巖層產(chǎn)狀對公路隧道的影響分析

周 祥，陳人豪，唐國軍，李耀華

(廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西山區(qū)隧道巖性多為灰?guī)r、砂泥巖等沉積巖。沉積巖的巖層產(chǎn)狀呈現(xiàn)復(fù)雜多變的形態(tài)，對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)的力學反應(yīng)具有較大的影響。關(guān)于隧道巖層產(chǎn)狀對隧道的影響，目前國內(nèi)已做了一些研究，這些研究主要從宏觀上研究了巖層產(chǎn)狀與隧道開挖穩(wěn)定性的關(guān)系及相應(yīng)的施工應(yīng)對措施，關(guān)于工程中常見的水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓作用較少涉及。在實際施工中，水平巖層的掉塊現(xiàn)象往往發(fā)生在圍巖整體穩(wěn)定性較好的Ⅲ級圍巖段落，雖然開挖后圍巖穩(wěn)定性好，但掉塊現(xiàn)象會造成施工人員心理壓力，不敢進一步施工。傾斜巖層對隧道結(jié)構(gòu)的荷載作用與常規(guī)隧道明顯不同，傾斜巖層具有明顯的偏壓作用。本文結(jié)合工程經(jīng)驗，分析了Ⅲ級圍巖水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓的機理，并提出了相應(yīng)的處治對策。

1 Ⅲ級圍巖水平巖層掉塊機理

普氏理論假設(shè)隧道開挖后，松散圍巖能形成一個平衡拱，平衡拱以下的松散巖體將滑落作用在襯砌結(jié)構(gòu)上，形成荷載。由于Ⅲ級圍巖通常具有一定的強度，其不完全為松散體，但Ⅲ級圍巖深埋段也能形成類似于平衡拱的承載體，承載體下的巖體將受到重力作用，并與上部承載體相互作用。在未受到支護時，整體性較好時Ⅲ級圍巖承載體下的巖層受力類似于梁，如圖1，爆破開挖后承載體下的巖層形成如圖所示的受力形態(tài)，其破裂段、懸臂段、雙向支撐段具有不同的力學反應(yīng)，分析如下：

(1)破裂段的巖塊，除了受到自重作用外，還受到上層雙側(cè)支撐段巖塊下?lián)袭a(chǎn)生的壓力。巖塊重力作用將使得膠結(jié)面受拉，雙側(cè)支撐段下?lián)蠈⑹沟媚z結(jié)面受剪，因此膠結(jié)面的膠結(jié)性質(zhì)直接關(guān)系到破裂段塊體的穩(wěn)定性。

(2)懸臂段巖塊，膠結(jié)面膠結(jié)力較好時，上層雙側(cè)支撐與懸臂段形成疊合結(jié)構(gòu)。膠結(jié)較差時，由于剪應(yīng)力的作用，懸臂段和上部雙向支撐段之間分開，此時懸臂段除了受到自身重力外還受到上部雙側(cè)支撐段下?lián)显斐傻膲毫?。在下?lián)蠅毫蛻冶鄱巫陨碇亓ψ饔孟?，將產(chǎn)生很大的彎矩、剪力，巖層厚度薄、強度低時，在薄弱點斷裂掉塊。

(3)雙側(cè)支撐段，層間膠結(jié)較好時，形成深梁傳力體系，其穩(wěn)定性主要與巖體強度、支撐條件有關(guān)。層間膠結(jié)較差時，由于剪應(yīng)力作用造成層間脫離，此時，雙側(cè)支撐段受到自身重力和下?lián)蠅毫?，產(chǎn)生較大的彎矩、剪力，巖層厚度薄、強度低時，在薄弱點斷裂掉塊。

從以上分析可知，Ⅲ級圍巖的掉塊現(xiàn)象與爆破后的形態(tài)，巖層的強度、厚度、膠結(jié)面性質(zhì)、支撐情況等因素有關(guān)，其本質(zhì)為在各種不利應(yīng)力下，巖體局部破壞。

圖1 水平巖層掉塊分析示意圖

2 傾斜巖層偏壓機理

隧道開挖過程是圍巖應(yīng)力重新分布的過程，不同巖層產(chǎn)狀的圍巖應(yīng)力調(diào)整過程不同。傾斜巖層開挖后，由于巖層界面之間膠結(jié)物的物理力學性質(zhì)往往較差，傳力能力不如巖層，因此隧道開挖后圍巖的力學反應(yīng)呈明顯的各向異性，由于圍巖力學反應(yīng)的各向異性，圍巖形成的承載體的形態(tài)明顯不同，支護結(jié)構(gòu)的荷載分布不同。為了進一步分析這種各向異性，分別選取傾角為0°、45°、75°、135°四種不同巖層產(chǎn)狀的工況，采用地層-結(jié)構(gòu)法進行數(shù)值分析。

不同巖層產(chǎn)狀的圍巖位移形態(tài)見下頁圖2，從中可以明顯看出，隧道開挖后不同巖層傾角的圍巖的塌落范圍明顯不同，巖層傾斜時，巖體塌落范圍呈現(xiàn)偏壓形態(tài)。支護內(nèi)力見下頁圖3，從中可以看出，巖層傾斜時支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力明顯偏壓。

