Ⅱ級(jí)圍巖薄板狀水平巖層隧道施工技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要：文章針對(duì)某隧道施工過程中水平巖層段在隧道開挖過程中出現(xiàn)的平拱、頂板變形過大、易坍塌等現(xiàn)象，對(duì)產(chǎn)生這些危害的原因及機(jī)理進(jìn)行了分析。根據(jù)分析結(jié)果，在施工過程中針對(duì)容易產(chǎn)生危害的區(qū)域，通過調(diào)整爆破參數(shù)和炮眼布置、加強(qiáng)初期支護(hù)措施等技術(shù)手段，確保隧道施工安全。對(duì)于水平巖層隧道，在控制頂板坍塌和變形方面，前期控制預(yù)防相對(duì)于后期被動(dòng)控制效果要好。

關(guān)鍵詞：Ⅱ級(jí)圍巖薄板；水平巖層隧道；薄板狀巖石；施工技術(shù)；隧道施工 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU74 文章編號(hào)：1009-2374（2015）03-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0220

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，鐵路建設(shè)也在如火如荼地大力跟進(jìn)，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)有力的運(yùn)輸保障。目前國內(nèi)關(guān)于水平巖層隧道的研究及施工技術(shù)報(bào)告也有不少，采用的研究方法也有多種，涉及水平巖層隧道控制的角度也各有不同。在理論研究方面，采用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)水平巖層隧道圍巖變形機(jī)理進(jìn)行研究，郝文廣認(rèn)為水平巖層上覆巖層存在組合梁結(jié)構(gòu)，在組合梁的彎曲下沉過程中，上位巖層的抗彎剛度大于下位巖層的抗彎剛度時(shí)，離層將會(huì)產(chǎn)生。閆永杰等人通過研究提出了水平層狀圍巖在隧道頂板薄弱帶附近由于不同步彎曲形成離層，隧道開挖后拱頂容易失穩(wěn)坍塌。

在現(xiàn)場實(shí)際施工技術(shù)方面，楊堅(jiān)從水平巖層的多種指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，包括巖石的力學(xué)強(qiáng)度、風(fēng)化程度、節(jié)理、層厚、水文等，最后對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，以確定相應(yīng)的施工方法。在水平巖層控制爆破方面，張運(yùn)良等人通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了水平巖層隧道光面爆破周邊眼的內(nèi)移量、合理的線裝藥密度等參數(shù)，保證了光面爆破效果。方俊波等薄水平圍巖中，破碎帶附近采用隧道拱肩處加密炮眼，利用空孔導(dǎo)向來控制拱肩處斷面成型等技術(shù)，保證光面爆破效果。

1 工程概況

承建的某隧道進(jìn)口端工程中，累計(jì)有11.33km的正洞地質(zhì)設(shè)計(jì)為Ⅱ級(jí)圍巖，Ⅱ級(jí)圍巖地段隧道埋深大，地應(yīng)力偏高，局部地段存在不同程度的巖爆現(xiàn)象，地下水普遍發(fā)育。Ⅱ級(jí)圍巖地段基本上都處于水平薄板狀灰?guī)r中，局部夾泥質(zhì)頁巖，竹葉狀灰?guī)r，層狀、塊石狀結(jié)構(gòu)地質(zhì)。局部地段處于泥、灰?guī)r互層，節(jié)理發(fā)育，泥質(zhì)（黃色流塑狀）填充，泥包石狀，地下水發(fā)育，呈現(xiàn)出股狀涌水，圍巖節(jié)理面有錯(cuò)動(dòng)跡象的斷層中。受以上水文地質(zhì)因素影響，該段圍巖成拱能力極差，爆破開挖后迅速剝落，呈片狀坍塌，致使隧道開挖實(shí)際輪廓形成平拱或者尖頂狀，施工中時(shí)有險(xiǎn)情出現(xiàn)，實(shí)為安全生產(chǎn)中的一大隱患。

2 薄板狀水平巖層的破壞機(jī)理分析

正如上述諸多研究成果所述，隧道在開挖實(shí)施爆破開挖過程中是圍巖應(yīng)力重新分布的過程，拱部圍巖由原來的三軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S狀態(tài)，拱頂層狀巖層很容易沿著每層巖石的分界面發(fā)生分離，其主要原因可歸納為拱頂薄狀層狀巖層，頂板以梁（或板）的形式支撐著上覆巖體的重力作用，保持著應(yīng)力場的平衡，此時(shí)覆巖的力學(xué)結(jié)構(gòu)屬于典型的梁（或板）式平衡結(jié)構(gòu)。當(dāng)爆破開挖跨度達(dá)到上覆巖層的極限長度后，層狀巖梁在上部荷載和兩側(cè)水平應(yīng)力及爆破振動(dòng)荷載的作用下，發(fā)生斷裂、離層，當(dāng)頂板巖層經(jīng)歷過一次斷裂后，該層巖梁應(yīng)力即轉(zhuǎn)化為兩側(cè)，同時(shí)，在該巖層上方的巖層又轉(zhuǎn)換為梁板結(jié)構(gòu)，重復(fù)發(fā)生斷裂、破壞，直至形成壓力拱，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡。

