我国国土面积大、幅员辽阔，各地工程建设条件也多种多样，彼此间差异性较大，如南方多山地、北方多平原，东部气候温和湿润、西部气候干燥寒冷。工程建设条件的多样性导致工程建设尤其是隧道工程建设在借鉴、吸收已有类似工程经验时，更要注重个体工程建设条件的特殊性及由其产生的工程危害性。刘艳敏^[1]针对杭兰公路十字垭隧道中不规则发育的硬石膏岩的试验研究表明, 硬石膏的水化膨胀作用、溶蚀产生的硫酸盐侵蚀及其溶出的酸性环境对白云岩溶蚀加剧，从而危害隧道结构安全。王玉来^[2]通过勘察资料对虹梯关隧道隧址区岩溶发育规律进行了研究分析，指出岩溶的分布高程及岩溶处于衰老期、已停止发展，为后续设计与施工提供了支撑。熊灵阳^[3]则针对瓦斯隧道在其地质勘察中对瓦斯的测试指标、测试方式及地质段落的等级划分进行了研究，给出了勘察技术要求。周宗青^[4]依托鸡公岭岩溶隧道对隧址区岩溶水文地质及各工程地质条件与岩溶突涌水的关联性进行了分析，建立了基于各种地质因素指标的岩溶隧道突涌水危害性评价方法。费文平^[5]针对大埋深条件下地下工程中辉绿岩岩脉、断层和高地应力对工程结构产生大变形的作用机制，提出了工程控制措施。刘志春^[6]依托乌鞘岭隧道工程研究了高地应力条件下考虑围岩变形、强度、原始地应力、弹性模量的隧道挤压性大变形机理及分级标准。何满潮^[7]分析了新疆沙吉海矿区中生代复合型软岩的工程危害特性，提出了其致使工程失稳破坏的机制，并以此建立了巷道主动支护技术体系。

在众多工程地质危害性的研究中，多种工程地质因素相互作用影响难以捕捉，多以单一种类工程地质危害性研究为主，如高地应力^[8-9]、瓦斯^[10-11]、软岩^[12-15]等，而对多种地质因素共同作用而产生工程危害的研究较少。杜公岭隧道地质条件复杂，涵盖了断层、褶皱、溶洞、矿坑、石膏质岩、泥灰岩等众多不利因素，这些工程地质因素的综合作用及所产生的工程危害性在隧道工程领域十分罕见。本研究通过对该隧道工程地质条件的论述，分析地下水、地质构造、地层岩性等地质因素对工程的潜在不利影响和危害性，结合杜公岭隧道建成后隧道的病害状况, 研究这些因素综合作用对该隧道病害产生的形成与作用机理。

依托工程隧道位于长平高速公路平顺县境内，采用设计速度80 km/h、双向四车道的高速公路隧道技术标准，隧道左右线长度分别为2 474，2 515 m，设计高程1 269.0 m(进口)~1 260.5 m(出口)，洞身最大埋深231 m，隧道左右线间距约27 m，洞身线性以直线段为主，总体走向264°。隧道建筑限界采用净宽10.25 m，限高5 m，内轮廓采用三心圆(曲墙半圆拱)形式(见图 1)。

图 1 杜公岭隧道内轮廓设计图(单位：cm) Fig. 1 Design diagram of internal profile of Dugongling tunnel(unit:cm)

隧址地形呈现中部高，东、西两侧逐渐降低的形态，最大高程约300 m，山体大部分基岩出露，植被不发育，属低中山地貌。

杜公岭隧道岩体地层岩性主要由第4系上更新统黄土状粉土、碎石土、石炭系中统本溪组、奥陶系中统上马家沟组泥灰岩和灰岩组成^[16]。其中，奥陶系中统上马家沟组一段(O₂s¹)是隧道所穿越的地层，其中ZK33+226~ZK34+650，ZK35+390~ZK35+700，YK33+227~YK34+672，YK35+210~YK35+742段岩性为灰岩，围岩级别为Ⅲ级至Ⅴ级；ZK34+650~ZK35+390，YK34+672~YK35+210段岩性为泥灰岩，围岩级别为Ⅲ级至Ⅴ级。

隧道洞身地质构造主要为复合褶皱和断层。

(1) 褶皱

由两个向斜、1个背斜组成复合式褶皱构造发育于洞身K34+900~K35+200段，褶皱构造段围岩以奥陶系中统上马家沟组一段泥灰岩为主，造成两个向斜易使上层滞水在隧道周边汇集，向隧道内排泄。

(2) 断层

断层与隧道线位相交于ZK34+637，YK34+648断面，属于逆断层(F1)，产状为253°∠85°，与隧道正交(见图 2)。断层破碎带宽2~3 m、断距约20~30 m，断层上下盘的错动造成断层两侧地层岩性差异性较大，其中断层上盘(断层出口方向)围岩以上马家沟组一段泥灰岩为主，产状为155°∠9°；断层下盘(断层进口方向)围岩以上马家沟组二段灰岩为主，产状为155°∠10°；断层处围岩级别为Ⅳ级。

