高速鐵路隧道薄板狀近水平巖層的穩(wěn)定性分析及施工控制

黃昌富 張帥龍 王艷輝 張永超

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中鐵十五局集團有限公司，上海 200070；3.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京 100044；4.中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

具有層狀構(gòu)造的沉積巖占陸地面積的2/3（我國約占77%）［1］。當(dāng)隧道開挖至層狀構(gòu)造巖層尤其是近水平層狀構(gòu)造巖層時，隧道拱部經(jīng)常出現(xiàn)掉塊、離層甚至坍塌等現(xiàn)象，使得施工安全與工程進度得不到保證。

針對隧道近水平巖層穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外作了大量研究，主要包括近水平層狀巖層破壞機理［2-4］、施工技術(shù)［5-6］等，為現(xiàn)場實踐提供了有效指導(dǎo)，但對于大斷面、長距離高速鐵路隧道，其穩(wěn)定性仍難以滿足要求。本文對福建至廈門高速鐵路碧峰寺隧道薄板狀近水平巖層破裂塌方及超欠挖問題展開研究，并提出控制技術(shù)與施工措施，為類似工程提供參考。

1 工程概況

碧峰寺隧道（圖1）為單洞雙線隧道，全長8 434.27 m，設(shè)計速度350 km/h，正洞斷面面積為144 m2。隧道最大埋深232 m，最淺埋深約28 m。隧道進口段位于福建省福清市漁溪鎮(zhèn)雙墩村，出口段位于莆田市江口鎮(zhèn)官莊村。碧峰寺隧道穿越的主要巖層包括英安巖、安山巖、英安質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖，隧道穿越強富水區(qū)斷層破碎帶和節(jié)理密集帶，圍巖穩(wěn)定性差。

圖1 碧峰寺隧道平面示意

隧道進口DK52+376—DK52+382 標(biāo)段施工揭示頂板圍巖為薄板狀近水平層狀巖層，傾角小于18°，定為Ⅳ級圍巖。該段圍巖成拱能力極差，爆破開挖后拱部近水平層狀巖體迅速出現(xiàn)局部離層和剝落現(xiàn)象，被迫多次停工。

2 隧道薄板狀近水平巖層失穩(wěn)破壞機理

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，將隧道拱頂與拱腰的近水平層狀巖體簡化為薄板狀結(jié)構(gòu)，并將拱頂近水平巖層上部荷載簡化為豎直均布荷載［7］。假設(shè)拱頂與拱腰近水平巖層為均質(zhì)、連續(xù)的各向同性彈性體，其變形符合小變形理論，巖層變形發(fā)生在同一平面。施工現(xiàn)場隧道拱頂與拱腰近水平層狀巖層在爆破開挖擾動作用下分別形成懸臂梁和嵌固梁結(jié)構(gòu)。兩種梁結(jié)構(gòu)受力如圖2所示。將其簡化為平面應(yīng)變問題進行分析。隧道拱頂近水平巖層a上方所受均布荷載

圖2 兩種梁結(jié)構(gòu)受力示意

設(shè)嵌固梁近水平巖層a 跨度為La，厚度為ha，重度為γa，自重qa=γaha。hi與γi分別為巖層 a 上方巖層的厚度和重度。巖層a彎矩如圖3所示。

圖3 嵌固梁近水平巖層彎矩示意

圖3中，巖層a端部極限彎矩Md和中點彎矩Mz分別為q2La2/12和q2La2/24，端部彎矩較大，因此端部承載能力較差。巖層a中任一點的正應(yīng)力σ0可表示為

式中：M為巖層a 任一點的彎矩；任一點所在橫截面對中性軸的慣性矩I=ha3/12；任一點到中性軸的距離y=ha/2。

將Md代入式（1）可得嵌固梁端部近水平巖層正應(yīng)力σa為

由式（2）可知，ha與σa成反比，即厚度越大正應(yīng)力越小，嵌固梁近水平巖層越不容易被破壞。La與σa成正比，即跨度越大正應(yīng)力越大，嵌固梁近水平巖層越容易被破壞。

圖4 懸臂梁結(jié)構(gòu)近水平巖層彎矩示意

設(shè)懸臂梁近水平巖層b 跨度為Lb，厚度為hb，重度為γb，自重qb=γbhb，其彎矩如圖 4 所示。其中巖層 b端部極限彎矩′和自由端彎矩分別為q3Lb2/8 和0。端部彎矩較大，因此端部承載能力較差。將=代入式（1）可得懸臂梁端部正應(yīng)力σb為

式中，q3=q1+qa+qb。

由式（3）可知，hb與σb成反比，即厚度越大正應(yīng)力越小，嵌固梁近水平巖層越不容易失穩(wěn)破壞。Lb與σb成正比，即跨度越大正應(yīng)力越大，懸臂梁近水平巖層越容易失穩(wěn)破壞。