從以上分析可知，傾斜巖層偏壓機理可總結(jié)為本質(zhì)上就是傾斜巖層具有各向異性的力學反應(yīng)性質(zhì)，隧道開挖后，塌落范圍偏移，相應(yīng)作用在支護上的荷載偏壓。

3 對策

水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓，需要從勘察、設(shè)計、施工、運營各個環(huán)節(jié)合理應(yīng)對，其中勘察、設(shè)計、施工過程最為重要。針對Ⅲ級圍巖掉塊現(xiàn)象及傾斜巖層偏壓的對策可采取一些共通的、針對性的措施。

3.1 水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓的共通性對策

(1)勘察設(shè)計過程中，應(yīng)考慮圍巖產(chǎn)狀對圍巖分級的影響，并據(jù)此修正圍巖BQ值。隧道勘察中應(yīng)重視圍巖不同段落的產(chǎn)狀變化，并考慮其對圍巖分級造成的不利影響。

(2)設(shè)計過程中，重視超前、系統(tǒng)錨桿及鋼筋網(wǎng)的應(yīng)用，結(jié)合圍巖修正情況，采取合適的超前、系統(tǒng)錨桿和鋼筋網(wǎng)，利于圍巖的整體性的形成，保護圍巖的自承載能力。

(a)傾角0°總位移

(b)傾角0°水平位移

(c)傾角45°總位移

(d)傾角45°水平位移

(e)傾角75°總位移

(f)傾角75°水平位移

(g)傾角135°總位移

(h)傾角135°水平位移

(a)傾角0°

(b)傾角45°

(c)傾角75°

(d)傾角135°

(3)施工過程中應(yīng)重視監(jiān)控量測及動態(tài)設(shè)計工作，重視巖層產(chǎn)狀的不利影響，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，及時分析是否有必要調(diào)整支護參數(shù)。

3.2 水平巖層掉塊的對策

3.2.1 控制爆破

爆破影響范圍內(nèi)，圍巖出現(xiàn)損傷，強度降低。采用控制爆破的方式，盡可能減小爆破振動的影響，保護圍巖的強度及界面的粘結(jié)力，避免產(chǎn)生破裂段、懸臂段。

3.2.2 清除破裂巖塊

隧道爆破完成后應(yīng)先觀察未支護段拱頂圍巖的變化，對存在掉塊風險的地段應(yīng)對破裂巖塊進行清除，盡可能采用機械進行遠距離清除，保障人員安全，無法判斷是否破裂塊體時，可考慮采用機械臂進行敲擊試探。

3.2.3 增設(shè)系統(tǒng)錨桿

水平巖層大范圍地掉塊時，除了普通系統(tǒng)錨桿外，宜增設(shè)傾斜錨桿。傾斜錨桿應(yīng)超前于開挖面，根據(jù)掉塊的大小范圍合理設(shè)置其間距及外傾角。為了保障人員安全，傾斜錨桿施工時，施工人員應(yīng)處于有支護的安全段落。

3.2.4 鋼筋網(wǎng)及噴混凝土

鋼筋網(wǎng)及噴混凝土能防止可能進一步產(chǎn)生的掉塊現(xiàn)象。鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土能對圍巖產(chǎn)生抗力作用，約束破裂段的塊體，改善巖層的應(yīng)力狀態(tài)，從而避免掉塊現(xiàn)象。鋼筋網(wǎng)及噴混凝土施工應(yīng)配合使用，不宜僅采用素噴混凝土。

3.3 傾斜巖層的對策

3.3.1 加強圍巖的整體性

在施工過程中，可考慮通過超前錨桿、注漿小導(dǎo)管將巖塊之間串聯(lián)起來，增強巖層產(chǎn)狀之間的剪力傳遞能力，利于圍巖的整體性形成，從而改善傾斜巖層的各項異性，減小傾斜巖層的偏壓作用。

3.3.2 圍巖保護

施工過程中應(yīng)注意圍巖保護，通過控制爆破、及時施工初期支護避免圍巖長時間裸露，避免巖體沿層面滑動及由此帶來的偏壓影響。

3.3.3 合理的施工工序

施工過程中根據(jù)圍巖情況采取合適的施工方法，控制施工步距，保障施工質(zhì)量，減小開挖影響范圍，保護巖體的整體性，減小傾斜巖層偏壓作用。

3.3.4 加強支護

巖層偏壓作用明顯時，結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，可適當調(diào)整支護參數(shù)，優(yōu)先考慮加強初期支護，必要時可考慮二襯配筋。

4 結(jié)語

(1)水平巖層存在掉塊現(xiàn)象，掉塊的范圍及程度受到巖石強度、膠結(jié)體、支撐條件等多種因素影響，施工中應(yīng)做好光面爆破，及時施作初期支護。

(2)傾斜巖層對隧道支護會產(chǎn)生偏壓作用，其影響的大小與巖層的傾角、形態(tài)、膠結(jié)體、支撐條件等多種因素有關(guān)，施工過程中應(yīng)采取加強圍巖整體性的措施，及時根據(jù)監(jiān)控量測進行動態(tài)設(shè)計。

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