成都理工大学黄润秋《深埋长大隧道研究进展》

3 深埋隧道地质灾害及其评价与控制

黄润秋徐则明

1 前言

目前，世界各国已经在交通运输、水利水电及城市排污等领域建成近200条长度接近或超过10 km的深埋长大隧道。受到20世纪末及本世纪初通车的长度分别达到53.9 km和50.5 km的日本Sei-kan隧道及英－法海底隧道的鼓舞。一些更加庞大的特长隧道计划已开始论证，部分已开始施工，如，日本福冈－韩国釜山之间的日韩海底隧道（250.0 km）、瑞士Gotthard铁路隧道（56.9 km）、奥地利－意大利之间的Basis Brenner铁路隧道（55.0 km）及挪威Laerdal公路隧道（24.5 km）等。20世纪80年代以来，我国铁路系统已经建成衡广复线大瑶山（14.3 km）、朔黄线长梁山（12.8 km）及西康线秦岭（18.4 km）三条特长隧道；长度分别达到12.7 km和11.1 km的西安－南京铁路东秦岭特长隧道和重庆－怀化铁路圆梁山特长隧道也已贯通。成渝高速公路中梁山（3.1 km）、北京八达岭高速公路潭峪沟（3.5 km）、晋城－焦作高速公路牛郎河（3.9 km）、甬台高速公路大溪岭（4.1 km）、川藏公路二郎山（4.2 km）、广渝高速公路华蓥山（4.7 km）、渝合高速公路尖山子（4.0 km）、云南大保高速公路大箐（3.0 km）及台湾漢寶草屯快速路上的八卦山（5.0 km）等大断面公路隧道作为国道主干线改造或高速公路建设的关键性控制工程，已经相继贯通或投入运营；我国大陆第一条符合国际隧协标准的公路特长隧道西安－安康高速公路秦岭终南山隧道（18.0 km）也已开工兴建。除此之外，水利水电行业已在甘肃“引大入秦”、贵州天生桥水电站、四川太平驿水电站、四川福堂水电站、云南曲靖及昆明跨流域调水等大型工程中建成一批长度超过10 km的长隧道。

深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。可以预见，随着我国西部大开发进程的加快，在地形、地貌及地质背景复杂、水能及矿产资源丰富、陆路交通网密度远低于全国平均水平的西部地区，在铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等领域将会修建更多的长大隧道工程。“多、长、大、深”，即，数量多、长度大、大断面、大埋深将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势[1,2]。

纵观隧道的修建历史，制约长大隧道发展的因素可以分为两大类，一类是施工技术方面的，如，掘进技术、通风技术及支护衬砌技术等；另一类则是开挖可能遭遇的施工地质灾害的超前预报及其控制技术。施工地质灾害本质上是由水、岩、热、气等固体、准流体及流体构成的复杂地质系统对开挖扰动作出的响应或反馈，响应的方式和程度不同，灾害的类型和规模也就不同，具体灾种包括硬岩岩爆、软岩大变形、高压涌突水、高地温及瓦斯突出等（图1）。

固体在隧道开挖过程中的行为尽管具有一定程度的流变特征，但一般都可以用固体力学理论来描述，并满足固体力学的普遍方程－广义Hoke定律

{}[]{}ε

σD

=

式中{}σ、[]D和{}ε分别为应力列阵、弹性矩阵和应变列阵。

准流体和流体在隧道开挖过程中的行为不能（宜）用静力学，而必须（应该）用动力学和运动学理论来描述，它们的运动满足连续性原理、广义Fick定律和Newton定律

图1 隧道施工地质灾害分类

()v t

ρρ⋅∇=∂∂ ()()()T D p D C D v T p i C i ∇-∇-∇-=

dn

dv F μω= 式中，ρ为密度；v 为速度矢量；D Ｃ、P D 和D T 分别为浓度扩散系数、压力和温度扩散系数；i v 为i 组分的扩散速度；F 为内摩擦力（或切力）；μ为粘滞系数或动力粘滞系数；ω和dn dv 分别为接触面积和流速梯度。

需要指出的是，尽管从物理形态上硬岩、软岩、水、瓦斯等是可以分开的，但是，无论是天然条件下，还是开挖环境下，它们的变形、运动往往都是互相联系、彼此影响的，即，（岩体）应力场、（水和瓦斯）渗流场和（地温）温度场之间存在耦合效应。一个典型现象是，开挖后，形成地下水的人工排泄边界，隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙开度增大，岩体强度减弱，变形加剧，并形成新裂隙，这些新裂隙反过来又促进地下水向隧道的汇流，如此下去。同时，隧道与正常地温场之间的温度梯度也因水的强烈径流而增大，从而促进了热向隧道的传输。因此，既要看到不同物理形态变形、运动规律的差异，同时也不能忽视它们之间的相互联系。

上面所述的各类地质灾害一般不会在一座隧道的施工中同时出现，但是两种以上灾害同时发生的情况也是不少的，典型的例子是辛普伦隧道，施工期间同时发生了软岩大变形、高地温和大涌水，我国的南昆铁路家竹箐隧道也同时发生了大变形、涌突水和瓦斯突出。