在薄板狀層狀巖石圍巖隧道中，由于巖層屬于薄板狀，薄板狀截面相對(duì)于中性軸z方向的慣性距較小，梁發(fā)生彎曲致使其層面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力較大，因此，同樣的巖性層狀圍巖，薄板狀巖石更容易發(fā)生剪切斷裂

破壞。

3 施工控制技術(shù)重點(diǎn)

3.1 施工總體原則

根據(jù)隧道圍巖的特點(diǎn)，主要在開挖和初期支護(hù)兩個(gè)階段進(jìn)行控制：（1）在隧道進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)過程中，完善爆破參數(shù)，在容易出現(xiàn)坍塌、超挖部位增設(shè)空孔，利用空孔的導(dǎo)向作用，提高隧道輪廓線的成形效果；（2）設(shè)計(jì)單位提出原則性的支護(hù)加強(qiáng)措施：“風(fēng)險(xiǎn)因素及對(duì)策措施：隧道內(nèi)大部分地層呈寬緩波狀起伏，圍巖接近水平，且?guī)r層呈薄至中厚層狀，成拱性差，施工中加強(qiáng)爆破控制，適當(dāng)加長拱部系統(tǒng)錨桿，加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)采用注漿預(yù)加固等措施，保證隧道拱部開挖的穩(wěn)定性和安全性?！?/p>

3.2 具體技術(shù)措施

3.2.1 調(diào)整隧道光面爆破參數(shù)。水平巖層的節(jié)理面對(duì)于爆破的抵抗能力有限，尤其是薄板狀巖層，巖石的層理分布相對(duì)更加密集、裂隙更加發(fā)育，因此，在采用爆破開挖過程中極易出現(xiàn)超挖、坍塌等現(xiàn)象。施工過程中主要通過以下措施提高和保證隧道光面爆破效果，保證隧道施工安全：（1）通過增加周邊眼與隧道輪廓線水平巖層之間的距離，這樣可以降低由于周邊眼爆破作用對(duì)輪廓線外水平巖層的拉伸破壞，降低隧道爆破超挖尺寸；（2）在起拱線以上部位增加空孔，利用空孔引導(dǎo)形成爆破輪廓線的形成，降低水平巖層的超挖量。

3.2.2 加強(qiáng)支護(hù)。按照不良地質(zhì)段采取“寧強(qiáng)勿弱”的施工原則以及各方現(xiàn)場施工指導(dǎo)意見，實(shí)際施工中本著“消除隱患，安全第一”的原則，對(duì)隧道支護(hù)采取了有效的加強(qiáng)措施——增設(shè)鋼筋網(wǎng)片和錨桿并加厚噴層（原設(shè)計(jì)沒有鋼筋網(wǎng)片，錨桿也為局部設(shè)置），并在施工中加強(qiáng)圍巖量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。具體參數(shù)為：增設(shè)Φ25CD反循環(huán)錨桿，間距1.0×1.0m，L=3.0m，Φ8鋼筋網(wǎng)，間距20×20cm，布設(shè)角度為拱部150°范圍內(nèi)。

3.3 有益效果

通過采用以上主要技術(shù)措施以后，隧道內(nèi)的超挖現(xiàn)象得到了明顯改善，光面爆破效果得到提高，圍巖的自穩(wěn)能力得到提升，同時(shí)由于超挖現(xiàn)象得到改善，回填混凝土量得到有效控制，隧道施工成本降低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。在爆破開挖拱頂易坍塌地段，由于采用了加強(qiáng)支護(hù)措施，有效控制了隧道內(nèi)坍塌事故的發(fā)生，施工安全得以保證，同時(shí)由于暴露圍巖的變形及位移得到控制，提高了圍巖的整體性，有效發(fā)揮了圍巖自身的自穩(wěn)能力，取得了提高圍巖自身穩(wěn)定能力和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

4 結(jié)語

通過對(duì)Ⅱ級(jí)薄板狀水平圍巖隧道施工過程中拱頂出現(xiàn)平拱、局部坍塌等問題產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析，并采取了針對(duì)性的技術(shù)措施，達(dá)到了較好的施工效果。形成了以下主要心得和結(jié)論：（1）薄板狀水平圍巖相對(duì)于層厚較大的水平圍巖，拱頂更容易發(fā)生離層和變形，也更容易形成平拱，隧道超挖更不易于控制；（2）在水平巖層隧道爆破施工過程中，通過增加周邊眼與隧道輪廓線水平巖層之間的距離，在起拱線以上部位增加空孔等技術(shù)措施，可有效提高隧道光面爆破效果；（3）在容易產(chǎn)生拱定坍塌區(qū)域，通過采用加強(qiáng)支護(hù)措施，可有效控制坍塌范圍的發(fā)展，改善隧道受力條件，提高隧道自穩(wěn)能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝文廣.水平巖層隧道圍巖變形機(jī)理研究與有限元分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2013，（6）.

[2] 閆永杰，翁其能，吳秉其.水平層狀圍巖隧道頂板圍巖變形特征及機(jī)理分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（30）.

[3] 楊堅(jiān).隧道Ⅲ級(jí)圍巖水平巖層穩(wěn)定性及施工方法研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2010，（3）.

作者簡介：馬龍（1979-），男，四川南充人，供職于中鐵九局集團(tuán)有限公司，中級(jí)職稱，研究方向：黃土隧道沉降

控制。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）