包西鐵路施工期隧道水平層狀圍巖穩(wěn)定性評價與支護

羅選紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 陜西西安 710054)

在進行隧道設計時,盡管進行了地質(zhì)勘探,但是由于隧道工程圍巖狀況的復雜多變以及理論上的不完善,對圍巖性質(zhì)事先難以完全掌握。在施工過程中暴露出的圍巖才是真實的圍巖,原設計往往不盡合理。另一方面,設計階段地質(zhì)工作的精度難以達到施工階段地質(zhì)工作所能達到的精度,對圍巖級別的劃分是粗略的,還可能出現(xiàn)圍巖級別設計失誤的現(xiàn)象。因此,在隧道施工期間,應進一步對隧道圍巖的穩(wěn)定性進行評價，對圍巖級別進行準確鑒定,并依據(jù)圍巖的地質(zhì)條件提出恰如其分的施工建議,特別是預支護建議。

隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性評價,即圍巖級別的鑒定采用類比法,依據(jù)隧道圍巖級別分級表,并充分考慮圍巖地下水和地應力特征下進行。首先通過圍巖的工程地質(zhì)特征、圍巖結構完整狀態(tài)的分析,依據(jù)隧道圍巖分級表初步確定圍巖級別,再依據(jù)地下水情況和地應力特征,以及毛洞開挖后圍巖的穩(wěn)定程度三項指標最終確定圍巖級別[1]。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

包西鐵路通道大保當至張橋段北起神延鐵路的大保當車站,南至西延鐵路的張橋車站,縱貫陜西省北部,線路全長561.6 km,共有隧道93座,總延長151.4 km；其中大保當至延安段增建二線,速度目標值160 km/h,共有單線隧道28座,總延長49.3 km,延安至張橋段,為新建速度目標值200 km/h的雙線隧道,共計65座,總延長102.0 km。隧道主要分布在陜北黃土高原梁峁溝壑區(qū)。

1.2 工程地質(zhì)條件

本地區(qū)在地質(zhì)構造上位于穩(wěn)定的陜北臺凹,陜北臺凹是鄂爾多斯地臺的一部分。鄂爾多斯地臺自古生代以來就一直是穩(wěn)定的地臺,雖然也曾有過地殼升降的歷史,但也只是盆地的中心有所偏移,盆地的整體結構并未遭到嚴重的破壞,盆地中心顯示出地層較為水平的格局,地層平緩,呈微傾向北和北西的單斜地層,傾角北段一般為3°～7°,南段5°～10°,局部波狀起伏。巖體主要發(fā)育兩組構造垂直節(jié)理,大致為東西向和南北向,東西向節(jié)理間距0.5～1.5 m,連通性較好,南北向較稀,間距2～3 m。局部巖層受斷裂構造影響發(fā)生扭曲。沿線隧道穿越的巖層主要為侏羅系(J)，三疊系(T)，二疊系(P)的砂巖夾頁巖、頁巖夾砂巖、砂巖夾泥巖,部分隧道淺埋段通過紅黏土、黃土或奧陶系(O)灰?guī)r地段。

2 包西鐵路隧道水平層狀圍巖穩(wěn)定性影響因素

隧道圍巖穩(wěn)定性取決于多種因素的綜合影響,這些因素主要有圍巖的工程地質(zhì)特征、圍巖的結構完整程度、受地質(zhì)構造的影響程度、地下水的影響、巖體所受的靜動力荷載、隧道幾何尺寸及施工方案的選擇[2]。

包西線水平巖層區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素主要有三種類型。工程地質(zhì)因素：包括巖體物理力學性質(zhì)、巖體結構狀態(tài)、地下水影響及其受構造影響因素；工程因素：包括隧道斷面的大小和形狀；施工因素:包括隧道施工的方法手段,支護時間和支護手段等。其中地質(zhì)因素是影響圍巖穩(wěn)定性的最主要的因素。

2.1 工程地質(zhì)因素

(1)圍巖的力學特性

圍巖的力學特性是指它的強度和屈服值,巖體受力后變形和破壞的發(fā)展過程中,巖塊的強度是巖塊變形的抵抗能力,實際反映巖塊的物理力學性質(zhì)。本區(qū)隧道工程涉及的侏羅系，二疊系，三疊系水平狀砂巖夾頁巖、頁巖夾砂巖、砂巖夾泥巖,巖體力學性質(zhì)相對較弱,不能承受或僅能承受很小的拉應力,這是隧道拱部穩(wěn)定性較差的物質(zhì)因素。

