隧道水平薄層狀圍巖特性分析及施工技術(shù)

尹德仁

摘要：本文以昭瀘高速坪上隧道出口為工程背景，對(duì)水平薄分層狀圍巖的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和破壞特征進(jìn)行了定性分析，并結(jié)合實(shí)際施工中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究總結(jié)，針對(duì)目前公路隧道的施工工藝，主要從優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)參數(shù)角度，提出控制措施，從而指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)，減少安全隱患，提高工程質(zhì)量，降低施工成本。

關(guān)鍵詞：水平薄層狀圍巖;破壞特征;支護(hù)參數(shù);控制措施

引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，山嶺隧道在高速公路和鐵路中所占的比重日益增大，而圍巖工程地質(zhì)條件更是隧道工程的重中之重。層狀圍巖在隧道施工中較為常見，且一般穩(wěn)定性較差，特別是水平薄層狀圍巖，自穩(wěn)能力極差，自重及應(yīng)力條件下易沿層理面發(fā)生滑動(dòng)剪切破壞，且拱部易形成掉塊、剝落、坍塌現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅隧道施工的安全，同時(shí)，拱部易產(chǎn)生平層，超欠挖及開挖輪廓難以控制，影響后續(xù)施工的質(zhì)量、且加大施工成本。針對(duì)以上問題，我們以昭瀘高速坪上隧道出口為依托，通過分析水平薄層狀圍巖的變形和破壞特征，結(jié)合目前公路隧道的施工工藝提出一些控制措施，從而保證水平薄層狀圍巖隧道施工的安全和質(zhì)量，提高施工效率，降低施工成本。

1 工程概況

坪上隧道起訖里程為左線ZK31+928-ZK37+904長5976m，右線K31+928-K37+918長5990m，左、右線間距30米，全隧圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，穿越了諸宗斷層，該斷層具有很好的富水性，有突涌水可能，兩處穿越煤層，煤層較厚共有7層，其中C1、C5層可采，其余層為局部可采，噸煤瓦斯含量6.02m3，瓦斯相對(duì)涌出量約0.61m3/min，屬高瓦斯隧道。為確保工期和加強(qiáng)通風(fēng)排煙效果，在線路左側(cè)增設(shè)兩個(gè)斜井。隧道斷面為公拱高710cm，上半圓半徑為550cm的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)。目前隧道出口段右洞掌子面處于高瓦斯工區(qū)，巖性為宣威組的泥巖、炭質(zhì)泥巖夾砂巖及煤層，巖層緩傾、節(jié)理發(fā)育，巖體完整性較差，多呈碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，水平薄分層，主要表現(xiàn)為砂、泥巖的平互層，屬于軟巖，為Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。

2 水平薄層狀巖體的特性

2.1巖性及結(jié)構(gòu)特征

水平層狀巖體是由單一的或不同特性的沉積巖交替構(gòu)成的互層巖體，巖層呈水平狀，層面之間基本平行，傾角小于5～10°，薄層狀巖體一般層厚小于20～30cm，層理間常有輕微錯(cuò)動(dòng)及軟弱夾層，結(jié)合能力一般較差，由于層面的存在，具有明顯的非均勻性和各向異性。

2.2 變形及破壞形式

在隧道開挖施工以后，解除了部分圍巖的約束，打破了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，并在圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力重分布，進(jìn)入到二次應(yīng)力狀態(tài)。通常情況下，水平薄層狀巖體的夾層和軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度是很低的，加上層面粘結(jié)力很弱，當(dāng)出現(xiàn)自重和應(yīng)力集中的情況下，會(huì)對(duì)圍巖的結(jié)構(gòu)面帶來影響，出現(xiàn)變形破壞等問題，比如拱部不穩(wěn)定塊體的剪切滑移、碎裂松動(dòng)、張裂墜落和朝洞內(nèi)的彎曲折斷破壞。泥巖砂巖屬于彈塑性巖石，內(nèi)部含有豐富的粘土礦物，當(dāng)洞室應(yīng)力釋放以后，在這一過程中極易出現(xiàn)荷載膨脹的現(xiàn)象，并伴隨著少量水分向洞內(nèi)轉(zhuǎn)移的情況，使圍巖膨脹、強(qiáng)度降低，發(fā)生變形破壞，甚至發(fā)生坍塌事故。因此，在施工過程中掉塊、剝落、坍塌都是極有可能發(fā)生的情況，就其破壞部位而言，主要位于拱部，特別拱腰以上部位，其次為底部。

