据石膏质围岩的此种情况，要求在施工过程中加强围岩支护，并时刻注意隧道中的排水情况，尽量降低石膏质围岩发生结构失稳的可能性。尤其对于V类围岩，可进行超前布设稀疏锚杆以单侧壁导坑法，开挖第一次锚喷联合初期支护。

膨胀岩层对隧道施工危害具体表现在以下几个方面：隧道下沉、围岩膨胀、坍塌、衬砌变形和破坏等。为了尽量避免如上几个问题的出现，建议在隧道施工过程中，应坚持短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、衬砌跟的原则，选择合理的施工方法和开挖方法，并制定有效防排水方案[8～9]；在隧道开挖断面时要预留较大的变形量，防止围岩膨胀导致的衬砌侵入建筑限界；衬砌设计方面宜采用复合式衬砌，初期采用锚喷支护，具有即时、柔性、密闭的优点；仰拱应及时施作，使支护衬砌尽早形成闭合结构，以增加衬砌整体刚度，同时防止水流浸泡基底，以控制边墙变形和底鼓；当膨胀变形大、膨胀力大或者围岩难以支护时，应对拱部和边墙进行进一步处理。如采用超前注浆小导管、自进式锚杆等方法。

（3）石膏岩的腐蚀性

石膏对隧道混凝土的腐蚀机理主要分为物理腐蚀和化学腐蚀两种，前者简单来说是由于混凝土内的某些成分在环境因素的影响下，进行溶解或膨胀；后者是由于化学环境介质（CO2、Mg2+、Cl-、pH、SO42-）与混凝土成分发生化学反应[10]。

隧道施工中穿越石膏层建议对隧道衬砌层采用抗硫酸盐水泥，并需作抗溶出型腐蚀处理措施。特别的，针对石膏质围岩性质及对于混凝土的腐蚀破坏性，结合相关施工防腐措施提出以下整改建议：（1）必须严格控制施工工序，建立完善施工流程，对于石膏段围岩具有的软化性和腐蚀性，需要快速施工形成较稳定的支护状态以减轻隧道施工过程中这些因素造成的塌方事故。建议建立钻爆作业线、防排水作业线、装碴运输作业线、喷锚作业线、二次模筑混凝土衬砌作业线、通风作业线等六条独立、相互配合的作业线，是全面完成隧道快速施工的关键，尤其加强锚喷作业和防排水作业的力量是提高进度的重要手段。（2）完善现场防排水措施，应遵循“以排为主，防排结合，因地制宜，综合治理”的原则。（3）提高混凝土喷射和二衬混凝土施工工艺。（4）设计及施工过程中必须考虑各种极端情况。（5）采取准确的超前探测，有效的反馈信息，采取针对性措施。

4.结语

（1）由于隧道中出现石膏岩，具有膨胀性、腐蚀性等性质，在施工过程中必须随时注意隧道中的排水情况以及混凝土的防腐蚀问题，且进行必要的地质超前预报工作对隧道施工具有重要的意义。同时，在施工过程中加强施工管理并及时进行防护作业，防止因石膏岩力学性质的不稳定而造成工程事故。

（2）因隧道所处地段岩石风化程度不一，工程地质条件较为复杂，不良地质情况中出现岩溶和采空区等情况，严重影响施工过程中的安全性，要求在施工的整个过程中应注意做好边坡防护及变形观测，同时应在隧道施工关键部位及时施作支护并保证施工质量以保证隧道周边的安全。

（3）在施工过程中加强施工管理，并及时进行防护作业可有效地杜绝因涌水及地下水位异常变化对施工和当地居民造成较大的影响和经济损失。

（4）要求在今后的施工过程中,应根据隧道不同地段的富水情况,合理安排隧道施工涌水处理的设计和施工,防止隧道施工过程中发生突水事故,并确保隧道的施工不会严重影响周边的地下水环境。

（5）详尽的工程地质资料是指导施工和制定合理、科学、经济的施工技术方案的一个重要前提。随着现代隧道施工技术的不断探索与创新，挪威法、掘进机法、盾构法、沉管法等在复杂地质条件下施工应用，对于隧道建设的施工安全、缩短建设工期、降低工程成本及提高工程质量具有显著的作用和意义。

[1]陈鸿吟,论岩溶区地下水的不均匀性[J],贵州地质，1994,11（1）∶69-74.

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[5]袁军平,党高红,浅谈隧道防排水施工[J],水利与建筑工程学报.2009,7（3）：110-113.

[6]郭黎明.浅谈隧道工程防水设计与质量控制[J].公路交通科技（应用技术版）,2012,7（9）282-284.

[7]崔连友,钻爆法隧道防排水施工技术[J]铁道建筑技术,2005（3）,43-47.

[8]崔旭，张玉.膨胀岩的判别分级与隧洞工程[J].甘肃水利水电技术，2000（3）.

[9]董新平.膨胀岩隧道施工技术研究现状[J].世界隧道，2000，（5）：60-63.

[10]唐清宽，王静，吴银亮.石膏岩区隧道衬砌混凝土侵蚀机理分析及配合比设计[J],铁道建筑，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，重庆梁平人，高级工程师，主要从事隧道工程方面的研究。

周闽江（1993-），男，重庆丰都人，硕士研究生，主要从事隧道、岩土工程方面的研究。