近水平軟弱巖層隧道施工研究進(jìn)展

繆成銀，彭雪峰，鄭 宏

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公路三分公司，四川成都610200)

近水平軟弱巖層是隧道工程作業(yè)經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，如果施工方法或支護(hù)參數(shù)不當(dāng)，在開挖過程中，隧道的拱頂會(huì)出現(xiàn)大面積平頂、落石、塌頂?shù)痊F(xiàn)象。這不僅直接影響隧道的光面爆破效果，還會(huì)影響毛洞的圍巖穩(wěn)定性、初期支護(hù)的數(shù)量和永久支護(hù)的混凝土工程量，增加工程投資。

另外在軟弱水平巖層中，巖體通常都較為破碎，節(jié)理發(fā)育，粘著性差，完整程度不高，圍巖穩(wěn)定性較差，施工中極易形成嚴(yán)重超欠挖。超欠挖問題的發(fā)生不僅增加附加工作量，還將嚴(yán)重影響洞室穩(wěn)定，也關(guān)系到初期支護(hù)和二次襯砌的質(zhì)量［1］。分析影響水平巖層中圍巖的穩(wěn)定性的因素，確定防止圍巖失穩(wěn)垮塌的措施，對于水平巖層條件下隧道的順利施工具有積極意義。

截至目前，針對近水平軟弱巖層隧道修建的研究還不是很多。研究的手段主要包括理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算三種方法，研究重點(diǎn)則集中在隧道穩(wěn)定性研究、光面爆破技術(shù)研究、施工方案及支護(hù)技術(shù)等方面。

1 近水平軟弱巖層隧道穩(wěn)定性研究

近水平巖層隧道施工過程中，圍巖的穩(wěn)定性對于隧道施工期及營運(yùn)期的安全至關(guān)重要。對于近水平巖層而言，隧道開挖對其圍巖產(chǎn)生卸載效應(yīng)，圍巖產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，由于層間節(jié)理粘結(jié)力弱，不能承受或只能承受很小的拉應(yīng)力，導(dǎo)致層間節(jié)理逐漸張開并產(chǎn)生破裂，圍巖各層之間處于離層狀態(tài);隨著時(shí)間推移，節(jié)理之間的層狀巖層在重分布應(yīng)力作用下受到圍巖壓力的剪切作用而發(fā)生斷裂，整個(gè)巖體沿原生和新生破裂面產(chǎn)生滑移、錯(cuò)動(dòng)、剪脹變形，向開挖空間擠進(jìn)而造成失穩(wěn)。通常，隧道開挖后拱部和底板容易產(chǎn)生松動(dòng)和松弛，是超欠挖和局部失穩(wěn)易發(fā)生部位;隧道失穩(wěn)形態(tài)一般可分為頂板彎折和底板鼓起兩種情況。

劉鵬等人以東興場隧道為工程依托，采用相似模型試驗(yàn)方法對隧道開挖后圍巖變形各階段進(jìn)行模擬，得出了該隧道開挖后圍巖的變形過程分為彎曲內(nèi)鼓－拉裂－折斷塌落3個(gè)階段［2］。李德海用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，分析開采煤層上覆近水平層狀結(jié)構(gòu)巖體受開采的影響，在其自身重力作用下的移動(dòng)機(jī)理，并定量地解釋了巖層的移動(dòng)現(xiàn)象，得出了巖層中下沉盆地剖面方程式［3］。何軍等人以廣元至巴中高速公路東興場隧道穿越水平巖層為工程依托，采用離散單元法對隧道變形破壞的主要因素進(jìn)行模擬，得出了巖層厚度、隧道埋深等因素對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律［4］。晏莉等人運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了圍巖塑性區(qū)及中間巖柱的穩(wěn)定性，分析了不同間距條件和不同圍巖互層類型對中間巖柱穩(wěn)定性的影響，并提出了改進(jìn)的雙孔隧道中間巖柱穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法［5］。楊峰等人針對水平層狀巖體火麻沖連拱隧道，利用數(shù)值模擬手段和現(xiàn)場實(shí)測，探討了水平層狀巖體條件下連拱隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形受力特點(diǎn)，指出了連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程的薄弱環(huán)節(jié)［6］。關(guān)惠平等人依托廣巴高速公路某近水平巖層隧道，基于監(jiān)測結(jié)果，分析了近水平巖層隧道圍巖變形特點(diǎn)、變形原因，劃分了圍巖變形階段。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析，提出利用位移加速度正負(fù)的判據(jù)來分析評價(jià)圍巖穩(wěn)定性［7］。周應(yīng)麟等人分析了層狀巖層圍巖隧道受力特點(diǎn)，并提出層狀巖層圍巖隧道破壞機(jī)理及其四種典型失穩(wěn)模型，結(jié)合湖南省常張高速公路關(guān)口埡隧道工程，利用有限元程序?qū)Σ煌瑑A角巖層圍巖進(jìn)一步分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，總結(jié)出不同產(chǎn)狀圍巖的受力特征及相應(yīng)二襯的最不利受力處，對相似層狀巖層隧道設(shè)計(jì)及施工具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義［8］。高磊等人運(yùn)用離散元數(shù)值模擬研究了隧道圍巖變形破壞機(jī)制，認(rèn)為受層面與節(jié)理面切割形成的塊體在重力作用下極易發(fā)生掉落，在拱頂和拱肩部位易造成超挖，而邊墻和拱底部位圍巖較為穩(wěn)定［9］。寇智勇等人根據(jù)廣元至巴中高速公路某隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段典型監(jiān)測斷面初期變形數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析，給出了該隧道近水平沉積巖層隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖總收斂的均值及滿足二次襯砌要求的時(shí)間均值［10］。汶文釗認(rèn)為水平巖層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征對隧道圍巖的穩(wěn)定性有很大的影響，依托橫山隧道對水平巖層的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了水平巖層隧道施工中應(yīng)采取的措施［11］。

