茅荊壩隧道石墨段巖體防塌方技術(shù)研究

張高青等

摘 要：文章介紹了茅荊壩隧道穿越石墨段圍巖性質(zhì)和該段落塌方有關(guān)的情況，并分析塌方原因、征兆及預(yù)防措施。由于石墨具有潤滑性，且該段落圍巖巖性軟硬不均，有滴水、局部線流，石墨鱗片0.1毫米至幾毫米不等，夾雜在巖石之中，圍巖極不穩(wěn)定，開挖后圍巖脫落掉塊，排險(xiǎn)時(shí)常有巨塊石脫落，故施工過程中易發(fā)生塌方。然后從隧道發(fā)生塌方的原因入手，針對(duì)石墨段落防止塌方提出了有效的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：隧道；石墨；塌方；處阿理

引言

茅荊壩隧道位于內(nèi)蒙古自治區(qū)喀喇沁旗與河北省隆化縣交界處，是G45大廣高速承赤段的一個(gè)隧道，地處蒙冀界，因承德市北部的茅荊壩鄉(xiāng)而得名，隧道全長6776米，有“關(guān)外第一隧”之稱，是承赤高速公路最長、修筑最困難、條件最惡劣、事故率最大的隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速80公里/時(shí)，為雙向四車道加救援車道。該隧道為分離式特長隧道（進(jìn)口段為小凈距段）。隧道平面曲線右線為：直線（472.555m）+緩和曲線（280m）+R1520（2162.445m），左線為：直線（490.072m）+緩和曲線（280m）+R1530（2173.928m）。隧道左右線縱坡均為（-1.98%）。該區(qū)位于燕山斷隆的東基底構(gòu)造段，線方向受東西-北東東向復(fù)式褶皺構(gòu)造控制，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，巖漿活動(dòng)頻繁，加之強(qiáng)烈的混合巖化作用影響，使原來面貌遭受不同程度的改造根據(jù)工程地質(zhì)測繪及鉆探揭露，隧道區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）碎石和白堊系（K）花崗巖、凝灰?guī)r，局部見斜長巖閃長巖巖脈侵入[1]。

1 石墨巖體及塌方情況說明

2012年2月至5月，隧道施工期間出現(xiàn)石墨巖體，巖體中石墨含量8%～20%不等，見圖1所示。石墨是元素碳的一種同素異形體，每個(gè)碳原子的周邊連結(jié)著另外三個(gè)碳原子（排列方式呈蜂巢式的多個(gè)六邊形）以共價(jià)鍵結(jié)合，構(gòu)成共價(jià)分子，具有潤滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫、導(dǎo)電、特殊的導(dǎo)熱性和可塑性、涂敷性等性能。

該石墨段圍巖節(jié)理完全，軟硬不均，有滴水、局部線流，石墨鱗片0.1mm至幾毫米不等，夾雜在巖石之中，圍巖極不穩(wěn)定，開挖后圍巖脫落掉塊，排險(xiǎn)時(shí)常有巨塊石脫落，并伴隨小塌方。石墨礦脈在掌子面分布面積不均、位置和傾角變化較大，礦脈本身強(qiáng)度極低、表面光滑，礦脈與凝灰?guī)r層面間伴有密集節(jié)理，偶有裂隙水出露。區(qū)段隧道埋深小于200m，地應(yīng)力水平不高，實(shí)測隧道施工變形不大，開挖暴露面（側(cè)壁和掌子面）極易掉塊和塌坍。左洞施工至ZK3+770發(fā)生較大塌方，臺(tái)車破壞較嚴(yán)重，對(duì)施工及今后隧道運(yùn)營造成很大安全問題，見圖2所示。施工完初期支護(hù)后進(jìn)行監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)施工完初期支護(hù)拱頂出現(xiàn)局部混凝土剝落現(xiàn)象，說明圍巖的后期變形較大，需要對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2 隧道坍塌原因分析

2.1 發(fā)生坍塌的原因

2.1.1 地質(zhì)因素

（1）隧道穿過斷層及破碎帶，一經(jīng)開挖，潛在應(yīng)力釋放，承壓快、圍巖失穩(wěn)而坍塌。（2）當(dāng)通過各種堆積體時(shí)，由于結(jié)構(gòu)松散，顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差，開挖后引起坍塌。（3）在擠壓破碎帶，巖脈穿插帶、節(jié)理密集帶等碎裂結(jié)構(gòu)地層中，巖塊間互相擠壓鉗制，一經(jīng)開挖則失穩(wěn)，常見圍巖掉塊、坍落。在軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的情況下，或泥質(zhì)充填物過多，均易產(chǎn)生較大的坍塌。（4）在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，薄層巖體形成的小褶曲、錯(cuò)動(dòng)發(fā)育地段，施工中常常發(fā)生坍塌。（5）巖層軟硬相間，或有軟弱夾層的巖體，在地下水的作用下，軟弱面強(qiáng)度大大降低，因而發(fā)生坍塌。（6）地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用加劇巖體的失穩(wěn)和坍塌。（7）緩傾的巖層層理、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面[2]。

2.1.2 施工方法和措施不當(dāng)

（1）施工方法選擇不當(dāng)或工序間距安排不合理。各工序間距時(shí)間拉的較長，地層暴露時(shí)間過久，引起圍巖松動(dòng)、風(fēng)化、導(dǎo)致坍塌的發(fā)生。（2）噴錨不及時(shí)，或混凝土質(zhì)量、厚度不符合要求。（3）采用鋼支撐時(shí)，支撐架設(shè)質(zhì)量欠佳，支撐與圍巖不密貼，兩者間的空隙填塞不密實(shí)，或聯(lián)結(jié)不夠牢固，不能滿足圍巖壓力所需的強(qiáng)度要求。（4）有時(shí)抽換支撐不當(dāng)，或當(dāng)支撐已經(jīng)出現(xiàn)受力過大的現(xiàn)象而未及時(shí)加固。（5）爆破作業(yè)不當(dāng)，用藥量過多。（6）處理危石措施不當(dāng)，引起危石墜落，牽動(dòng)巖層坍塌。

