Technical and Economic Evaluation of Long Tunnel Based on the
Gejiu Formation Karst Geologic Features
杨松① YANG Song；彭忠举② PENG Zhong-ju；欧阳汛① OUYANG Xun；艾祖斌① AI Zu-bin；
曹振生① CAO Zhen-sheng；陈全胜① CHEN Quan-sheng；周浩① ZHOU Hao
（①中电建路桥集团有限公司，北京 100048；②中国水利水电第四工程局有限公司，西宁 810007）
（①Power China Road Bridge Group Co.，Ltd，Beijing 100048，China；②Sinohydro Engineering Bureau 4 Co.，Ltd.，Xining 810007，China）
摘要：个旧组岩溶地貌由于长期受活跃地质作用影响而具有一定的特殊性，致灾因素也更为复杂。通过对个旧组各个地层段勘察资料、文献进行收集整理，从地质年代、地层划分特点等方面进行详细分析；与雷口坡组典型岩溶地层进行对比，针对目前典型岩溶施工方案对个旧组地层隧道适用性不强的情况，结合兴隆隧道施工现状，提出技术要点并进行经济效益评价。研究成果能够降低隧道施工和运营成本，并在类似隧道施工中可推广应用。
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.
关键词：个旧组地层；岩溶；长大隧道；技术经济评价；信息化（BIM）
Key words: Geji formation stratum；karst；long tunnel；technical and economic evaluation；informationization
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）21-0126-03
0 引言
我国已是世界上隧道数量最多的国家，其中，西南山区隧道数量占比约90%。在山区隧道建设过程中，时常要遭遇岩溶地层，揭露出岩溶空腔、地下暗河、流沙等不良地质，易发生溶腔塌陷冒顶、突水突泥、释放有毒有害气体等灾害事故[1]~[2]。针对岩溶隧道提出具体的灾害预防治理措施及施工关键技术要点具有十分重大的意义。许多学者在岩溶地层隧道灾害评价判别、处治及施工控制技术等方面展开了大量研究，许增光[3]等提出了一种长深隧洞突涌水危险性等级评价方法；欧孝夺[4]等针对南宁地铁2号线盾构隧道提出了具体的岩溶处治方案和措施；黄志杰[5]等针对岩溶溶腔进行隧道稳定性分析研究，并分析了相关影响因素；赵国军[6]等通过对膏岩隧道采用不同施工工艺进行对比分析，优选得到切实可行的施工方法。此外，施工设计图纸中，也给出了普适性溶洞处治方案，为现场施工提供了技术指导。
一方面，以上研究大都仅针对围岩等级为IV~V级的岩溶隧道，且仅从单一不良因素方面入手，提出专项处治方案。目前较坚硬地层（介于III级~IV级之间）的岩溶隧道相关文献还鲜有发现，其研究过程中也未综合考虑现场具体地质特性、其他岩层侵入等多种复杂因素作用；另一方面，现阶段隧道设计图纸仅针对围岩级别提出通用性支护参数及类型，未形成关于围岩复杂地质构造（如层状、岩溶、膨胀岩等典型特殊地层）针对性成套施工技术措施。
基于上述现状，本文尝试对个旧组地质特征进行详细分析，并以兴隆隧道为工程依托，结合四新技术及信息化手段等前沿科技，针对隧道溶蚀裂隙、溶腔、有毒有害气体等不良条件，从光面爆破、支护及通风等多方面提出岩溶隧道施工要点，并进行经济技术评价，为类似隧道施工提供有益借鉴。研究成果具有一定的理论意义和工程价值。