由以上研究內(nèi)容可知，目前針對近水平軟弱巖層隧道穩(wěn)定性的研究數(shù)量較多，但是大多數(shù)都是采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行簡單的計(jì)算，其評價(jià)大多也只停留在半定量半定性的水平。揭示近水平軟弱巖層隧道失穩(wěn)機(jī)理及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理的研究尚少。

2 隧道光面爆破技術(shù)研究

目前山嶺隧道施工方法仍以新奧法為主，光面爆破作為新奧法的重要元素，其爆破效果對隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響顯著。在結(jié)構(gòu)完整、節(jié)理、裂隙不發(fā)育的圍巖中進(jìn)行光面爆破，爆破質(zhì)量容易控制。然而近水平巖層中往往存在大量的裂隙、節(jié)理以及夾層，水平方向節(jié)理發(fā)育，在這種情況下進(jìn)行光面爆破遇到了很大的困難，超爆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，優(yōu)化爆破方案，提高光面爆破質(zhì)量，改善爆破效果，對于近水平軟弱巖層隧道施工尤為重要。

周宴成以太(原)中(衛(wèi))銀(川)鐵路柳林隧道為工程背景，在分析隧道施工地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，探討了影響水平巖層隧道光面爆破效果的因素，對隧道水平巖層鉆爆施工技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了減小爆破震動(dòng)的措施［12］。方俊波等人以小浪底東苗家滑坡體排水洞施工為例，分析了在薄水平巖層、破碎圍巖中修建隧道所產(chǎn)生的超挖現(xiàn)象，提出了包括楔形掏槽、控制周邊眼裝藥參數(shù)、空孔導(dǎo)向、減震爆破等在內(nèi)的一套針對薄水平及破碎圍巖的爆破控制技術(shù)，取得良好的效果，有效減小了超欠挖的比例［13］。楊峰等人從炸藥破巖機(jī)理以及應(yīng)力波通過節(jié)理、夾層傳播規(guī)律來分析產(chǎn)生超、欠挖現(xiàn)象的原因，認(rèn)為實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，對隧道輪廓線的不同部位，采取不同的調(diào)整措施，可以有效的減少超挖現(xiàn)象［14］。楊宗華以客運(yùn)專線小坡山隧道作為依托工程，針對不同軟硬互層圍巖，施工中采用了小間距光爆技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷地修正爆破參數(shù)，以減小爆破對層狀巖層擾動(dòng)，減小施工超欠挖量，確保了開挖質(zhì)量和圍巖穩(wěn)定［1］。

目前，為了控制隧道的超欠挖問題，針對施工過程中的光面爆破技術(shù)的研究較為充分，也取得了一定的經(jīng)驗(yàn)積累。但是由于水平巖層的產(chǎn)狀及其巖性等在不同的工程中存在其各自的特殊性，因此，實(shí)際工程中在借鑒已有經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還應(yīng)注意結(jié)合工程實(shí)際，不斷對光面爆破技術(shù)在近水平破碎巖層中的應(yīng)用予以完善。

3 隧道施工方案及支護(hù)技術(shù)研究

施工方案及支護(hù)方法的確定直接影響到施工對圍巖的擾動(dòng)程度及加固效果。由于近水平軟弱巖層的力學(xué)特性顯示出強(qiáng)烈的各向異性，所以更應(yīng)對其進(jìn)行深入研究。