2.2 坍塌征兆

（1）量測信息所反應(yīng)的圍巖變形速度或數(shù)值超過允許值。（2）噴射混凝土產(chǎn)生縱橫向的裂紋或龜裂。（3）在坑底或坑壁發(fā)現(xiàn)不斷掉下土塊、小石塊。（4）巖層層理、節(jié)理縫或裂隙變大、張開。（5）鋼拱架（格柵）發(fā)生變形或扭曲，連接鋼板脫焊、拉裂，鋼拱架（格柵）發(fā)生“噼啪”的拉裂聲。（6）坑道內(nèi)滲水、滴水突然加劇或變渾。

3 隧道坍塌預(yù)防措施

要預(yù)防隧道施工坍塌，首先做好地質(zhì)預(yù)報(bào)，選擇相應(yīng)的安全合理的施工方法和措施。在施工中注意掌握下述要點(diǎn)：

（1）先排水。在施工前和施工中均應(yīng)采取相應(yīng)的防排水措施，按設(shè)計(jì)要求做好注漿防水、堵水措施，嚴(yán)格防止洞外水進(jìn)入隧道，洞內(nèi)積水應(yīng)及時(shí)抽出。（2）短開挖。各部開挖工序間的距離要盡量縮短，以減少圍巖暴露時(shí)間。（3）弱爆破。在爆破時(shí)，要用淺眼、密眼，并嚴(yán)格控制用藥量或用微差毫秒爆破。（4）強(qiáng)支撐。針對(duì)地壓情況，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度。（5）快襯砌。襯砌工作需緊跟開挖工作面進(jìn)行，力求襯砌盡快成環(huán)（6）勤檢查、勤量測。對(duì)圍巖發(fā)現(xiàn)有變形或異狀，要立即采取有效措施及時(shí)處理隱患[3]。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，為了避免施工期間安全事故的出現(xiàn)及保證隧道后期運(yùn)營期間的穩(wěn)定，對(duì)石墨段巖體進(jìn)行如下措施處理：

（1）加深地質(zhì)工作，了解隧道未施工段可能出現(xiàn)該石墨礦脈情況，取樣開展石墨礦脈的強(qiáng)度、水理性質(zhì)、膨脹性試驗(yàn)，掌握礦脈基本物理力學(xué)參數(shù)；做好掌子面地質(zhì)素描工作，掌握石墨礦脈在掌子面分布面積比例、位置和傾角參數(shù)，節(jié)理發(fā)育情況和地下水情況。及時(shí)進(jìn)行圍巖級(jí)別認(rèn)定、采取相應(yīng)設(shè)計(jì)和施工措施。（2）根據(jù)石墨礦脈在掌子面中所占比例較小時(shí)（暫定小于30%）圍巖級(jí)別定為IV級(jí)，所占比例較大時(shí)（暫定大于30%）或有顯著地下水出露時(shí)圍巖級(jí)別宜定為V級(jí)。（3）因強(qiáng)度低、節(jié)理發(fā)育，開挖暴露面（側(cè)壁和掌子面）極易掉塊和塌坍，超前支護(hù)應(yīng)設(shè)自進(jìn)式錨桿，見圖3所示；IV級(jí)圍巖區(qū)段設(shè)工18型鋼鋼架，間距80cm，35cm厚有仰拱模筑混凝土；V級(jí)圍巖區(qū)段設(shè)工20b型鋼鋼架，間距75cm，45cm厚有仰拱模筑鋼筋混凝土；對(duì)于已經(jīng)施工初期支護(hù)圍巖段，為確保施工運(yùn)營期間隧道路面及結(jié)構(gòu)的安全性，隧道二襯采用35cm厚有仰拱模筑鋼筋混凝土。施工過程中，掌子面5cm噴混凝土封面，及時(shí)封閉開挖暴露面[4]，見表1所示。（4）采用臺(tái)階法以減小掌子面高度，控制開挖循環(huán)進(jìn)尺（IV級(jí)圍巖1.5m，V級(jí)圍巖0.75m）以減小圍巖暴露長度，及時(shí)噴混凝土封閉開挖暴露面以減少圍巖暴露時(shí)間，加密周邊炮眼控制超欠挖以減少爆破后對(duì)圍巖的處理，適當(dāng)縮短襯砌距掌子面距離實(shí)現(xiàn)洞室盡早穩(wěn)定[5]。

4 結(jié)束語

國內(nèi)外隧道工程穿越石墨巖體的工程案例很少，沒有類似工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，而采取以上措施對(duì)石墨段進(jìn)行施工，取得了良好的工程效果，近200米石墨段沒有發(fā)生任何較大塌方，順利通過了石墨巖體段。這證明該技術(shù)方案切實(shí)可行，可供類似工程參考。

參考文獻(xiàn)

[1]河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.赤峰至茅荊壩（蒙冀界）段公路工程施工圖設(shè)計(jì)（隧道）[Z].

[2]馬濤.淺埋隧道塌方處治方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（增2）.

[3]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]JTG D70-2004.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG F60-2009.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

作者簡介：張高青（1981-）男，漢族，河北臨城人，碩士研究生，教師，助教，主要研究方向：隧道與地下工程。