2 研究回顾与评述

应该说，经过100余年的发展，以新奥法为核心的隧道施工技术正在逐渐走向成熟，隧道掘进机（TBM ）法也在快速发展。施工地质灾害的超前预报及其控制技术研究也已取得许多重要成就，尤其是在隧道工程技术发达的瑞士、意大利及日本等西方国家。由于全球构造格局及地质背景的差异，我国深埋隧道工程建设及灾害防治还不能照搬国外的经验。自从上世纪80年代修建大瑶山、秦岭、家竹箐、华蓥山及太平驿等不同用途、不同断面的深埋长大隧道以来，我国在施工地质灾害，尤其是在岩爆、软岩大变形及大涌水，的控制领域已积累了许多成功经验。受到这些工程实践，尤其是以国道主干线为基础的高速公路网建设、铁路大提速及既有线改造、西部地区大规模水电开发及远距离跨流域调水等大型基础设施建设，的拉动，深埋隧道施工地质灾害的理论及预测预报研究

已取得若干重要进展，水-力耦合、水-热-力耦合、水-热-力-化学耦合、地下水质量反应平衡模拟、断裂力学、损伤力学、岩石动力学、流体动力学等理论及扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、稳定同位素识别及放射性同位素测年等技术手段被相继引入，原来以中短隧道为基础建立起来的施工地质灾害理论架构正被逐渐打破，若干用于描述成灾介质行为、致灾机理及灾害预报的新理论、新学说及以此为基础的灾害控制方法被陆续提出，为我国不同领域的深埋隧道工程建设提供了强有力的实时支撑。

需要指出的是，由于问题本身的高度复杂性，从世界范围内看，深埋隧道施工地质灾害各灾种的超前预报，尤其是勘测设计阶段的超前预报，精度总体依然不高，一些著名工程甚至出现相当大的偏差。川藏线二郎山隧道在勘测设计阶段预测可能发生软岩大变形，施工期间不但没有发生大变形，反而发生了较严重的岩爆灾害。襄渝线大巴山隧道预测涌水量4.14×104 m3/d，施工时最大涌水量达到20.55×104 m3/d；川黔线娄山关隧道预计涌水量6.00×104 m3/d，施工最大涌水量为3.20×104 m3/d；贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量0.66×104 m3/d，施工最大涌水量达10.08×104 m3/d；广渝高速公路华蓥山隧道的预测与实际涌水量也相差数倍。灾害预测偏差无论是何种性质的，都将影响施工组织，并可能制约施工进度、造成巨大经济损失，有时还会产生严重的伴生环境问题，深埋隧道施工灾害研究依然任重道远。

造成深埋隧道施工地质灾害超前预报精度偏低的原因是多方面的。首先，由于长大隧道往往伴随大埋深，如，长24.5 km的挪威Laerdal隧道、长18.4 km的我国秦岭隧道及长56.9 km的瑞士Gotthard 隧道的最大埋深分别达到1400 m、1700 m和2500 m，一般无法通过加大常规勘探力度来获取足够的预测信息，施工地质灾害超前预报的难度很大。第二，用于相关灾害预测的理论及指标体系还比较单一，不能（较）贴切地刻画单一或复合成灾介质的力学及流体力学行为。隧道施工地质灾害的孕育及发生是十分复杂的地质过程，有其自身的发生、发展规律，而用于灾害预测的各个“学科”则是人为划分的，这样，从某一特定学科去研究问题所得出的结论也就难免片面。隧道施工地质灾害研究需要不同学科的大跨度交叉支撑，同时需要理论及技术上的创新。如，对于异常水力梯度下围岩的水压致裂、结构面潜蚀、隧道开挖引起的卸荷及应力扰动对围岩渗透性的影响等与深埋隧道涌水密切相关的问题，仅靠传统水文地质学理论是难于解决的，它不仅需要水文地质、工程地质理论，还需要弹性力学、材料力学及隧道工程等基础及工程学科的共同参与。第三，隧道施工地质灾害不是纯粹的地质问题，它的孕育、激发及灾害程度与开挖方式、开挖顺序及开挖进度等密切相关，是因人为扰动才产生的灾害，是比较典型的“工程”地质现象。以往相关研究一般都较少考虑施工细节，主要视点都被集中在地质环境上，而对工程活动可能对环境产生的扰动的方式及程度等则较少考虑。这样，对于环境对人工扰动的响应（灾害）评价的可靠度也就难于达到较高水平。第四，要到达减少并最终遏制深埋隧道施工地质灾害的目标，除理论上的进步外，尚需相关工程技术的及时跟进，这些技术包括掌子面上的超前探测（断层、地下水及高地温等）技术、开挖技术及支护技术等，它们在近距离超前预报、降低对围岩的扰动程度及灾害治理方面具有不可替代的作用。

由于深埋隧道，尤其是越岭和傍山隧道，的大埋深及穿越地质单元的复杂性与多样性（图2），施工地质灾害的发生具有普遍性，如瑞典、挪威所在的斯堪的纳维亚半岛地区的岩爆问题；瑞士、奥地利、意大利、法国所在的阿尔卑斯山地区的软岩大变形、高地温问题；印度、尼泊尔所在的喜马拉雅地区的软岩大变形问题；日本的高压涌突水、软岩挤出问题及我国西南地区的岩爆、高压涌突水及瓦斯突出等。深埋长大隧道投资巨大、建设周期长，一般都是整个建设项目的关键性控制工期工程，加大施工地质灾害致灾机理及以此为基础的超前预报和控制技术研究的力度对于项目的可行性论证、隧址比选、施工组织及降低工程造价等具有重大的现实意义[3~7]。

3 深埋隧道岩爆机理及其控制

广义岩爆作为一种多出现在完整硬岩中的隧道施工地质灾害，包括围岩的动力破坏（dynamic