關于川東紅層近水平巖層隧道選線與圍巖級別劃分的探討

盧愛民

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600）

1 區域概況

紅層是紅色陸相沉積為主的碎屑沉積巖層,巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖和頁巖等為主。

隨著經濟發展, 我國山區的鐵路建設項目數量正在快速增長,川東紅層近水平巖層地區的工程建設勢必日趨增加;漢巴南鐵路南充至巴中段位于川東丘陵區, 地貌以丘陵區為主,構造不發育,褶皺寬緩,巖層近乎水平,因此,山丘多呈桌狀頂,地層巖性成就了區內典型的地貌特征, 陡坎峭壁處以強度稍高的砂巖地層為主,平緩地形多為泥巖、粉砂巖地層[1],見圖1。

圖1 典型地貌照片

川東紅層基本為靜水海相沉積而成[2],粉砂巖泥質膠結物含量相對較高,膠結性差,巖石屬于軟質巖類別,水穩性差,易風化、崩解,工程地質性能相對較差,巖體易風化、崩解的主要原因為巖土體中的可溶成份在水的作用下,容易發生溶解等化學穩定性問題。砂巖泥質膠結物含量少,鈣質膠結物含量較高,雖屬軟質巖類,但其水穩性、抗風化能力稍強,工程性質相對較好。四川盆地內從山地邊緣向盆地中心,巖性由粗粒向細粒轉變,由于沉積條件逐漸發生變化,盆地中部的紅層產狀平緩,受構造影響輕微,巖體較完整,但陡坎出露部位,軟硬巖層差異風化明顯,常在工程中引起邊坡的崩塌破壞[3],隧道工程多遇軟硬互層圍巖,支護措施不當,或出現浪費,或工程安全質量受到影響。

2 選線問題探討

基于區內典型的巖性分布特征,隧道工程早進晚出可避免崩塌、危巖落石的影響,但隧道洞身穿越粉砂巖、泥巖地層,圍巖較差,雖減少了崩塌、危巖落石的處理措施費用,但將增加圍巖支護措施費用,故選線時應做好工程、經濟比選,長大隧道應盡量晚進早出,接長明洞,在陡坎處入洞,將洞頂置于圍巖條件較好的厚砂巖層中,大段落好的圍巖地質條件直接有利于工程投資和施工安全,見圖2。

圖2 地質選線分析照片

3 坍塌、掉塊破壞機理探討

漢巴南鐵路隧道施工過程中,出現多次拱頂坍塌、掉塊現象,隧道邊墻穩定,結合隧道水平巖層變形破壞機制的模擬研究成果,巖體變形可分為三階段,即彎曲內鼓、拉裂和折斷塌落階段[4],發生坍塌、掉塊的原因為頂部巖體強度不足、軟硬不均、垂直節理存在、且層薄很難形成自然拱[5],分析認為設計施工過程中應重點對拱腰以上部分加固防護。

4 圍巖級別劃分探討

4.1 鐵路隧道圍巖級別劃分標準

《鐵路工程地質勘察規范》TB 10012-2019 規定,隧道圍巖分級應采用定性分析及定量分析相結合的方法綜合確定。定性分析是根據巖土體的巖性、完整程度及結構類型、巖石的堅硬程度、開挖后的穩定狀態確定分析；定量分析是根據巖體基本質量分級指標確定分析,隧道圍巖分級應先確定基本圍巖分級,再根據隧道地下水出水狀態、初始地應力狀態、主要結構面產狀狀態等因素進行修正。BQ=100+3Rc+250Kv；[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）。

當隧道基巖出露較好,通過大量調查分析獲得巖體完整程度,且鉆探與物探判釋成果能夠相互印證時,以定性分析為主。當二者分析結果差異較大時,則應進行補充勘察工作。隧道圍巖分級的修正與地下水,應力狀態及主要軟弱結構面產狀有關,同樣須采用定性分析與定量分析相結合的方式綜合考慮,當采用定性分析為主的方法確定圍巖基本分級時,圍巖分級修正采用定性方法修正為主,反之則采用定量修正方法為主[6]。