由上述分析可知，薄板狀近水平巖層的厚度及跨度是其穩(wěn)定性的控制參數(shù)。因此，提前采取能夠控制巖層厚度和跨度的工程措施，設(shè)計出能夠控制隧道頂板巖層暴露面積、弱化爆破施工擾動的開挖方法，是解決隧道薄板狀近水平巖層失穩(wěn)破壞的有效途徑。

3 隧道薄板狀近水平巖層失穩(wěn)控制

3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報

結(jié)合DK52+382 處圍巖等級、地質(zhì)條件，參考Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》［8］，決 定 采 用 隧 道 地 質(zhì)預(yù) 報（Tunnel Seismic Prediction，TSP）和 地 質(zhì) 雷 達(dá)（Ground Penetrating Radar）相結(jié)合的方法進行綜合預(yù)報。

3.1.1 TSP觀測

采用TSP203 Plus 儀器對DK52+384 處掌子面前方100 m 范圍進行觀測和預(yù)報。首先在碧峰寺隧道進口段DK52+329 處左右邊墻各布置1 個地震波信息接收孔，孔徑50 mm，孔深1.8 m，接收孔向上傾斜5°。然后在DK52+349—DK52+384 段隧道右邊墻按1.5 m的間距布置24 個炮孔用以激發(fā)地震波，孔徑40 mm，孔深1.4 m，每個炮孔向下傾斜約10°。1號—24號炮孔平均裝藥量約75 g。最后，按照設(shè)計要求引爆炮孔炸藥，激發(fā)地震波，接收孔收集地震波反射信號，為后續(xù)信息處理工作提供數(shù)據(jù)。TSP觀測系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 TSP觀測系統(tǒng)布置（單位：m）

信號采集儀采樣間隔0.062 5 ms，采樣點數(shù)8 192，地震波采樣記錄長度512 ms。爆破后觀測系統(tǒng)實時顯示采集到的所有數(shù)據(jù)，計算機系統(tǒng)實時顯示爆破信號的質(zhì)量和傳感器與巖石之間的耦合狀況。

TSP 探測成果見圖6。其中方塊、圓、三角形分別代表橫波SV，SH和縱波P。紅色、藍(lán)色圖形分別為1號、2號檢波器檢測到的波。

圖6 TSP探測成果圖

由圖6可見：DK52+406附近（隧道掌子面正前方）2 號檢波器檢測到橫波與縱波密集出現(xiàn)并交錯匯集，表明前方存在不良地質(zhì)構(gòu)造。

3.1.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報

為提高預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，在TSP 觀測之后采用地球物理測量系統(tǒng)公司生產(chǎn)的TerraSIRch SIR-4000型測試系統(tǒng)開展觀測預(yù)報工作。天線中心頻率為100 MHz的GPR，采樣點數(shù)1 024個，記錄長度為600 ns，64次/s。定點完成數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用RANAN7.0 雷達(dá)處理軟件按照編輯軌跡、靜校正、能量衰減、減去平均值、背景去除、運行平均值等步驟對采集的數(shù)據(jù)進行處理。

在DK52+384 處開展地質(zhì)雷達(dá)測量工作，先后分別沿著掌子面測線1 和測線2 進行測量，兩條測線長度均為6 m，如圖7（a）所示。測線2 的地質(zhì)雷達(dá)剖面如圖7（b）所示。圖中顯示在深度約22.5 m 處波形明顯畸變，表明可能存在一些異常地質(zhì)構(gòu)造。之后隧道開挖至DK52+405 處時發(fā)現(xiàn)，掌子面拱部近水平巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，部分巖體風(fēng)化嚴(yán)重且有裂隙水滲出（見圖7（c）），判定為Ⅳ級圍巖。因此，圖7（b）中的波形畸變與上述構(gòu)造有關(guān)。地質(zhì)雷達(dá)測量到的風(fēng)化近水平巖層所在里程與TSP測量到的不良地質(zhì)構(gòu)造里程近似一致，驗證了綜合超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)測量結(jié)果及現(xiàn)場實況

3.2 超前小導(dǎo)管注漿

為加固圍巖及時止水，控制結(jié)構(gòu)性超欠挖，防止近水平巖層離層，決定在掌子面前方采用超前小導(dǎo)管注漿加固。

技術(shù)要點：掌子面用C25 噴射混凝土封閉，采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的小導(dǎo)管超前支護，型鋼拱架沿隧道開挖輪廓線環(huán)向布置并向外傾斜。導(dǎo)管環(huán)向間距45 cm，外插角13°。注漿漿液采用水泥單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.8 MPa。導(dǎo)管上鉆φ10 mm注漿孔，間距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于30 cm 作為不鉆孔的止?jié){段。注漿后要密實堵塞注漿孔4 h后方可開挖。為充分發(fā)揮機械效能，加快注漿進度，在小導(dǎo)管前安設(shè)分漿器，可外接3～5 根小導(dǎo)管同時注漿。

