鐵路隧道施工階段圍巖級別的劃分

張江衛(wèi)

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030000)

鐵路隧道施工階段圍巖級別的劃分

張江衛(wèi)

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030000)

由于工程地質(zhì)工作受到自然環(huán)境等因素影響的原因，在勘探階段，用以地面測繪資料為主做出的地質(zhì)預(yù)報(bào)來指導(dǎo)施工，其精度是不夠的。文章結(jié)合某鐵路隧道在施工階段結(jié)合圍巖級別的影響因素開展圍巖分級的研究，用以指導(dǎo)該隧道的設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)為類似工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

隧道； 圍巖； 級別； 劃分

由于工程地質(zhì)工作受到自然環(huán)境等因素影響的原因，在勘探階段，用以地面測繪資料為主做出的地質(zhì)預(yù)報(bào)來指導(dǎo)施工，其精度是不夠的。如美國科羅拉多州羅伯特隧道地面測繪確定的斷層和巖脈是隧道開挖中遇到的斷層和巖脈的1%～9%，即使是較大的斷層和巖脈，測繪確定的也僅是開挖遇到的12%～47%。在隧道施工中，不但要了解宏觀的地質(zhì)構(gòu)造，還要了解巖體的結(jié)構(gòu)以及地下水的發(fā)育情況等。

為此，文章結(jié)合張集線舊堡鐵路隧道對施工階段圍巖分級的影響因素和分級方法進(jìn)行了研究。

1 工程概況

舊堡隧道起訖里程DK25+270～DK34+855，全長9 585 m，是張集線最長的隧道和重點(diǎn)控制工程。隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，通過的主要地層巖性為古老的太古界變質(zhì)巖(麻粒巖、淺粒巖)，因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖漿活動強(qiáng)烈，隧道通過1條大斷裂(F3)和12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈。由于受多期構(gòu)造運(yùn)動的影響，圍巖完整性狀況遠(yuǎn)比鉆孔資料揭示的圍巖完整性狀況要差，再加上地下水的發(fā)育，多數(shù)地段隧道圍巖都比設(shè)計(jì)圍巖級別低，處于斷層破碎帶的圍巖條件更加惡化。進(jìn)口段為新黃土夾砂礫石，長度466 m，埋深7～18 m；其余地段為麻粒巖、磁鐵石英巖、淺粒巖，均為變質(zhì)巖，最大埋深約為493 m。設(shè)計(jì)階段圍巖基本分級Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級長度分別為2 770 m、4 115 m、1 785 m、915 m，Ⅱ、Ⅲ級圍巖占71.8%，見表1所示。

表1 設(shè)計(jì)階段隧道圍巖基本分級

為確保隧道施工安全和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，對受復(fù)雜多期構(gòu)造運(yùn)動影響的變質(zhì)巖隧道圍巖在施工階段必須根據(jù)實(shí)際揭露的圍巖特征和地下水發(fā)育情況、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行綜合分析，對圍巖級別進(jìn)行調(diào)整，并引入動態(tài)設(shè)計(jì)的理念，加強(qiáng)對施工過程的監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測信息，反饋隧道設(shè)計(jì)施工，以確保隧道安全施工。

2 隧道施工階段的圍巖分級

2.1 隧道施工階段圍巖分級影響因素

隧道圍巖等級的判定受多種因素的影響，主要有巖性、巖體結(jié)構(gòu)以及地下水巖層產(chǎn)狀與洞軸線的關(guān)系、地應(yīng)力等地質(zhì)方面的修正因素[1]。鑒于此，舊堡隧道進(jìn)行了施工階段的圍巖調(diào)整，主要原因有：

(1)舊堡隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，通過的主要地層巖性為古老的太古界變質(zhì)巖(麻粒巖、淺粒巖)，因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖漿活動強(qiáng)烈，隧道通過1條大斷裂(F3)和12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈。

(2)施工揭示地層普遍發(fā)育小斷層糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶、三組以上結(jié)構(gòu)面，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動力變質(zhì)礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物。在普遍發(fā)育的具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面充填物極易軟化流失，誘發(fā)圍巖變形失穩(wěn)。處于斷層構(gòu)造帶內(nèi)巖體極破碎松軟，斷層泥遇水具有膨脹性，地下水豐富，呈股狀水流出。

(3)由于隧道開挖擾動的影響，地下水的賦存和運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致圍巖條件惡化。因此，隧道開挖對圍巖的擾動是施工階段圍巖級別發(fā)生變化的重要因素。

2.2 施工階段圍巖分級方法

鐵路隧道由于其所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，初步設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確可靠地獲取分級中一些定量參數(shù)有困難。因此，圍巖級別的劃分可分為施工前圍巖級別的判定和施工階段圍巖級別的修正兩步進(jìn)行。通過施工前地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察，填寫施工前圍巖級別判定卡，對圍巖級別進(jìn)行初步劃分；施工階段再根據(jù)開挖圍巖地質(zhì)素描對圍巖分級進(jìn)一步校正和修正[2]。

