巖層產狀對公路隧道的影響分析

周 祥，陳人豪，唐國軍，李耀華

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西山區隧道巖性多為灰巖、砂泥巖等沉積巖。沉積巖的巖層產狀呈現復雜多變的形態，對隧道結構的穩定性及支護結構的力學反應具有較大的影響。關于隧道巖層產狀對隧道的影響，目前國內已做了一些研究，這些研究主要從宏觀上研究了巖層產狀與隧道開挖穩定性的關系及相應的施工應對措施，關于工程中常見的水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓作用較少涉及。在實際施工中，水平巖層的掉塊現象往往發生在圍巖整體穩定性較好的Ⅲ級圍巖段落，雖然開挖后圍巖穩定性好，但掉塊現象會造成施工人員心理壓力，不敢進一步施工。傾斜巖層對隧道結構的荷載作用與常規隧道明顯不同，傾斜巖層具有明顯的偏壓作用。本文結合工程經驗，分析了Ⅲ級圍巖水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓的機理，并提出了相應的處治對策。

1 Ⅲ級圍巖水平巖層掉塊機理

普氏理論假設隧道開挖后，松散圍巖能形成一個平衡拱，平衡拱以下的松散巖體將滑落作用在襯砌結構上，形成荷載。由于Ⅲ級圍巖通常具有一定的強度，其不完全為松散體，但Ⅲ級圍巖深埋段也能形成類似于平衡拱的承載體，承載體下的巖體將受到重力作用，并與上部承載體相互作用。在未受到支護時，整體性較好時Ⅲ級圍巖承載體下的巖層受力類似于梁，如圖1，爆破開挖后承載體下的巖層形成如圖所示的受力形態，其破裂段、懸臂段、雙向支撐段具有不同的力學反應，分析如下：

(1)破裂段的巖塊，除了受到自重作用外，還受到上層雙側支撐段巖塊下撓產生的壓力。巖塊重力作用將使得膠結面受拉，雙側支撐段下撓將使得膠結面受剪，因此膠結面的膠結性質直接關系到破裂段塊體的穩定性。

(2)懸臂段巖塊，膠結面膠結力較好時，上層雙側支撐與懸臂段形成疊合結構。膠結較差時，由于剪應力的作用，懸臂段和上部雙向支撐段之間分開，此時懸臂段除了受到自身重力外還受到上部雙側支撐段下撓造成的壓力。在下撓壓力和懸臂段自身重力作用下，將產生很大的彎矩、剪力，巖層厚度薄、強度低時，在薄弱點斷裂掉塊。

(3)雙側支撐段，層間膠結較好時，形成深梁傳力體系，其穩定性主要與巖體強度、支撐條件有關。層間膠結較差時，由于剪應力作用造成層間脫離，此時，雙側支撐段受到自身重力和下撓壓力，產生較大的彎矩、剪力，巖層厚度薄、強度低時，在薄弱點斷裂掉塊。

從以上分析可知，Ⅲ級圍巖的掉塊現象與爆破后的形態，巖層的強度、厚度、膠結面性質、支撐情況等因素有關，其本質為在各種不利應力下，巖體局部破壞。

圖1 水平巖層掉塊分析示意圖

2 傾斜巖層偏壓機理

隧道開挖過程是圍巖應力重新分布的過程，不同巖層產狀的圍巖應力調整過程不同。傾斜巖層開挖后，由于巖層界面之間膠結物的物理力學性質往往較差，傳力能力不如巖層，因此隧道開挖后圍巖的力學反應呈明顯的各向異性，由于圍巖力學反應的各向異性，圍巖形成的承載體的形態明顯不同，支護結構的荷載分布不同。為了進一步分析這種各向異性，分別選取傾角為0°、45°、75°、135°四種不同巖層產狀的工況，采用地層-結構法進行數值分析。

不同巖層產狀的圍巖位移形態見下頁圖2，從中可以明顯看出，隧道開挖后不同巖層傾角的圍巖的塌落范圍明顯不同，巖層傾斜時，巖體塌落范圍呈現偏壓形態。支護內力見下頁圖3，從中可以看出，巖層傾斜時支護結構的內力明顯偏壓。