楊宗華認(rèn)為近水平巖層隧道開挖邊墻部圍巖穩(wěn)定性較好，一次開挖高度可適當(dāng)加大;為避免爆破振動(dòng)造成頂部巖板層間強(qiáng)度明顯降低，應(yīng)盡量減少開挖擾動(dòng)次數(shù);若掌子面圍巖穩(wěn)定性允許，采用大斷面開挖技術(shù)有利于機(jī)械化作業(yè)。并結(jié)合小坡山隧道的具體情況，確定采用全斷面開挖作業(yè)方式。隧道軌面以上部分一次爆破成形，落底采用跳挖法橫向一次挖成，并搭建棧橋以利出碴，仰拱、鋪底與軌面以下矮邊墻一次澆筑，其余拱墻混凝土采用整體移動(dòng)式模板臺(tái)車、泵送混凝土一次成形，縱向循環(huán)長度10m［1］。姚云曉根據(jù)亮埡子隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，通過對亮埡子隧道施工方案的比選，以及施工中遇到的具體問題的處理措施的論述，針對軟弱水平巖層段大跨隧道的施工技術(shù)提出了一些積極看法［15］。楊堅(jiān)認(rèn)為隧道Ⅲ級水平巖層圍巖，易發(fā)生變形破壞引起掉塊、坍塌的是隧道拱部，應(yīng)根據(jù)拱部圍巖不同的情況采取不同的針對性支護(hù)措施，保障了隧道施工安全和運(yùn)營安全［16］。

楊宗華以小坡山隧道為例，從開挖方法、控制爆破以及支護(hù)手段等方面，對其水平巖層Ⅲ級圍巖區(qū)段施工技術(shù)進(jìn)行了探討［1］。汶文釗以橫山隧道為例，剖析了水平巖層對隧道開挖和支護(hù)的影響作用，提出水平巖層隧道施工中應(yīng)采取的措施，并對施工工藝、施工工序進(jìn)行優(yōu)化［11］。張宗偉針對位于水平狀灰?guī)r地層的郁山隧道出口段，用了錨網(wǎng)噴相結(jié)合的支護(hù)技術(shù)，使得隧道因水平圍巖破碎而出現(xiàn)拱部大面積剝離掉塊的現(xiàn)象及時(shí)得到了有效控制，確保了隧道施工安全［17］。李長福針對軟弱水平巖層的地質(zhì)特性及對隧道施工的影響，結(jié)合工程實(shí)例，對隧道在此地質(zhì)條件下施工時(shí)應(yīng)采取的一些施工技術(shù)措施和防范要求進(jìn)行了闡述和分析［18］。鐘放平基于水平層狀圍巖結(jié)構(gòu)特征，提出層狀圍巖中隧道開挖支護(hù)優(yōu)化工況，進(jìn)行桐木灣隧道錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化對比現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，根據(jù)現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬結(jié)果，分析了錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的錨桿受力和圍巖變形特征［19］。馮文凱等人結(jié)合廣元－巴中高速公路穿越某水平巖層隧道，根據(jù)現(xiàn)場跟蹤調(diào)查和試驗(yàn)，在對圍巖巖性、物理力學(xué)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)和變形破壞類型等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對原支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，并利用施工后拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測結(jié)果進(jìn)一步證明了支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性［20］。鄧少軍等人針對水平互層巖體隧道的開挖特點(diǎn)，采用FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了錨桿支護(hù)參數(shù)，降低了支護(hù)成本［21］。

目前，針對近水平巖層隧道施工方案及支護(hù)技術(shù)的研究仍停留在施工技術(shù)總結(jié)的層面上。尤其是支護(hù)技術(shù)研究，主要以經(jīng)驗(yàn)為主，尚未從近水平軟弱巖層的各向異性受力特征及其破壞失穩(wěn)機(jī)理提出具有針對性的襯砌支護(hù)形式。

4 結(jié)語與展望

本文對水平及近水平軟弱巖層隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性、光面爆破技術(shù)、施工方案及支護(hù)技術(shù)等方面進(jìn)行了總結(jié)，并對目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評析。

從現(xiàn)有研究可以看出，對于近水平軟弱巖層隧道施工技術(shù)的研究尚不充分，整體上仍停留在經(jīng)驗(yàn)類比的層面上。今后，針對近水平軟弱巖層隧道施工方面的研究可沿如下幾個(gè)方向進(jìn)行。

(1)對近水平軟弱巖層的各向異性長期受力特征及其破壞失穩(wěn)機(jī)理展開深入研究;

(2)開展近水平軟弱巖層隧道施工變形控制基準(zhǔn)研究;

(3)開展近水平軟弱巖層圍巖－支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理研究;

(4)基于近水平軟弱巖層的各向異性受力特征及圍巖－支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理，開展針對近水平軟弱巖層下隧道的支護(hù)體系研究。

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