淺析平巖層隧道的設(shè)計(jì)與施工

陳海軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

包西鐵路大保當(dāng)至張橋段,北起神延鐵路的大保當(dāng)車(chē)站,南至西延線(xiàn)的張橋車(chē)站,線(xiàn)路縱貫陜西省北部和關(guān)中地區(qū)。該段線(xiàn)路全長(zhǎng) 561.6km,共有隧道 94座,總延長(zhǎng)約 152km,全部分布在魚(yú)河峁至慶興村之間的陜北黃土高原梁峁溝壑區(qū)。其中綏德至延安段增建二線(xiàn),速度目標(biāo)值 160km/h,共有單線(xiàn)隧道 29座,總延長(zhǎng)約 50km;延安至張橋段,速度目標(biāo)值 200km/h,為新建雙線(xiàn)隧道,共計(jì) 65座,總延長(zhǎng)約 102km。

隧道穿越地層巖性主要為近水平狀沉積的碎屑巖類(lèi)的砂巖和黏土巖類(lèi)的頁(yè)巖、泥巖,其中又以砂巖夾頁(yè)巖、頁(yè)巖夾砂巖和砂巖夾泥巖為主。線(xiàn)路穿越中朝準(zhǔn)地臺(tái)的陜甘寧臺(tái)坳和汾渭地塹二個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,地下水類(lèi)型主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。出露水平巖層及基巖裂隙水如圖1所示。

圖1 出露水平巖層及基巖裂隙水

隧道穿越的水平巖層圍巖劃分主要為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí),其中Ⅲ級(jí)圍巖約占單線(xiàn)隧道總長(zhǎng)的 48%,Ⅳ級(jí)圍巖約占單線(xiàn)隧道總長(zhǎng)的 18%;Ⅲ級(jí)圍巖約占雙線(xiàn)隧道總長(zhǎng)的 65%,Ⅳ級(jí)圍巖約占雙線(xiàn)隧道總長(zhǎng)的 17%,Ⅲ級(jí)圍巖所占比例較大。

2 施工中平層圍巖坍塌掉塊情況

自 2007年 11月開(kāi)工以來(lái),所有的石質(zhì)隧道均遇到水平巖層坍塌掉塊問(wèn)題,尤其以Ⅲ級(jí)圍巖地段為重。

從施工反饋的信息看,由于單線(xiàn)隧道跨度較小,斷面小,爆破振動(dòng)易控制,且大部所處地區(qū)降雨頻率及雨量較小,地下水的地表補(bǔ)給少,拱部掉塊坍塌問(wèn)題不是很普遍,局限于個(gè)別隧道;而雙線(xiàn)隧道跨度大,斷面也大,爆破振動(dòng)不易控制,所處的地理位置降雨頻率及雨量均較大,地下水的地表補(bǔ)給充分,拱部坍塌掉塊的幾率較大,問(wèn)題比較突出。

隧道施工的監(jiān)測(cè)資料反映,一般拱部局部坍塌掉塊滯后隧道掌子面開(kāi)挖距離 2～3倍洞徑,30～50m或更長(zhǎng),即發(fā)生掉塊時(shí),該段初期支護(hù)施工已完成一段時(shí)間,并且是分次逐步坍塌,開(kāi)始規(guī)模較小,慢慢牽引臨近地段,坍塌規(guī)模逐漸擴(kuò)大,段落逐漸加長(zhǎng),最長(zhǎng)的達(dá) 50m。一般雙線(xiàn)隧道拱部坍塌寬度為 5～8m,高度為 1～5m,最大的可達(dá) 8m,呈倒漏斗狀或箱形狀。坍塌地段拱部出露地質(zhì)情況主要為薄層頁(yè)巖、頁(yè)巖夾薄層砂巖或薄層砂頁(yè)巖互層,垂直節(jié)理發(fā)育,巖層完整性較差,局部有滲水,易隨時(shí)間的推移而失穩(wěn)。單線(xiàn)及雙線(xiàn)隧道拱部掉塊情況如圖2、圖3所示。

