石樓隧道水平巖層穩(wěn)定性分析及施工方法研究

孫晉鋒

(中鐵十七局集團(tuán)第四工程有限公司，重慶 400000)

1 概況

山西中南部鐵路通道設(shè)計(jì)速度120 km/h，設(shè)計(jì)軸重30 t，為路內(nèi)首條按重載標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的重載鐵路運(yùn)煤通道。標(biāo)段內(nèi)隧道共18座，25.2 km，其中石樓隧道全長(zhǎng)12807 m，為單洞雙線隧道，線間距為4.0 m，為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，全線控制工程之一，設(shè)計(jì)輔助坑道有4座斜井，10個(gè)工作面同時(shí)采用無軌運(yùn)輸、大型機(jī)械配套作業(yè)，開挖方式采用臺(tái)階法施工。

1.1 工程地質(zhì)

石樓隧道地處山西省呂梁地區(qū)石樓縣，為黃土峁梁地帶，沖溝發(fā)育，隧道最大埋深為252 m，最小埋深為1.5 m;隧道Ⅲ級(jí)圍巖占20%。主要在石樓隧道2號(hào)斜井和3號(hào)斜井，洞身通過的水平層為泥質(zhì)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，薄層～中厚層，其中在2號(hào)斜井大里程和3號(hào)斜井段為弱風(fēng)化，呈大塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙比較發(fā)育;在2號(hào)斜井小里程段為強(qiáng)風(fēng)化，呈壓碎結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)

石樓隧道水平巖層段地下水賦存以基巖裂隙水為主，局部水量較大。

2 變形的原因和形態(tài)

2.1 變形原因

圍巖的穩(wěn)定性取決于圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和圍巖的力學(xué)性質(zhì)。隧道開挖后應(yīng)力重新分布，當(dāng)二次應(yīng)力較低，達(dá)不到圍巖的彈性極限時(shí)，圍巖處于彈性狀態(tài)，無需支護(hù)就可以保持穩(wěn)定;當(dāng)圍巖應(yīng)力較高時(shí)，強(qiáng)度較低時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形和斷裂破壞，此外，在節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面切割時(shí)，有可能在隧道的拱頂和邊墻產(chǎn)生不穩(wěn)定的楔形塊體。因此在隧道開挖后需要對(duì)圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便采取合理的開挖方式和支護(hù)形式。

2.2 失穩(wěn)形態(tài)

石樓隧道開挖后，邊墻的失穩(wěn)形態(tài)主要有以下幾種形式:

1)沿巖層層面平面滑移。

由于地層水平，地下水下伏泥巖接觸帶，使泥巖接觸帶相對(duì)富水，促使泥巖風(fēng)化、泥化速度加快，形成軟弱夾層，與砂巖底部形成滑移邊界，特別是在雨季情況下，軟弱夾層力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)大大降低，在自重作用下使圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)面控制型的變形破壞，主要表現(xiàn)為邊墻不穩(wěn)定塊體沿軟弱結(jié)構(gòu)面或夾層的剪切錯(cuò)位、拉裂墜落。

2)懸臂式傾倒。

水平巖層的控制爆破要求比較高，邊墻開挖后容易出現(xiàn)巖腔(泥巖)上部臨空的厚層狀砂巖，在重力作用下沿底部支撐點(diǎn)發(fā)生反轉(zhuǎn)傾倒。

3)流塑拉裂。

在砂泥巖互層的邊墻，由于砂巖發(fā)育有部分豎向節(jié)理，構(gòu)成水的良好通道從而使水能夠到達(dá)泥巖使其軟化并發(fā)生流塑，泥巖的流塑又導(dǎo)致上部砂巖體已有的裂隙被拉開，從而使砂巖發(fā)生崩塌。