图 2 F1断层剖面示意图 Fig. 2 Schematic diagram of fault section

(1) 岩溶

隧址区岩溶发育强烈，多以溶槽、溶孔及溶洞形式存在(见图 3)，并存在相互联通现象，在隧道内多处钻孔出现吹风现象。从隧道纵向上看，溶洞则多暴露于隧道断层上盘，且多发育在隧道边墙以上部位，溶洞多为干溶洞、未见地下水汇集，洞底部多由碎石土充填，且部分溶洞可见地下水流逝与冲刷痕迹，溶洞大小多受上部与底部的岩层岩性控制，洞高一般在2~4 m。

图 3 现场各类形态的岩溶照片 Fig. 3 Karst photos of field various forms

(2) 地表矿坑

隧道K34+500~K34+800段地表分布有100余处铁矿矿坑，矿石矿物以黄铁矿为主，其次为赤铁矿，其中黄铁矿硫含量相对较高。以鸡窝状、透镜状、团块状、结核状产出，具有埋藏浅、易开采、规模小等特点。隧道地表铁矿为1958—2004年的开采遗留，矿坑分布无规律，且断面大小不一，多呈条带状、椭圆状(见图 4)，深度多为1.5~9 m。采坑群东-西长约260 m，南-北宽约120 m，面积约31 200 m²，经估算采坑范围内有31 m³/d的地表水渗入地下，成为隧道周边地下水的直接补给来源。

图 4 地表矿坑 Fig. 4 Surface pits of open mines

将隧道弃渣与隧道内部钻取的岩芯送至国土资源部郑州矿产资源监督监测中心对其矿物成分进行了测试(见表 1)。鉴定显示送检岩样中含有石膏质岩成分，石膏含量达75%~90%。现场钻孔情况表明，杜公岭隧道石膏质岩与泥灰岩共生，夹于泥灰岩中，呈层状、透镜状产出，其颜色与泥灰岩相近，呈灰白色，局部呈灰褐色，太阳暴晒后，风化裂隙比较发育，大部分呈碎块状。

(1) 气象

隧址区属温带半干旱大陆性气候，年平均气温9.2 ℃，其中1月份最冷，平均气温－5.8 ℃，7月份最热，平均气温22.6 ℃；近年年平均降水量为592.33 mm，最大年降水量(2013年)719.2 mm，最小年降水量(2012年)491.8 mm，主要降水期集中于7月~9月，为全年大气降水的56%~70%。

(2) 地表水系

隧址区地表水系以杜公岭为分水岭(左洞桩号ZK34+520，右洞桩号YK34+530)，以西地表水经大岭沟、上庄、南五马、苗庄汇入西社河；以东地表水经后鸦沟、前鸦沟、大渠、王庄、平顺县城汇入百里滩河。

(3) 地下水类型

隧址区域地下水类型为碳酸盐岩裂隙岩溶水和上层滞水。

根据调查，隧道进口方向有两处碳酸盐岩裂隙岩溶水取水井，其中大渠1^#井距杜公岭隧道进口3.0 km，井深840 m、水位埋深350 m，水位标高815 m；平顺县自来水公司2^#井距杜公岭隧道进口8.0 km，井深746.27 m，水位埋深243.3 m，水位标高786 m。由此估算杜公岭隧道洞身碳酸盐岩裂隙岩溶水水位标高在815~832 m，远低于设计高程1 205~1 269 m，故碳酸盐岩裂隙岩溶水型地下水对杜公岭隧道的影响可忽略。

隧址区上层滞水主要受大气降水补给，季节性变化较大。在隧道洞身山体发育两处上层滞水泉，一处位于ZK35+400左400 m(大岭沟村东150 m)，泉口高程1 262.09 m，比隧道进口低7.0 m，比隧道出口高56.8 m，调查期间流量约600 L/d，为下降泉；另一处位于隧道进口右1.0 km (北沟村北东300 m)，泉口高程1 321.6 m，均高于隧道进口和出口，调查期间流量约800 L/d，为下降泉。两者滞水泉的隔水层岩性为泥灰岩，含水层岩性为石灰岩，可见杜公岭隧道受影响的地下水类型主要为上层滞水。

隧址区地表水与地下水测试结果如表 2所示。可以看出：

ZK35+295水化学类型为OH^--Ca²⁺+Na⁺和OH^-+SO₄^2-- Ca²⁺+Na⁺型，矿化度高达1 585.3~2 180.3 mg/L, 经分析应属于添加工程试剂的地下水。