圖2 單線(xiàn)隧道拱部掉塊情況

圖3 雙線(xiàn)隧道拱部掉塊情況

3 平層圍巖掉塊機(jī)理特征和原因分析

水平巖層是在開(kāi)闊臺(tái)地或平靜瀉湖中沉積形成的近水平層狀沉積巖,老巖層在下,新巖層在上,其后期未受大的地質(zhì)應(yīng)力作用。在地形地質(zhì)圖上,巖層的地質(zhì)界線(xiàn)與地形等高線(xiàn)平行或重合;在山頂或孤立山丘上的地質(zhì)界線(xiàn)呈封閉的曲線(xiàn);在溝谷中呈尖齒狀條帶,其尖端指向上游。巖層頂、底面之間的垂直距離是巖層的厚度,巖層出露寬度是其頂、底面出露線(xiàn)之間的水平距離。

3.1 掉塊機(jī)理特征

水平巖層隧道在開(kāi)挖并支護(hù)一段時(shí)間后,拱部圍巖失穩(wěn)坍塌的過(guò)程可概括為:隧道開(kāi)挖后,周邊臨空面巖體失去支撐并產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移,由于沉積巖互層,節(jié)理裂隙發(fā)育,層間黏結(jié)力弱,豎向不能承受或只能承受很小的拉應(yīng)力,因此在巖體壓力和自重作用下,層間節(jié)理逐漸張開(kāi),并產(chǎn)生破裂,從而使層狀巖層的各層之間處于離層狀態(tài),致使隧道拱部產(chǎn)生松動(dòng)和松弛;隨著時(shí)間的推移,節(jié)理之間的層狀巖層在應(yīng)力重分布作用下受到圍巖的壓力作用而發(fā)生斷裂,整個(gè)巖體沿原生和新生破裂面產(chǎn)生滑移、錯(cuò)動(dòng)、剪切變形,向隧道內(nèi)部擠進(jìn)而失穩(wěn)。

3.2 原因分析

通過(guò)對(duì)全線(xiàn)平層圍巖隧道未開(kāi)挖段落的分析以及對(duì)已開(kāi)挖段落的歸類(lèi)和總結(jié),經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)生坍塌和沒(méi)有坍塌的地段所對(duì)應(yīng)的不同地質(zhì)情況的大量、認(rèn)真研究,并結(jié)合洞外踏勘后,認(rèn)為本區(qū)隧道水平巖層砂巖相對(duì)較硬,而泥巖、頁(yè)巖巖質(zhì)相對(duì)較軟,軟硬不均,風(fēng)化差異較大,軟質(zhì)巖石易風(fēng)化,在垂直發(fā)育的兩組主要節(jié)理切割下容易失穩(wěn),繼而坍塌掉塊。

(1)地質(zhì)原因

①層理水平,傾角較小

本區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上主要表現(xiàn)為自中生代晚期開(kāi)始大面積的緩慢抬升為主。因此沿線(xiàn)隧道工程涉及的侏羅系、二疊系、三疊系、石炭系砂巖、頁(yè)巖、泥巖及其互層地層平緩,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°,這是拱部穩(wěn)定性較差的物質(zhì)因素。

②垂直節(jié)理,裂隙發(fā)育

本區(qū)巖體主要發(fā)育兩組構(gòu)造垂直節(jié)理,大致為東西向和南北向,東西向節(jié)理間距 0.5～1.5m,連通性較好,南北向較稀,間距 2～3m。這兩組節(jié)理對(duì)巖體切割,隧道開(kāi)挖下部臨空后應(yīng)力調(diào)整,當(dāng)節(jié)理密閉,結(jié)合緊密時(shí),應(yīng)力調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng),在隧道掌子面后方易產(chǎn)生塌方,當(dāng)節(jié)理微張或張開(kāi),節(jié)理結(jié)合較差時(shí),應(yīng)力調(diào)整時(shí)間短,往往在掌子面開(kāi)挖后很快出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

③巖層互層,軟硬相間

本區(qū)發(fā)育的巖層一般以砂巖夾頁(yè)巖、砂巖夾泥巖、泥巖夾砂巖、頁(yè)巖夾砂巖為主,泥巖及頁(yè)巖一般以砂質(zhì)為主,巖質(zhì)相對(duì)較軟,砂巖以鈣質(zhì)為主,巖質(zhì)相對(duì)較硬,巖性軟硬相間,巖體風(fēng)化不均,層間結(jié)合相對(duì)較差,是拱部坍塌的原因之一。