3 對(duì)隧道開挖的影響

石樓隧道的水平層圍巖主要以薄層～中厚層砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，層間結(jié)合差，隧道開挖前，各種結(jié)構(gòu)面一般緊密閉合，開挖后，隨著應(yīng)力重新分布，隧道周圍的巖體將向臨空面位移，由于水平層理的特殊構(gòu)造，圍巖體將會(huì)被擠出，從而出現(xiàn)鼓脹、脫落。在石樓隧道施工中，由于斷面跨度比較大，隧道開挖后，在節(jié)理的影響下，應(yīng)力逐步釋放，拱部容易形成矩形狀，給后續(xù)施工帶來很大安全質(zhì)量隱患。

4 裂隙水對(duì)圍巖的影響

石樓隧道水平層段地下水以基巖裂隙水為主，隧道開挖后，地下水力梯度重新分布，地下水慢慢向臨空面滲流。開挖后邊墻的地下水一般以點(diǎn)狀或面狀滲水，未發(fā)現(xiàn)股狀涌水，但這些滲水會(huì)逐漸軟化圍巖，致使層間結(jié)合力降低，進(jìn)而影響邊墻的穩(wěn)定，極易發(fā)生拉裂墜落，進(jìn)而引起大的塌方。

5 主要施工措施

5.1 三臺(tái)階法施工

石樓隧道水平層圍巖段按照“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測(cè)、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則，結(jié)合隧道雙線大斷面的結(jié)構(gòu)形式及圍巖結(jié)構(gòu)層理組成、變形等特點(diǎn)，采用三臺(tái)階法施工。

三臺(tái)階七步法分上中下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)作業(yè)面，三臺(tái)階七步法的特點(diǎn):一是施工空間大，可以多個(gè)作業(yè)面平行作業(yè);二是中下臺(tái)階左右錯(cuò)開開挖，有利于作業(yè)面的穩(wěn)定;三是當(dāng)圍巖有變形時(shí)，可以很快調(diào)整閉合時(shí)間。

三臺(tái)階七步法的施工工藝:第1步:開挖弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度3 m～5 m，長(zhǎng)度是指順?biāo)淼婪较?，寬度為隧道?/3～1/2，隧道開挖寬度12 m，核心土的寬度是4 m～6 m，當(dāng)然是根據(jù)圍巖情況進(jìn)行調(diào)整，每循環(huán)開挖1榀，留個(gè)工作空間也就是1.5 m，開挖太大，有兩個(gè)壞處，一是如果開挖太大就會(huì)降低自穩(wěn)能力，二是開挖面封閉時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一點(diǎn)。開挖好以后立即初噴3 cm～5 cm的混凝土，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，避免產(chǎn)生掉塊。然后進(jìn)行打錨桿掛，立拱架。在拱腳以上30 cm處緊貼拱架打鎖腳錨桿，角度控制在30°左右，最后再復(fù)噴混凝土到設(shè)計(jì)厚度。第2步～第5步就是開挖中下臺(tái)階，要注意的就是挖機(jī)開挖后預(yù)留30 cm人工挖，以防止挖機(jī)擾動(dòng)拱架。另外還要注意左右兩邊要錯(cuò)開開挖，防止拱架懸空，造成初支下沉，其他同第1步。第6步就是開挖核心土，當(dāng)然核心土也不能開挖太長(zhǎng)，最好和循環(huán)進(jìn)尺一樣。第7步仰拱開挖。一次開挖控制在2 m～3 m。這樣就達(dá)到了封閉成環(huán)的目的，見圖1。

圖1 三臺(tái)階法施工示意圖（單位：m）

5.2 增設(shè)格柵鋼架加強(qiáng)拱部圍巖支護(hù)強(qiáng)度

在水平層狀巖層中開挖大跨度隧道時(shí)，拱頂問題往往比較嚴(yán)重。因?yàn)樗綆r層在洞頂形成類似組合梁結(jié)構(gòu)，如果層間的結(jié)合比較弱，特別是當(dāng)有軟弱夾層發(fā)育時(shí)，層間剪切強(qiáng)度銳減，組合梁可能演化成疊合梁，頂板的強(qiáng)度與剛度就會(huì)大為削弱，在這種條件下易發(fā)生彎折變形。