3 水平薄層狀圍巖對(duì)施工產(chǎn)生的影響及分析

沉積巖沉積巖是在風(fēng)化物質(zhì)及碎屑等經(jīng)搬運(yùn)、沉積和成巖而形成的，使得巖體中各巖層的力學(xué)性質(zhì)差異較大，又受水平層理面、夾層及其他裂隙的存在影響，最薄弱的層理面首先發(fā)生破壞，在爆破產(chǎn)生的能量與沖擊作用下，容易出現(xiàn)超欠挖的問題，這也與后期的排險(xiǎn)工作有一定的關(guān)系。當(dāng)拱頂巖體沿層理面剝落以后，會(huì)形成“平拱”如圖1所示;拱腰處輪廓線與巖層面斜交，爆破后破壞裂縫往往趨于垂直巖層面發(fā)展，形成臺(tái)階狀，如圖2所示。從而造成拱頂、拱腰多超挖，拱腳邊墻局部欠挖的現(xiàn)象。

大面積的超挖對(duì)圍巖擾動(dòng)大，影響其整體的穩(wěn)定性，且拱部產(chǎn)生平頂現(xiàn)象使隧道頂部以“梁”的結(jié)構(gòu)形式承受上部荷載，局部易產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞，且在圍巖應(yīng)力作用下，其巖體會(huì)發(fā)生彎折斷裂破壞，形成自然承載拱，從而達(dá)到應(yīng)力平衡。此過程嚴(yán)重威脅施工人員安全，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。除此之外，超挖部分必須用初支混凝土回填密實(shí)，回填厚度過大則難以保證密實(shí)度和噴射混凝土質(zhì)量，造成初支內(nèi)存在空隙、空洞，對(duì)該煤層段而言，更是容易積聚瓦斯，產(chǎn)生各種質(zhì)量和安全隱患。初支混凝土和開挖方量的增加，不僅導(dǎo)致原材料的浪費(fèi)，還會(huì)增加出渣和噴射混凝土的作業(yè)時(shí)間，局部的欠挖還需要補(bǔ)炮或鑿除，造成誤工、窩工，降低施工效率，影響工期，大大增加了施工的直接成本和間接成本。

4 控制措施

4.1 開挖

根據(jù)水平薄層狀巖體的結(jié)構(gòu)和破壞特性，拱頂開挖輪廓線與層理面基本平行，巖體內(nèi)的軟弱層理面是爆破時(shí)巖石阻力最小的地方，類似于減小了周邊炮眼的最小抵抗線，爆破應(yīng)力和高壓氣體沿層理面延伸，致其塌落。故應(yīng)適當(dāng)減小拱頂部位周邊眼密度，通常情況下應(yīng)該將間距控制在45cm左右，周邊眼與內(nèi)圈眼間距控制在50～60cm以內(nèi)，而且要注意應(yīng)該盡量的減少頂部周邊眼的炸藥用量，可以采用φ25小藥卷導(dǎo)爆索分段不耦合裝藥的方式，減少頂部圍巖擾動(dòng);拱腰部位為保證開挖輪廓，宜減小周邊眼間距，控制在40cm以內(nèi)，同時(shí)減少裝藥用量;拱腳部位輪廓線與層理面趨于垂直，炮眼在豎直方向難以發(fā)生破壞，相對(duì)增加周邊眼密度，保證間距在40cm以內(nèi)，同時(shí)適的增加藥量，保證爆破效果。

施工過程中，層狀巖體表現(xiàn)出各向異性，導(dǎo)致鉆桿鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生受力不平衡的問題，主要表現(xiàn)在鉆桿出現(xiàn)偏斜甚至彎曲，角度偏斜較大的情況下會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生不利的影響。鉆前測(cè)量人員應(yīng)該精確放樣，司鉆人員準(zhǔn)確鉆眼，保證深度、角度準(zhǔn)確無誤。裝藥時(shí)，清孔完畢后，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求的位置、方式、用量進(jìn)行裝藥，完畢后用炮泥進(jìn)行堵塞，堵塞長度為30cm，從而充分發(fā)揮爆破效率。