(2)圍巖的巖體結構特征

結構面的存在破壞了巖體的完整性,成為巖體中強度薄弱的部位。本區(qū)發(fā)育的水平層狀圍巖一般以砂巖夾頁巖、砂巖夾泥巖、頁巖夾砂巖為主,泥巖及頁巖一般以泥質(zhì)為主,巖質(zhì)相對較軟,砂巖以鈣質(zhì)為主,巖質(zhì)相對較硬,巖性軟硬相間,層間黏結力相對較差,節(jié)理發(fā)育,圍巖完整性較差,且在隧道開挖后圍巖應力調(diào)整時間較長,是拱部易塌方的主要原因之一。

(3)地下水影響

包西鐵路隧道洞身通過地層大部分地下水不發(fā)育。根據(jù)目前隧道開挖揭示的實際情況,隧道內(nèi)地下水一般為點狀或面狀滲水,大部分隧道揭示沒有發(fā)現(xiàn)涌水,但這些少量的地下水致使圍巖層間或結構面結合力降低,進而影響拱部圍巖的穩(wěn)定性。在大雨后或因其他原因地表水入滲,特別在隧道通過溝谷位置,地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響較大,水使泥巖等軟弱巖體軟化,強度降低,增加動水靜水壓力,影響了圍巖的強度和結構面的抗剪強度。

2.2 工程因素

主要為隧道的斷面大小和形狀,包西線雙線隧道開挖標準斷面為127.8 m2,為大跨度隧道,洞形更為扁平,這些因素雖不能決定圍巖質(zhì)量的好壞,但能給圍巖穩(wěn)定性帶來不可忽視的影響。包西隧道單線隧道斷面小,比雙線隧道穩(wěn)定性要強。

2.3 施工因素

包括開挖方法、炸藥用量、支護方式等。水平層狀圍巖邊墻穩(wěn)定較好,一次開挖高度可適當增大,避免放炮震動造成頂部巖板層間強度明顯降低。應盡量減少開挖擾動次數(shù),對Ⅲ級水平圍巖,軌面以上部分一次爆破成形,落地采用跳挖法橫向一次挖成。爆破宜采用短進尺淺孔爆破,周邊鉆孔的外插角、開口位置容易控制,可有效減少超欠挖。同時采用小直徑藥包連續(xù)裝藥,采用“等差”雷管，控制相鄰段位炮孔起爆時差不小于50 ms,避免爆破振動波疊加,控制爆破振動速度小于50 cm/s,減少對噴混凝土早期強度的影響,達到安全經(jīng)濟的合理要求。支護方式及支護時機的選擇等,都對水平圍巖穩(wěn)定有較大的影響,水平層狀圍巖拱部開挖后應力調(diào)整時間較長,塌方易發(fā)生在工作面后方,所以應盡快緊跟仰拱和二次襯砌施工。

3 包西鐵路隧道水平層狀圍巖結構類型和變形破壞模式

圍巖穩(wěn)定性是指隧道開挖后在無支護條件下的自穩(wěn)能力,主要表現(xiàn)在圍巖的變形和破壞兩個方面。圍巖的穩(wěn)定性對隧道的安全施工和運營起著至關重要的作用,分析和研究圍巖的變形破壞機制和圍巖穩(wěn)定性的影響因素,采取提高圍巖穩(wěn)定性的有效措施,對隧道安全快速建設將起到重要的作用。

3.1 水平層狀圍巖結構類型和穩(wěn)定性的關系

依據(jù)包西鐵路隧道開挖后揭露的圍巖結構特征,把巖體結構特征劃分為塊狀結構、碎石狀鑲嵌結構、層狀結構、散體結構四大類。

(1)塊狀結構

是指未受或受輕微構造影響的厚層水平沉積砂巖、泥巖,這種巖體節(jié)理發(fā)育較少,不貫通,主要結構面是層面,層間結合緊密,層面間距大,巖層多為水平狀或緩傾斜狀。砂巖巖體抗壓強度大,抗變形能力大,巖體整體性強,巖體完整,開挖后對拱部錨噴,圍巖穩(wěn)定好；厚層泥巖抗壓強度較小,易發(fā)生塑性擠出變形及破壞,圍巖穩(wěn)定差,拱部易發(fā)生滯后塌方。