4.2 實際開挖圍巖等級劃分探討

4.2.1 隧道圍巖組別現場劃分標準

沿線粉砂巖飽和抗壓強度在8～18MPa,屬軟巖、較軟巖,層厚一般屬薄層,節理一般不發育,綜合評價圍巖呈薄層狀結構,巖體較破碎范疇,圍巖基本分級應為Ⅳ級；砂巖飽和抗壓強度在18～30MPa,屬較軟巖,層厚一般0.5～3m,節理一般不發育,綜合評價屬中厚～巨厚層狀構造,巖體較完整～完整范疇,圍巖整體呈厚層、巨厚層狀結構,圍巖基本分級應為Ⅲ級,區內圍巖基本不受地下水、高地應力,不利結構面等影響。

依據現行標準,隧道圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級為主,由于巖層互層狀分布,隧道圍巖存在Ⅲ、Ⅳ級共存問題,在設計階段通常將巖級別劃為Ⅳ級[7]。

4.2.2 開挖揭示圍巖分級劃分探討

規范中未把圍巖的巖性組合關系作為圍巖劃分的標準,結合區內地質情況,巖性是川東盆中地區圍巖級別劃分的主要控制因子,互層存在的圍巖對隧道設計、工程投資影響較大,在規范中并未對圍巖巖性組合做詳細闡述,實際施工中圍巖巖性在洞周的分布特征直接影響圍巖分級。施工中常見的幾種圍巖巖性組合關系見表1 常見圍巖粉砂巖控制圍巖級別結構組合關系表。

表1 常見圍巖粉砂巖控制圍巖級別結構組合關系表

粉砂巖天然抗壓強度在15MPa 以上,結合區內巖層呈近水平狀分布,分析認為粉砂巖在頂部分布時（序號1、4）可判定圍巖級別為Ⅳ級,其他組合分布情況,可判定圍巖級別為Ⅲ級。另外,在砂巖局部呈薄層狀,結合現場開挖揭示,認為薄層狀砂巖位于上部及拱頂時,可判定圍巖級別為Ⅳ級,詳見表2 常見圍巖薄層狀砂巖控制圍巖級別結構組合關系表。

表2 常見圍巖薄層狀砂巖控制圍巖級別結構組合關系表

超前支護、初期支護應以防止頂部粉砂巖、薄層狀砂巖門框式塌方、成層脫落為主,為節約建設投資,建議區內水平巖層互層分布的地層在施工中動態設計,考慮工程節約、低碳要求,防止塌方的初支措施應重點防護拱腰以上的巖層,必要時配置鋼架,鋼架鎖腳鎖入拱腰巖層即可,具體結合計算確定。

4.2.3 開挖工法探討

經全線調查分析認為,掌子面不存在涌出的可能,整體穩定,Ⅲ級圍巖滿足全斷面開挖條件,建議控制爆破,短進尺全斷面開挖；Ⅳ、Ⅴ級圍巖受拱部破碎巖體影響,建議臺階法開挖,臺階高度應與初支鋼架高度相配合,方便施工[8]。

5 總結及建議

川東紅層山丘頂多呈桌狀,地層巖性造就了其典型的地貌特征,陡坎峭壁處以強度稍高的砂巖地層為主,平緩地形多為泥巖、粉砂巖地層,選線時應注重工程、經濟比選,長大隧道應盡量晚進早出,接長明洞,在陡坎處入洞,將洞身置于圍巖條件較好的砂巖層。

拱頂存在坍塌、掉塊現象,隧道邊墻基本穩定,拱頂巖體完整程度和巖性直接影響著圍巖穩定程度,控制著圍巖級別。

圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級為主,由于巖層互層狀分布,隧道圍巖存在Ⅲ、Ⅳ級共存問題,超前支護、初期支護應以防止頂部粉砂巖、薄層狀砂巖門框式塌方、成層脫落為主。

掌子面不存在坍塌的可能,整體穩定,Ⅲ級圍巖滿足全斷面開挖條件,Ⅳ、Ⅴ級圍巖宜采用臺階法開挖。