④偶有滲水,軟化圍巖

隧道洞身通過(guò)地層大部分地下水不發(fā)育,根據(jù)隧道開(kāi)挖揭示的實(shí)際情況,隧道內(nèi)地下水一般為點(diǎn)狀或面狀滲水,但這些少量的地下水致使圍巖層間或結(jié)構(gòu)面結(jié)合力降低,進(jìn)而影響拱部圍巖的穩(wěn)定。

⑤拱頂覆蓋的水平巖層厚度較薄

部分隧道拱部處在頁(yè)巖、泥巖中,層厚較薄,光面爆破效果很差,隧道拱部很難形成自然拱,在其上部較厚的黃土荷載壓力下,造成拱部局部坍塌。

⑥平層圍巖臨近斷層及其影響帶

個(gè)別隧道處于斷裂褶皺帶上,區(qū)域地質(zhì)比較復(fù)雜,拱頂局部坍塌地段距離斷層很近,最大距離不到 100m,受爆破振動(dòng)影響等不利因素,拱頂坍塌頻頻發(fā)生。

(2)其他原因

①設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

參照現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范,并類(lèi)比已建成和在建的相關(guān)工程,我國(guó)隧道Ⅲ級(jí)圍巖初期支護(hù),雙線(xiàn)以錨、噴、網(wǎng)為主,單線(xiàn)以噴、錨支護(hù)為主,具體參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況略做調(diào)整,但均沒(méi)有考慮設(shè)置鋼架,隧道抗坍塌能力較差。

②開(kāi)挖放炮振動(dòng)

由于Ⅲ級(jí)圍巖大都采用全斷面施工,一次裝藥量大,爆破振動(dòng)大,超欠挖普遍且嚴(yán)重,欠挖處應(yīng)力集中,巖石慢慢剝落。臨近掌子面噴射混凝土的早期強(qiáng)度,受爆破振動(dòng)影響大。

③施工工序不甚合理

施工工序拉的相對(duì)較長(zhǎng),仰拱和二襯均相對(duì)滯后,不能早日封閉成環(huán)參與受力,也是導(dǎo)致坍塌掉塊的原因之一。

4 建議處理方案

水平巖層開(kāi)挖后,一般邊墻的穩(wěn)定性較好,不易出現(xiàn)邊墻內(nèi)擠側(cè)移、變形侵限等情況,而拱部尤其是兩側(cè)拱腳超挖比較嚴(yán)重,受后續(xù)爆破振動(dòng)的影響,已經(jīng)支護(hù)的段落拱部容易出現(xiàn)掉塊,甚至坍塌現(xiàn)象,威脅作業(yè)人員的安全。

結(jié)合目前施工的整體水平,考慮結(jié)構(gòu)要求及確保施工和運(yùn)營(yíng)安全,建議根據(jù)隧道拱部水平圍巖不同的地質(zhì)情況采取針對(duì)性的處理措施。

4.1 Ⅲ級(jí)水平巖層初期支護(hù)加強(qiáng)

(1)中厚層 -厚層砂巖

隧道拱部圍巖為砂巖,中厚層 -厚層,節(jié)理較發(fā)育或不發(fā)育,呈大塊狀結(jié)構(gòu),巖體完整,圍巖穩(wěn)定性較好。基巖裂隙水不發(fā)育,或偶有滲水,可采用常規(guī)支護(hù)進(jìn)行。支護(hù)措施為:單線(xiàn)水平巖層隧道Ⅲ級(jí)圍巖初期支護(hù)為濕噴 C25混凝土 7cm,拱部局部設(shè)系統(tǒng)錨桿,長(zhǎng)2.0m,間距 1.2m×1.5m;雙線(xiàn)水平巖層隧道Ⅲ級(jí)圍巖初期支護(hù)為濕噴 C25混凝土 10cm,拱部噴混凝土中設(shè)置鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 25cm×25cm(下同),拱部設(shè)系統(tǒng)錨桿,長(zhǎng) 2.5m,間距 1.2m×1.5m呈梅花形布置。

(2)中厚層砂巖、砂巖夾頁(yè)巖(泥巖)

隧道拱部圍巖為砂巖、砂巖夾頁(yè)巖(泥巖),砂巖與泥巖中厚層狀,節(jié)理較發(fā)育,巖體較完整,呈塊狀結(jié)構(gòu),邊墻穩(wěn)定,受節(jié)理切割拱部時(shí)有掉塊發(fā)生,高度一般小于 1m,基巖裂隙水不發(fā)育,局部濕潤(rùn)或偶有滲水,采用加強(qiáng)噴錨的支護(hù)措施。