(2)塊石(碎石)狀鑲嵌結構

一般為遭受中等構造變動或臨近洞口卸荷松動的中厚層水平巖層,這種結構的節(jié)理或小斷層發(fā)育,節(jié)理相互切割,與層面形成塊體。這種塊體與圍巖聯(lián)系很弱,在自重和圍巖應力下有向臨空運動的趨勢,逐漸形成塊體運動的失穩(wěn)方式。這種圍巖穩(wěn)定受結構面控制,結構面與臨空面形成不利組合時,拱頂易于塌落,圍巖穩(wěn)定性較差。這種結構的巖體主要破壞形式為碎裂松動(如圖1)。

圖1 塊石(碎石)狀鑲嵌結構巖體

(3)層狀結構

是受構造影響較輕的中薄層狀沉積巖體,大多由砂巖夾泥巖、砂巖夾頁巖、頁巖夾砂巖或者互層組成。層間常有層間錯動,頁巖泥巖較軟弱,層間連接力較差,受兩組結構面切割,其破壞形式為拱頂彎曲下沉和產(chǎn)生剝落,當下沉量較大時產(chǎn)生彎折破壞(如圖2)。當在成層性好,軟弱夾層發(fā)育,產(chǎn)狀平緩的層狀巖體中開挖雙線大跨度隧道,洞頂圍巖易發(fā)生張裂塌落。

圖2 水平層狀巖體彎折破壞

(4)散體結構

散體結構巖體是受構造影響強烈的斷層帶及與水平巖層的接觸帶,一般是由斷層泥和壓碎的巖石碎屑、碎塊組成,往往出現(xiàn)斷層交匯處,形成破碎帶,這種圍巖往往沒有自穩(wěn)能力,自穩(wěn)時間短,需要超前支護,拱頂易出現(xiàn)冒頂破壞(如圖3)。

圖3 閻家村隧道松散結構巖體坍塌冒頂

3.2 隧道水平層狀圍巖破壞模式

(1)彎折折斷

這是水平巖層區(qū)中薄層狀巖體主要的破壞形式,隧道開挖使巖體卸載,隧道頂部巖體失去支撐,產(chǎn)生向洞內(nèi)的位移。由于層間黏結力不足,層狀巖體的抗彎能力不強,不能承受或只能承受較小的應力,圍巖受重力的影響,導致巖層向洞內(nèi)變形,從而使巖體各層處于離層狀態(tài)。各層巖體均相當于獨立的處于受彎剪狀態(tài)的懸臂梁,層狀巖體在重分布應力下進而彎曲折斷并坍塌。這種變形破壞是水平層狀,尤其是夾軟弱夾層的互層狀巖體所特有的,在邊墻部位圍巖較穩(wěn)定。

(2)張裂塌落

張裂塌落通常發(fā)生在層狀或塊狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當頂拱產(chǎn)生拉應力集中,且其值超過了圍巖的抗拉強度時,頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞,尤其發(fā)育有近垂直的構造裂隙時,即使產(chǎn)生的拉應力很小也可以使巖體拉開產(chǎn)生垂直的張性裂縫。被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定,特別是當有水平方向的軟弱結構面發(fā)育,巖體在垂直方向的抗拉強度較低時,往往造成頂拱的坍落。

(3)碎裂松動

當層狀巖體受顯著的軟弱結構面切割,形成鑲嵌結構塊體,這種塊體與圍巖的聯(lián)系較弱,隧道開挖后,如果圍巖的應力超過了圍巖的屈服強度,這類圍巖就會沿多組已有的結構面發(fā)生剪切錯動而松動,并圍繞洞室形成一定的碎裂松動圈,特別是有地下水活動時,極易導致頂拱及邊墻的坍塌。為了防治這類圍巖變形和破壞的發(fā)展,必須及時采取支護措施。

(4)塑性擠壓破壞

軟巖或含泥質(zhì)厚層巖體,因其力學強度低,穩(wěn)定性差,隧道開挖后,圍巖中的應力重分布,造成圍巖中局部應力增加,當所受應力超過巖體強度時,就會使巖體應力達到屈服強度時圍巖產(chǎn)生塑性變形。此時巖體向隧道內(nèi)部產(chǎn)生形變,造成隧道斷面收縮,進而引發(fā)支撐系統(tǒng)變形破壞,在支護不力的情況下,圍巖就發(fā)生坍塌破壞。另一種情況，軟巖本身強度低,蠕變性強,在隧道開挖一段時間后發(fā)生擠壓破壞(如圖4)，造成拱部滯后塌方。