舊堡隧道在多數(shù)地段施工時(shí)，在隧道開挖時(shí)巖面無水或少量滲水，7～21 d后初期支護(hù)噴射混凝土表面出現(xiàn)滲水或股水，壓力高，短期內(nèi)急速造成初期支護(hù)噴射混凝土開裂、崩落，鋼架扭曲大變形甚至銼斷。通過施工中不斷加深認(rèn)識，逐漸明確了構(gòu)造交匯區(qū)古老變質(zhì)巖巖體特征和地下水特征，地下水是造成隧道初期支護(hù)變形甚至坍塌的主要原因。因此在隧道施工階段應(yīng)根據(jù)開挖揭示的巖體特征及地下水賦存狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整圍巖級別和采取加強(qiáng)措施對保證施工安全是非常必要的。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](TB 1003-2005)中關(guān)于地下水影響的修正見表2所示。

表2 考慮地下水影響后的級別修正

根據(jù)表2可知：舊堡隧道地下水狀態(tài)的分級應(yīng)為Ⅲ級。對于Ⅱ級和Ⅲ圍巖，在地下水的影響下，圍巖級別只相應(yīng)地降低1個(gè)級別。這顯然與本隧道施工揭示的圍巖有明顯的差異。本隧道位于構(gòu)造交匯區(qū)，隧道巖體為碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部夾有糜粒巖泥質(zhì)膠結(jié)充填物，由于多次壓扭，巖體已變得細(xì)密隔水，導(dǎo)致舊堡隧道普遍發(fā)育承壓水。而現(xiàn)行的規(guī)范對高水壓條件下的圍巖如何修正未給出明確的說明，既然地下水的影響在鐵路隧道圍巖分級中所占的權(quán)重較大，對此類隧道在施工階段圍巖分級時(shí)應(yīng)一步調(diào)整到位。

2.3 圍巖級別實(shí)例分析

以DK28+665～DK29+160段為例，對施工階段圍巖級別的調(diào)整進(jìn)行分析。

舊堡隧道DK28+665～DK29+000段335 m范圍內(nèi)原設(shè)計(jì)為Ⅳ級圍巖，實(shí)際圍巖因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用，發(fā)育小斷層糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶、三組以上結(jié)構(gòu)面，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動力變質(zhì)礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物，圍巖自穩(wěn)性差。在普遍發(fā)育的具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面充填物極易軟化流失，誘發(fā)圍巖變形失穩(wěn)，在施工中連續(xù)發(fā)生大變形、鋼架變形扭斷、初支侵入限界。為了確保施工質(zhì)量和安全，該段全部變更為Ⅴ級圍巖，并采取了加強(qiáng)支護(hù)加強(qiáng)和加大預(yù)留變形量等措施。

舊堡隧道DK29+000～DK29+160段160 m設(shè)計(jì)為Ⅴ級圍巖，實(shí)際圍巖為斷層破碎帶及影響帶，巖體極破碎，呈角礫碎狀松散結(jié)構(gòu)，有少量構(gòu)造裂隙水，在裂隙水的作用下，巖體易軟化，圍巖自穩(wěn)能力差，洞身收斂變形大，收斂變形量最大達(dá)47.8 cm，平均每天變形量為28 mm，最大每天變形量達(dá)123 mm。在施工過程中連續(xù)長段落發(fā)生變形侵限，為了避免初支變形侵限，采取了加強(qiáng)支護(hù)和加大預(yù)留變形量等措施，鋼架由Ⅰ20b變?yōu)棰?2b，甚至變?yōu)棰?5b，在變形侵限段進(jìn)行了二次換拱。

為此，采用前述方法對圍巖進(jìn)行了調(diào)整，見表3。

表3 DK28+665～29+160段圍巖分級統(tǒng)計(jì)[5]

經(jīng)過調(diào)整以后，施工中極大的提高了安全保障，對施工進(jìn)度、質(zhì)量等都有很好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

(1)開展施工前和施工期兩階段的隧道圍巖分級是有必要的。

(2)對隧道施工階段的圍巖分級，除了應(yīng)考慮巖石的強(qiáng)度、巖體完整性等因素外，還應(yīng)綜合隧道所處的地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)考慮地下水的影響。

(3)舊堡隧道開挖初期無滲水，開挖擾動在隧道周圍形成一定范圍的松動區(qū)與塑性區(qū)，隔水層因強(qiáng)度破壞而斷裂，產(chǎn)生溝通含水層的新裂隙，導(dǎo)致地下水的賦存和運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致圍巖條件惡化。因此，隧道開挖對圍巖的擾動是施工階段圍巖級別發(fā)生變化的重要因素。

[1] 于麗，王明年，房敦敏，等.巖質(zhì)圍巖施工階段亞級分級的數(shù)量化理論研究[J].2009，30(12):3847-3850

[2] 王明年，何林生.建立公路隧道施工階段圍巖分級的思考[J].廣東公路交通.1998，(S1):125-127

[3] TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

張江衛(wèi)(1982～)，男，大學(xué)畢業(yè)，工程師，主要從事隧道工程建設(shè)和管理工作。

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