因此，在石樓隧道Ⅲ級(jí)圍巖地段，采取拱部145°范圍內(nèi)增設(shè)格柵鋼架的措施，加強(qiáng)拱部支護(hù)，具體參數(shù)見表1。

表1 石樓隧道Ⅲ水平巖層拱部圍巖支護(hù)參數(shù)

5.3 優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)

在水平巖層段開工前進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，在施工過程中，根據(jù)圍巖情況不斷地優(yōu)化鉆爆方案，采取弱爆破，盡可能減少對(duì)拱部圍巖的擾動(dòng)。拱部周邊眼間距嚴(yán)格控制在45 cm以內(nèi)，且盡可能少裝藥，采用φ25的小直徑藥卷;二圈眼與周邊眼的距離保持在45 cm～50 cm以內(nèi)，掏槽眼易布置在開挖斷面中下部。此外在石樓隧道施工中還選用了水壓爆破技術(shù)，取得了很好的效果。

5.4 高度重視初噴工序

隧道施工中，一般為了趕進(jìn)度，都比較忽視初噴工序封閉巖面，失去了封閉巖面的最佳時(shí)期，造成裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)張和裂隙水的滲流，降低了層間結(jié)合力，使圍巖產(chǎn)生了松弛變形，未能很好發(fā)揮圍巖的自承力。在石樓隧道Ⅲ級(jí)圍巖水平層施工中，一直很重視初噴工序。

5.5 幾點(diǎn)體會(huì)

1)應(yīng)最大限度的利用圍巖的自承能力。圍巖穩(wěn)定是隧道安全施工的基本條件，水平互層圍巖的隧道開挖后穩(wěn)定性極差。通過前人的研究成果，結(jié)合石樓隧道的實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)水平互層圍巖隧道施工中所采用的臺(tái)階法進(jìn)行施工力學(xué)和爆破力學(xué)的模擬分析，不斷優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)，特別是水壓爆破技術(shù)的推廣應(yīng)用為水平巖層隧道的施工提供了強(qiáng)有力的理論支持。

2)應(yīng)充分發(fā)揮支護(hù)以及圍巖的共同作用，高度重視隧道錨桿的施工，錨桿加固的作用不僅僅是懸吊作用，更主要的是使圍巖內(nèi)的應(yīng)力條件得到改善，同時(shí)還能提高圍巖的整體強(qiáng)度，使強(qiáng)度得到提高的巖體環(huán)繞隧道形成加固拱，主動(dòng)的加固圍巖與圍巖共同作用。

3)基于監(jiān)控量測(cè)、施工地質(zhì)調(diào)查與施工方法。

水平巖層的特點(diǎn)掌子面前方地質(zhì)情況一般沒有較大的突變現(xiàn)象，但其地質(zhì)分布的特點(diǎn)為:巖層層理分布不均勻，薄厚不一，變化較大;巖層巖性變化較大，砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖交替出現(xiàn)，尤其在拱部位置，很難完全掌握其分布規(guī)律;現(xiàn)場(chǎng)施工中沿隧道縱向采取TRT6000地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合掌子面地質(zhì)素描和設(shè)計(jì)圖紙，確定前方裂隙節(jié)理發(fā)育密集帶，提前做好工序的轉(zhuǎn)換，減小進(jìn)尺，加強(qiáng)支護(hù)。

4)高度重視圍巖變形破壞的累進(jìn)性發(fā)展。在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分析、評(píng)價(jià)時(shí)，必須充分考慮圍巖累進(jìn)性破壞的過程和特點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)控制圍巖失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵部位采取有效的措施，防止累進(jìn)性破壞的發(fā)生和發(fā)展。

［1］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，2009.

［2］關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993.

［3］孫廣忠.巖體力學(xué)基礎(chǔ).［M］.北京:科學(xué)出版社，1983.