圖4 水平厚層狀泥巖擠壓破壞(拱部滯后塌方)

(5)重力坍塌

受斷層影響的破碎松散的水平層狀巖體在重力作用下發(fā)生塌方,可分為局部塌方和拱形塌方。在水平層狀圍巖中或碎塊狀巖體中,多發(fā)生在拱部,由于巖體被結構面切割后構成不同形狀的不穩(wěn)定結構體,洞室開挖后,不穩(wěn)定塊體之間的摩擦力不足,導致向洞內(nèi)滑移而發(fā)生坍塌。

圍巖的變形破壞形式常常相互聯(lián)系,有時難以區(qū)分,但是對于不同形式的變形,應采取不同的評價分析方法和處理方法,對層狀巖體應抓住層面特征、圍巖結構完整狀態(tài)進行評價。在隧道開挖與支護設計中,應注意到不同圍巖潛在的變形破壞基本特征,選擇合理的開挖與加固處理方案,特別注意對潛在破壞的薄弱部位進行及時加固,防止圍巖變形破壞向深部發(fā)展,確保圍巖的原始強度和自承能力[2]。

4 包西鐵路施工期水平層狀圍巖穩(wěn)定性評價

4.1 施工期間圍巖穩(wěn)定性評價的方法和步驟

施工期圍巖穩(wěn)定性評價和圍巖級別的鑒定工作,是在設計圖的基礎上,分兩個步驟進行。

(1)初步鑒定

在隧道開挖面或者各類導洞中,對揭露的巖石準確定名,依據(jù)軟硬巖的代表性巖石確定硬巖還是軟巖；詳實觀測巖層的產(chǎn)狀,有無褶皺、斷層及其發(fā)育情況,確定研究區(qū)段受構造影響的級別；詳實觀測巖體內(nèi)節(jié)理組數(shù)、密度、閉合度和充填物特征,研究節(jié)理發(fā)育情況及其級別；觀測巖性及其巖層組合特征,確定巖體結構；在上述觀測的基礎上,依據(jù)中國鐵路隧道圍巖分級表[4]初步確定圍巖級別。

(2)最終鑒定

依據(jù)地下水對圍巖級別影響的一般原則,細致調(diào)查毛洞開挖后的穩(wěn)定狀態(tài),最終確定圍巖級別。

4.2 包西線施工期水平巖層圍巖穩(wěn)定性評價

根據(jù)前述的包西線水平巖層的工程地質(zhì)特征和穩(wěn)定性影響因素,結合圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài),對各類水平巖層組合特征的圍巖評價和支護建議列于表1。

表1 包西線隧道圍巖類別、破壞模式及支護措施

5 結 論

包西鐵路水平層狀巖體主要結構形式為塊狀結構、鑲嵌結構、層狀結構及散體結構,不同的水平軟硬巖層組合在隧道開挖后有彎折折斷、碎裂松動、張裂坍塌、塑性擠出、重力坍塌等坍塌模式。針對不同的水平巖石組合特征、潛在的破壞模式及圍巖穩(wěn)定影響因素,準確評價圍巖級別,為合理支護提供依據(jù)。

水平巖層軟硬相間,層間黏結力較差,隧道開挖后拱頂圍巖穩(wěn)定性較差,拱頂失穩(wěn)幾率較大,邊墻圍巖相對較穩(wěn)定,應加強拱頂圍巖的穩(wěn)定性保護和支護措施的施工對策。

針對軟硬互層水平圍巖,施工中采取小間距光爆技術,減少爆破對層狀圍巖的擾動,并減少開挖爆破震動次數(shù),減少施工超欠挖量,避免形成應力集中,影響圍巖穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況,仰拱緊跟地段,石質(zhì)隧道很少出現(xiàn)塌方。建議嚴格控制施工工序,仰拱距開挖面距離應進一步縮短,控制在50～60 m,二次襯砌距開挖面的距離控制在120～150 m,盡快緊跟仰拱和二次襯砌施工。

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[3]張樂中,水平巖層區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性研究[D].西安：長安大學，2006

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