注漿措施實施后，圍巖裂隙得以填充，圍巖強度和整體穩(wěn)定性得到加強，保證了隧道開挖的安全性。

3.3 三臺階臨時仰拱法

在超前支護的基礎(chǔ)上采用三臺階臨時仰拱法對DK52+382—DK52+430 標(biāo)段進行開挖，開挖橫斷面見圖8，并且嚴(yán)格按照“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則施工。

圖8 三臺階臨時仰拱法開挖橫斷面

參照圖8嚴(yán)格按照以下步驟對掌子面進行開挖：

1）首先采用風(fēng)鉆鉆孔弱爆破開挖臺階Ⅰ，施作上臺階周邊的初期支護。初噴厚4 cm 混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立鋼架，鉆設(shè)徑向錨桿、鎖腳錨管，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度，底部噴厚10 cm混凝土封底。

近水平巖層多集中于隧道拱部，且對該區(qū)域影響較大，因此對于臺階Ⅰ應(yīng)及時噴射混凝土固結(jié)關(guān)鍵巖體，避免過分開挖。一方面，三臺階臨時仰拱法降低了各臺階圍巖暴露于臨空面的相對面積，使得圍巖穩(wěn)定性得以提升；另一方面，及時噴射混凝土填充、封堵巖石裂隙，使拱部圍巖結(jié)構(gòu)面結(jié)合力得到提高，圍巖自穩(wěn)能力得到發(fā)揮。

2）弱爆破開挖臺階Ⅱ，底部架設(shè)臨時鋼架后噴射混凝土及時封閉。開挖臺階Ⅲ，及時封閉初期支護。灌筑仰拱，待仰拱混凝土初凝后，灌筑①部填充至設(shè)計高度。

3）利用襯砌模板臺車一次性灌筑②部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作），盡快加固圍巖。

4）開挖施工過程中，對每一階段的超欠挖數(shù)據(jù)實時收集和整理。

經(jīng)實施，采用以上施工方法后，將超欠挖量控制在10～22 mm。

3.4 監(jiān)控量測

根據(jù)Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》［9］與TB 10108—2002《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》［10］，監(jiān)控量測隧道拱頂沉降和周邊收斂。拱頂沉降監(jiān)測采用徠卡TCRA1201 型全站儀和銦鋼尺，周邊收斂監(jiān)測采用JSS30A型坑道周邊收斂計，初讀數(shù)均在開挖后11 h讀取。拱頂沉降與周邊收斂測點分別布置在隧道拱頂和拱腰。拱頂沉降與周邊收斂量測頻率相同，見表1。

表1 量測頻率

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時了解拱頂沉降、周邊收斂變化趨勢，綜合判斷圍巖和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并根據(jù)位移等級管理標(biāo)準(zhǔn)確定相應(yīng)的處理措施，及時反饋給施工單位。

DK52+406 處隧道變形時程曲線見圖9?？梢钥闯觯涸诘?8 d時變形速率開始變緩；第30 d時累計拱頂沉降、累計周邊收斂分別達(dá)到21.7，11.65 mm，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖9 隧道變形時程曲線

后續(xù)監(jiān)測中圍巖沉降量保持不變，后續(xù)施工中隧道斷面未出現(xiàn)變形速率增大的情況。這說明采取的技術(shù)與工程措施能夠有效解決隧道近水平巖層的穩(wěn)定性問題。

4 結(jié)論

1）在爆破開挖擾動下，薄板狀近水平巖層隧道拱頂易形成嵌固梁結(jié)構(gòu)，拱肩易形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。正應(yīng)力與薄板狀近水平巖層厚度成反比，與跨度成正比。厚度與跨度直接決定了薄板狀近水平巖層的穩(wěn)定性。

2）TSP和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)有效預(yù)測了隧道拱頂和拱腰存在近水平層狀巖體等異常地質(zhì)情況，保障了施工技術(shù)的動態(tài)優(yōu)化。

3）拱頂沉降及周邊收斂的監(jiān)測結(jié)果表明，對存在薄板狀近水平巖層的標(biāo)段采用超前小導(dǎo)管注漿支護、三臺階臨時仰拱法開挖，有效解決了該巖層破壞失穩(wěn)問題。

本文研究成果可為類似地質(zhì)條件下預(yù)報、隧道設(shè)計和現(xiàn)場施工提供參考。