1 个旧组地质特征分析
个旧组岩层属于三叠系中后期形成的产物，地层的时代为安尼期至拉丁期，与四川盆地的雷口坡组属同一时期[7]，主要以白云岩、灰岩为主，整体厚度平均为2385.3m。
个旧组岩层分布区域范围广，按照不同岩层性质，云南省地矿局区调队六分队在1980年将个旧组地层自下而上分为五段，下与嘉陵江组（亦称“永宁镇组”）为连续过渡关系，上与拖味组、法郎组为整合接触。1996年，云南省地质矿产局出版专著《云南省岩石地层》[8]，将拖味组灰岩纳入个旧组中，并将个旧组自下而上重新分为三段，上段与法郎组相接触。目前大多数文献[9]~[10]及地勘报告均基于此分段方式进行研究和编制。
1.1 个旧组下段（T2g3）
个旧组下段（T2g3）厚230m，主体为一套灰色镁质碳酸盐沉积，分为上下两个部分。上部以灰、浅灰中厚层状灰岩、白云质灰岩为主，夹少量生物碎屑灰岩、球粒灰岩。下部为灰色中厚层状白云岩、灰质白云岩，含泥质条带，局部见同生灰质角砾岩。上部灰岩消失并出现白云岩，标志着个旧组下段岩层开始进入中段岩层。
1.2 个旧组中段（T2g2）
个旧组中段（T2g2）由白云岩组成，属灰色镁质碳酸盐沉积，厚630～680m，分为上下两个部分。上部为灰色中厚层状隐晶－细晶灰质白云岩。下部为灰－深灰色中厚层白云岩，呈块状。上部白云岩消失且开始出现杂色灰岩，标志着岩层已由个旧组中段进入个旧组上段。
1.3 个旧组上段（T2g1）
个旧组上段（T2g1）以灰岩为主，厚738m。岩石组合划分为5个部分。分别为灰色中厚层状灰岩、白云质灰岩、夹炭质灰岩、角砾状灰岩、生物碎屑灰岩，且主体形成于台地边缘相区。由于晚期燕山运动，个旧组上段被以花岗岩为主的火成岩侵入。
火成岩体主要侵入个旧组上段灰岩及泥质灰岩层中，侵入岩区以个旧断裂带为界，分东西两区。东区主要为麒麟山、老厂、卡房等区域，花岗岩呈粒状，主要为隐伏岩体；西区主要为龙岔河、贾沙、白云山、克勒等区域，所侵入花岗岩呈斑状，并大片出露于西区，原有岩体则大部分被覆盖。东西区均由于接触界面影响。部分岩体被大理岩化。
2 岩溶隧道施工技术现状
雷口坡组与个旧组虽是同一地层年代的产物，却具有诸多异同点，雷口坡组属典型海相地层，均为沉积岩，区域内存在较多暗河，易造成隧道涌水，岩溶灾害相对较为单一。而个旧组由于外部环境和火成岩侵入等方面原因，围岩级别多为III级和IV级，区域内可能存在多种复杂致灾因素，例如，兴隆隧道部分区段虽遭遇干性溶洞，但溶蚀面积大，更易发生塌方，同时可能存在流沙，并释放硫质等成分的有毒有害气体等对施工不利的情况。
3 兴隆隧道施工技术经济评价
3.1 工程概况
兴隆隧道为红河州建水（个旧）至元阳高速公路项目一大重点控制性工程，位于云南省个旧市境内（西区），隧道左洞全长为8843m，右洞全长8840m（含明洞长度），最大埋深约437m，属于深埋特长公路隧道。
结合地勘报告及设计说明等相关资料，隧址区地层岩性属于个旧组上段，主要为泥质灰岩和花岗岩，局部夹杂白云岩和大理岩，岩性大多为III级~IV级，局部存在V级围岩，不良地质现象主要为岩溶。
3.2 隧道施工技术评价
兴隆隧道作为长大隧道，且穿越个旧组花岗岩侵入的特殊岩溶地层，典型岩溶条件的施工技术适用性不强，易导致隧道进洞挖方量大、爆破及超欠挖控制困难、支护及通风效果不佳等问题，难以满足施工预期要求。形成个旧组地层隧道施工技术要点，不仅能够指导兴隆隧道现场施工，还有利于节约类似隧道施工和运营成本。
3.2.1 洞身开挖