單線(xiàn)隧道拱部錨桿增長(zhǎng)至 3m,間距 1.2m×1.5 m,適當(dāng)增加拱部噴層厚度,以不超過(guò) 15cm為宜,其強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C25,拱部噴混凝土中設(shè)置鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 25cm×25cm;雙線(xiàn)隧道拱部錨桿可增長(zhǎng)至4m,間距 1.2m×1.5m,適當(dāng)增加拱部噴層厚度,以不超過(guò) 18cm控制,拱部噴混凝土中設(shè)置鋼筋網(wǎng)。

(3)薄層砂巖、砂巖夾頁(yè)巖(泥巖)

隧道拱部圍巖為砂巖、砂巖夾頁(yè)巖(泥巖),薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻穩(wěn)定性較好,受節(jié)理切割拱部掉塊塌落嚴(yán)重,高度一般 1～3m,且掉塊塌落一般沒(méi)有預(yù)兆,發(fā)生突然?；鶐r裂隙水不發(fā)育,局部偶有滲水,這種情況采用拱部增設(shè)鋼架的措施加強(qiáng),鋼架的設(shè)置范圍可視情況而定,結(jié)合掌子面的地質(zhì)巖性分為 120°、150°和 180°。

單線(xiàn)隧道拱部設(shè)置鋼架,間距為 1.2～1.5m,設(shè)鋼架范圍噴射混凝土厚度與鋼架?chē)娖郊纯?一般不超過(guò) 15cm,邊墻噴射混凝土厚度不變。鋼架的斷面可以采用平面鋼架或三角鋼架,噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C25,拱部噴混凝土中設(shè)置鋼筋網(wǎng)。

雙線(xiàn)隧道拱部設(shè)置鋼架,間距為 1.2～1.5m,設(shè)鋼架范圍噴射混凝土厚度一般不超過(guò) 18cm,邊墻噴混凝土厚度不變。鋼架的斷面可以采用三角鋼架或四邊形格柵鋼架,噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C25,拱部設(shè)置鋼筋網(wǎng)。

(4)薄層有水砂巖、砂巖夾頁(yè)巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁(yè)巖互層

隧道拱部圍巖為砂巖、砂巖夾頁(yè)巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁(yè)巖互層,薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻由于軟巖有風(fēng)化現(xiàn)象,穩(wěn)定性相對(duì)較差,受節(jié)理切割拱部掉塊塌落嚴(yán)重,高度一般 2～4m,且掉塊塌落一般在開(kāi)挖后距離掌子面一定距離處,發(fā)生突然?；鶐r裂隙水較發(fā)育,局部有水,采用拱墻增設(shè)鋼架的措施予以加強(qiáng)。

單線(xiàn)隧道拱部錨桿增長(zhǎng)至 3m,間距 1.2m×1.5 m,梅花形布置。拱墻設(shè)置格柵鋼架,間距為 1.2～1.5 m,噴射混凝土厚度一般不超過(guò) 18cm。其強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C25,拱部設(shè)置 φ6mm鋼筋網(wǎng)。

雙線(xiàn)隧道拱墻設(shè)置格柵鋼架或 I16型鋼鋼架,間距為 1.2～1.5m,噴射混凝土厚度以與鋼架?chē)娖郊纯?一般不超過(guò) 20cm,其強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C25,拱部設(shè)置鋼筋網(wǎng)。

4.2 水平巖層圍巖級(jí)別的調(diào)整

如果水平巖層地段圍巖整體較差,軟弱夾層對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響突出定Ⅲ級(jí)圍巖,則應(yīng)調(diào)整為Ⅳ級(jí),按Ⅳ級(jí)圍巖的支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù),以保證安全。

5 建議施工方法

5.1 施工方法

(1)加強(qiáng)噴錨支護(hù)時(shí),建議采用全斷面開(kāi)挖,進(jìn)尺以不超過(guò) 2.5m為宜,及時(shí)施作初期支護(hù)。