從以上分析可知，傾斜巖層偏壓機理可總結為本質上就是傾斜巖層具有各向異性的力學反應性質，隧道開挖后，塌落范圍偏移，相應作用在支護上的荷載偏壓。

3 對策

水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓，需要從勘察、設計、施工、運營各個環節合理應對，其中勘察、設計、施工過程最為重要。針對Ⅲ級圍巖掉塊現象及傾斜巖層偏壓的對策可采取一些共通的、針對性的措施。

3.1 水平巖層掉塊及傾斜巖層偏壓的共通性對策

(1)勘察設計過程中，應考慮圍巖產狀對圍巖分級的影響，并據此修正圍巖BQ值。隧道勘察中應重視圍巖不同段落的產狀變化，并考慮其對圍巖分級造成的不利影響。

(2)設計過程中，重視超前、系統錨桿及鋼筋網的應用，結合圍巖修正情況，采取合適的超前、系統錨桿和鋼筋網，利于圍巖的整體性的形成，保護圍巖的自承載能力。

(a)傾角0°總位移

(b)傾角0°水平位移

(c)傾角45°總位移

(d)傾角45°水平位移

(e)傾角75°總位移

(f)傾角75°水平位移

(g)傾角135°總位移

(h)傾角135°水平位移

(a)傾角0°

(b)傾角45°

(c)傾角75°

(d)傾角135°

(3)施工過程中應重視監控量測及動態設計工作，重視巖層產狀的不利影響，根據監控量測結果，及時分析是否有必要調整支護參數。

3.2 水平巖層掉塊的對策

3.2.1 控制爆破

爆破影響范圍內，圍巖出現損傷，強度降低。采用控制爆破的方式，盡可能減小爆破振動的影響，保護圍巖的強度及界面的粘結力，避免產生破裂段、懸臂段。

3.2.2 清除破裂巖塊

隧道爆破完成后應先觀察未支護段拱頂圍巖的變化，對存在掉塊風險的地段應對破裂巖塊進行清除，盡可能采用機械進行遠距離清除，保障人員安全，無法判斷是否破裂塊體時，可考慮采用機械臂進行敲擊試探。

3.2.3 增設系統錨桿

水平巖層大范圍地掉塊時，除了普通系統錨桿外，宜增設傾斜錨桿。傾斜錨桿應超前于開挖面，根據掉塊的大小范圍合理設置其間距及外傾角。為了保障人員安全，傾斜錨桿施工時，施工人員應處于有支護的安全段落。

3.2.4 鋼筋網及噴混凝土

鋼筋網及噴混凝土能防止可能進一步產生的掉塊現象。鋼筋網及噴射混凝土能對圍巖產生抗力作用，約束破裂段的塊體，改善巖層的應力狀態，從而避免掉塊現象。鋼筋網及噴混凝土施工應配合使用，不宜僅采用素噴混凝土。

3.3 傾斜巖層的對策

3.3.1 加強圍巖的整體性

在施工過程中，可考慮通過超前錨桿、注漿小導管將巖塊之間串聯起來，增強巖層產狀之間的剪力傳遞能力，利于圍巖的整體性形成，從而改善傾斜巖層的各項異性，減小傾斜巖層的偏壓作用。

3.3.2 圍巖保護

施工過程中應注意圍巖保護，通過控制爆破、及時施工初期支護避免圍巖長時間裸露，避免巖體沿層面滑動及由此帶來的偏壓影響。

3.3.3 合理的施工工序

施工過程中根據圍巖情況采取合適的施工方法，控制施工步距，保障施工質量，減小開挖影響范圍，保護巖體的整體性，減小傾斜巖層偏壓作用。

3.3.4 加強支護

巖層偏壓作用明顯時，結合監控量測結果，可適當調整支護參數，優先考慮加強初期支護，必要時可考慮二襯配筋。

4 結語

(1)水平巖層存在掉塊現象，掉塊的范圍及程度受到巖石強度、膠結體、支撐條件等多種因素影響，施工中應做好光面爆破，及時施作初期支護。

(2)傾斜巖層對隧道支護會產生偏壓作用，其影響的大小與巖層的傾角、形態、膠結體、支撐條件等多種因素有關，施工過程中應采取加強圍巖整體性的措施，及時根據監控量測進行動態設計。

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