4.2 支護(hù)襯砌

為保證施工安全和控制開挖質(zhì)量，防止超挖和爆破后坍塌掉塊，必須做好超前支護(hù)施工技術(shù)，可以使用φ42超前注漿小導(dǎo)管保證支護(hù)剛度，提高巖體的整體性和自穩(wěn)能力?；蛘咴跅l件允許的前提下，也可以采用頂部φ42超前小導(dǎo)管，兩側(cè)采用φ42超前小導(dǎo)管和φ25超前錨桿交錯(cuò)支護(hù)的方式。但是在施工過程中，要保證設(shè)計(jì)數(shù)量的合理性，同時(shí)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可以減小拱頂超前小導(dǎo)管的間距，增加其密度，稍微增大兩側(cè)部位的間距，Ⅴ級(jí)圍巖拱頂可縮短至20～25cm，拱腰以下可調(diào)整至35～40cm;Ⅳ級(jí)圍巖拱頂可減少至40cm，拱腰以下增加至60cm。

初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)，水平薄層巖體在爆破后易破壞變形，同時(shí)施工過程中遇到砂、泥巖也會(huì)出現(xiàn)易風(fēng)化、剝落、掉塊的問題。為了保證施工過程的安全，在隧道爆破開挖后，首先要嚴(yán)格遵循先噴后錨的施工原則。具體來說就是先初噴約4cm厚的混凝土封閉巖面，尤其要注意拱部。系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)采用φ25中空錨桿和φ22砂漿錨桿，由于水平薄層狀圍巖拱部易產(chǎn)生彎曲折斷破壞，相對(duì)而言拱腳和邊墻較為穩(wěn)定，保證設(shè)計(jì)數(shù)量情況下，在合理的范圍內(nèi)增加拱部系統(tǒng)錨桿的數(shù)量或長度，合理減小拱腳和邊墻處錨桿的參數(shù)。另外，還需要注意的是系統(tǒng)錨桿要全長錨固，提前設(shè)置好墊板，拱部盡量垂直于層理面方向進(jìn)行施作，其他部位沿輪廓法線方向，更有效的發(fā)揮系統(tǒng)錨桿的懸吊加固作用。

型鋼鋼架在加工時(shí)的幫焊連接及單元之間連接板嚴(yán)禁在拱頂，盡量少的出現(xiàn)在拱部，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況保留預(yù)留變形量，鋼架的徑向定位筋拱部每單元至少設(shè)置2處，每根不少于80cm。同時(shí)嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)要求施做鎖腳小導(dǎo)管，可以采用φ42注漿小導(dǎo)管，在位于拱腰和拱腳以上50cm范圍內(nèi)緊貼鋼架通過固定筋牢固焊接于兩側(cè)設(shè)置，向下傾角可增加至20～30°。噴射混凝土?xí)r，保證鋼架間飽滿平順，鋼架、鋼筋網(wǎng)與圍巖之間充填密實(shí)，不留空隙，尤其拱部，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)有效約束圍巖變形，防止松動(dòng)壓力的形成。

仰拱應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，穩(wěn)定底板，且一次性開挖不宜過長，仰拱保證安全步距，配合監(jiān)控量測(cè)，待初支穩(wěn)定后盡早封閉。

4.3 監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，初支完成后，按要求埋設(shè)沉降觀測(cè)標(biāo)，拱部沉降明顯大于水平收斂，根據(jù)實(shí)際情況增加段落或局部的埋設(shè)密度，并提高觀測(cè)頻率，再根據(jù)獲取的信息合理的調(diào)整施工參數(shù)和預(yù)留變形量，如有異常，立刻采取措施。

水平薄層狀圍巖沿掌子面方向一般沒有較大變化，但是其巖體層理分布、厚度都并不一致，且砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖及煤層的互層交替出現(xiàn)，且伴隨各種不均勻的夾層，故施工前使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)工作及打設(shè)超前探孔，即便發(fā)現(xiàn)問題也可以隨時(shí)調(diào)整和完善施工方案，保證施工過程的安全性。

5結(jié)束語

（1）隧道開挖過程中，水平薄層狀圍巖的破壞和變形受其結(jié)構(gòu)面影響，拱頂易發(fā)生碎裂松動(dòng)、彎曲折斷破壞，拱腰易出現(xiàn)滑移塌落，從而產(chǎn)生掉塊、坍塌、平頂現(xiàn)象，需加強(qiáng)防范;

（2）初支完成后，主要形變?yōu)楣绊數(shù)某两?，加?qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

（3）施工工程中，減少對(duì)拱部圍巖的擾動(dòng)，縮短進(jìn)尺，及時(shí)支護(hù)，且加強(qiáng)拱部支護(hù)的剛度及強(qiáng)度。

（4）加強(qiáng)超前導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿和鎖腳導(dǎo)管施工質(zhì)量控制，噴射混凝土要保持均勻密實(shí)。

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