(2)拱部增設(shè)鋼架時(shí),建議采用臺(tái)階法施作,臺(tái)階的高度應(yīng)根據(jù)鋼架的設(shè)置范圍而定,鋼架落腳處需設(shè)臺(tái)階,并擴(kuò)大拱腳,確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。

(3)拱墻增設(shè)鋼架時(shí),應(yīng)參照Ⅳ級(jí)圍巖的施工方法進(jìn)行,采用臺(tái)階法施作,確保安全。

5.2 注意事項(xiàng)

(1)優(yōu)化每循環(huán)進(jìn)尺,合理確定炮眼深度,采用短進(jìn)尺淺孔爆破,有效減少超挖。

(2)提高裝藥質(zhì)量和爆破技術(shù),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(shí)差不小于 50ms,避免爆破振動(dòng)波疊加,控制爆破振動(dòng)速度小于 50cm/s,減少對(duì)噴混凝土早期強(qiáng)度的影響。

(3)由于爆破后開(kāi)挖面的不平整,噴混凝土厚度的離散性非常大,必須進(jìn)行濕噴,確保噴層早期強(qiáng)度及厚度。

(4)嚴(yán)格錨桿施工,確保有效錨固長(zhǎng)度,必須設(shè)置墊板。

(5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(yán)格控制施工工序,仰拱距開(kāi)挖面距離應(yīng)控制在 50～60m,二次襯砌距開(kāi)挖面的距離控制在 120m以?xún)?nèi)。

(6)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,尤其是拱部圍巖巖層厚度的測(cè)試工作。

經(jīng)過(guò) 2008年 10月專(zhuān)家論證會(huì)的論證和施工實(shí)踐的檢驗(yàn),上述措施是合理和可行的,并取得了較好的效果。該設(shè)計(jì)理念在后續(xù)蘭渝線(xiàn)、蘭新二線(xiàn)、黃韓侯線(xiàn)等不同設(shè)計(jì)時(shí)速、不同跨度隧道設(shè)計(jì)中得到廣泛采用和推廣。

6 結(jié)語(yǔ)

Ⅲ級(jí)圍巖水平巖層拱部的穩(wěn)定性與地層巖性、施工工序和后續(xù)支護(hù)時(shí)間密切相關(guān)。解決該問(wèn)題,首先要弄清楚圍巖的巖性構(gòu)成及層理組成,然后采取針對(duì)性的措施,該加強(qiáng)支護(hù)的地段務(wù)必加強(qiáng)。施工中應(yīng)“快支護(hù)、快封閉”,“快支護(hù)”要求開(kāi)挖后及時(shí)封閉巖面,盡快施作初期支護(hù),防止暴露時(shí)間長(zhǎng),圍巖大幅松弛、松動(dòng);“快封閉”則要求支護(hù)結(jié)構(gòu)在最短的時(shí)間發(fā)揮最有效的作用,尤其是仰拱緊跟。

拱部掉塊、坍塌是水平巖層隧道經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題,尤其是Ⅲ級(jí)圍巖地段,該問(wèn)題尤為突出。雖然許多工程在建設(shè)過(guò)程中對(duì)該問(wèn)題作了一些研究,而且采用各種手段也都能解決所遇到的問(wèn)題,但是缺乏一個(gè)系統(tǒng)、完善處理類(lèi)似問(wèn)題的措施或指導(dǎo)意見(jiàn)。究其原因,一是設(shè)計(jì)階段受相關(guān)規(guī)范和常規(guī)理論的制約,加上不同巖層巖性的預(yù)測(cè)具有很大的不確定性,難以有針對(duì)性地采取措施,并考慮相應(yīng)的費(fèi)用;其次是施工初期,開(kāi)挖后圍巖能夠穩(wěn)定一段時(shí)間,易給施工人員造成假象,不能引起重視;第三是各個(gè)工程因地質(zhì)條件的差異性,巖層表現(xiàn)出不同的構(gòu)成和形式,且地下工程的隱蔽性,給現(xiàn)場(chǎng)處理造成一定的困難。因此,建議在今后的設(shè)計(jì)和施工中,應(yīng)系統(tǒng)分析巖層的特征,對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行研究,以便形成隧道勘察、設(shè)計(jì)、施工成套技術(shù),達(dá)到降低成本,減小施工風(fēng)險(xiǎn)的目的。

[1]TB10003— 2005,鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1998.

[3]鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)(隧道)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1995.