地表泉水、隧道内渗水同属于上层滞水，其水化学类型主要为HCO₃^--Ca²⁺+Mg²⁺型、HCO₃^-+SO₄^2--Ca²⁺型和SO₄^2--Ca²⁺型。

洞内探坑及钻孔表明，含水层岩性为石灰岩，隔水层岩性为泥灰岩。

依据《公路工程地质勘察规范》(JTGC20—2011)附录K中“水和土的腐蚀性评价”标准，隧道地下水对混凝土和钢筋的腐蚀性为弱-微腐蚀。

根据第1节工程概述可知杜公岭隧道建设条件有以下特点。

(1) 隧道围岩：杜公岭隧道洞身周边围岩以F1断层作为分界点，该断层小桩号方向隧道穿越围岩以上马家沟二段灰岩为主；断层大桩号方向隧道穿越围岩以含有石膏质岩的上马家沟一段泥灰岩为主。含有石膏质岩的泥灰岩在地下水的作用下易产生软化和膨胀(如硬石膏在遇水变成二水石膏的过程中体积膨胀65%~70%^[17]，膨胀力可达到572~824 kPa^[18])，导致隧道衬砌支护结构附加应力增加，且这种附加力受含石膏质岩的分布制约而存在不均匀分布的特点。

(2) 地下水系：隧址区存在碳酸盐岩裂隙岩溶水和上层滞水两种地下水类型，其中碳酸盐岩裂隙岩溶水水位低于隧道设计高程约400 m，对隧道工程影响较弱。泥灰岩为隔水层形成上层滞水、石灰岩成为含水层岩，而F1断层至出口段隧道恰好穿越泥灰岩地层。同时，该段发育由两个向斜与1个背斜组合复合式褶皱构造，造成该段地下水易在隧道周边汇集、渗透。

(3) 隧道岩溶发育：隧址区溶孔、溶槽和溶洞发育、联通，为隧道地下水的流通提供了路径，且这种流通路径无规律可循。岩溶的发育也促使隧道围岩自身稳定性变差，工程处治措施技术难度增加，不利于隧道工程的稳定。

(4) 地表矿坑：隧道地表矿坑随机分布，造成地表水汇集、入渗，在雨季能够被快速、大量地补给至地下水。

(5) 地下水腐蚀性：隧道地下水在流经地表层铁矿矿物与泥灰岩时溶解，带走了大量硫酸根离子，造成地下水对隧道衬砌支护结构产生硫酸盐类腐蚀，给隧道工程的长期稳定性带来了安全隐患。

依托工程建成通车后，工程地质条件的危害性开始显现，逐步演化为隧道的衬砌结构病害，病害待处治规模达逾1 500 m，占建设规模的30%，其中隧道病害发生最为严重的段落为：ZK34+925ZK35+385，YK34+700-YK35+260，病害类型主要为边墙崩裂、路面隆起、电缆沟倾覆(见图 5)。

图 5 隧道病害照片 Fig. 5 Photos of tunnel disease

根据依托工程的工程地质与水文地质特征和隧道病害发展状况，杜公路隧道工程地质条件的工程危害性形成过程如图 6所示，其工程地质危害的作用机理及演化过程如下：

图 6 工程危害性作用机理 Fig. 6 Mechanism of engineering harmfulness

(1) 隧道线位穿越了中奥陶统上马家沟组含石膏岩的泥灰岩地层这一特殊岩土层。含石膏质岩的泥灰岩岩土层在地下水影响下产生膨胀和软化，使得围岩体的变形增大、强度降低，促使作用在结构上的荷载超出了隧道支护结构承载范围，进而引发病害。

(2) 地下水是各种地质因素危害的催化剂。地下水在隧道衬砌背后汇集，造成隧道衬砌结构被腐蚀、支护结构强度衰减和泥灰岩水化膨胀、自身承载能力降低、隧道衬砌支护结构分担荷载比例增加。同时，围岩中裂隙发育、围岩破碎和岩溶等不良地质条件，形成隧道边墙开裂、电缆沟倾覆、路面严重隆起等不同病害形式。

(3) 隧道建设促使原始岩体内地下水补给、径流、排泄途径发生变化，隧道建成后排水系统的吸水效应促使局部地下水更易汇集于隧道周边，对围岩产生水化效应，导致围岩产生较大变形而作用于隧道结构上。

可见，对隧道工程而言，隧址区的工程地质条件是影响与制约隧道工程稳定性、安全性的关键因素，而工程地质的复杂性又使其在现有技术水平和认知水平下不能透明化地获取，潜在风险难以被事先精准预判，由此造成隧道工程建设具有较高的客观风险。在隧道病害处治中应从不良地质、地下水、围岩膨胀和硫酸盐侵蚀角度制订措施。

(1) 杜公岭隧道工程地质条件极为复杂，地下水、矿坑矿物、岩溶、石膏质岩、泥灰岩、断层、褶皱等多种不利地质因素共生，这些地质因素使其隧道工程稳定性面临较高风险。

(2) 杜公岭隧道地表水由地表矿坑汇集后入渗地下，经由断层、节理裂隙、岩溶等流通路径在泥灰岩地层中汇集形成滞水。隧道的建设改变了原有地下水的流通路径，使得地下水在隧道周边汇集、渗透，导致含石膏质岩的泥灰岩地层软化、膨胀，造成隧道衬砌支护结构分担荷载比例与不均匀附加荷载增加。地下水中携带的硫酸根离子对隧道衬砌结构形成了硫酸盐侵蚀，使隧道衬砌结构支护强度与耐久性衰减，造成隧道衬砌结构超负荷承载而产生病害。