①洞身开挖前，结合地质雷达、TGP等超前地质预报手段，采用三维地质素描等新技术，进行围岩精细化分级，同时实现动态设计。
②针对隧道溶蚀和全~强风化花岗岩围岩区域，超前支护选用小导管效果相对更好，且施做时可适当将拱顶范围内的小导管移向泥质充填发育的区域；在拱顶层面和裂隙较多强~中风化花岗岩地层区域，建议采用超前锚杆支护，提升隧道整体稳定性。
③兴隆隧道洞身开挖时，可采取光面爆破技术。考虑到个旧组地层岩性变化较大的特点，可通过及时调整爆破参数，以强化爆破过程超欠挖控制。针对隧道岩性较坚硬但溶蚀裂隙发育地段，可在裂隙较多部位采取“少装药，多布孔”措施；在岩质较软弱地段，可适当调整爆破微差，并将其控制在毫秒级，确保爆破效果和质量。
3.2.2 隧道支护
在进行隧道支护时，针对溶蚀发育但岩质较坚硬的地段，可适当增设四肢格栅钢架，挂网等措施，降低顶部掉块风险，提升隧道整体性和施工安全性。此外，施做锚杆时，可考虑向垂直裂隙和层面方向的角度倾斜，最大化利用锚杆支护性能，充分实现围岩和支护结构共同承载[12]。
3.3 隧道施工经济评价
3.3.1 零开挖进洞
考虑兴隆隧道山体地质特点，洞口施工可采用三台阶七步法或CD法等工艺，过程中采用管棚加固进行配合，有效减少挖方，防止洞口仰坡面失稳。端墙式洞门可沿顺坡方向。针对洞口段山体一般较为破碎的特点，还可配合主动防护网进行坡体防护。
采用“零开挖”进洞施工技术，大大减少了洞口土石方开挖，有效节约资源消耗、运输成本等费用约30%，实现绿色施工，具有良好的技术经济效益和环境效益。
3.3.2 施工通风
长大隧道通风本身已是一大难题，施工时易遭遇有毒有害气体时，更需要行之有效的通风方式，保证作业人员职业健康以及施工安全。针对兴隆隧道，可采用巷道式通风，通过增设射流风机，充分利用离掌子面最近的已连通车行横洞，同时封闭其前方存在的人行横洞，改善通风措施，确保形成通风回路，强化供风效果的同时，还需避免形成风帘“关住”掌子面污风。此外，结合单位自行研制的隧道施工通风智能控制系统，出风洞、通过传感器检测有毒有害气体、粉尘等浓度，设置指标进行变频控制，不仅能在关键作业时间内快速降尘，改善作业面环境，还能在非关键作业时间内降低风量，有效提升风机工作效率，实现节能降耗高达约15%。（图1）
3.3.3 信息化管理
隧道在施工准备、掌子面开挖、监控量测、二衬支护等各方面均可结合BIM技术进行施工管理，施工前，通过可视化BIM模型，结合施工模拟，优化施工方案；采用精细化模型，深化应用，进行隧道超前地质预报和施工监控量测，强化过程管控和灾害预防，确保隧道施工质量，为隧道全寿命周期能够正常服役提供多重技术性保障。
高速公路运营期隧道通风耗电量最大，通过信息化技术，还能根据实际环境条件，实现变相通风技术，节约运营通风成本约10%。
兴隆隧道施工过程中需严格遵循“短进尺、强支护、早封闭、勤量测、衬砌跟”等原则。目前兴隆隧道双洞采取双向掘进，单洞长度均超过2km，施工质量良好，整体受控。
4 结论
①本文从个旧组各自分段的岩性情况、地层构造、划分标志及形成原因等方面，结合地质区域特点，展开了详细地质特征分析。
②以兴隆隧道为依托，将个旧组与雷口坡组地层进行对比，并对其施工过程中可能存在的各类风险及注意事项进行了说明。
③从目前岩溶隧道施工技术现状入手，从岩石岩性、致灾因素等方面，阐述了特殊岩溶地层与典型岩溶地层的差异，并从隧道进洞、洞身开挖、爆破、支护及施工通风、信息化管理等方面进行经济技术评价，为其他隧道施工提供借鉴。
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