隧道水平薄層狀圍巖特性分析及施工技術

尹德仁

摘要：本文以昭瀘高速坪上隧道出口為工程背景，對水平薄分層狀圍巖的結構性質和破壞特征進行了定性分析，并結合實際施工中出現的問題進行研究總結，針對目前公路隧道的施工工藝，主要從優化爆破設計、調整支護參數角度，提出控制措施，從而指導施工現場，減少安全隱患，提高工程質量，降低施工成本。

關鍵詞：水平薄層狀圍巖;破壞特征;支護參數;控制措施

引言

隨著我國交通基礎建設的高速發展，山嶺隧道在高速公路和鐵路中所占的比重日益增大，而圍巖工程地質條件更是隧道工程的重中之重。層狀圍巖在隧道施工中較為常見，且一般穩定性較差，特別是水平薄層狀圍巖，自穩能力極差，自重及應力條件下易沿層理面發生滑動剪切破壞，且拱部易形成掉塊、剝落、坍塌現象，嚴重威脅隧道施工的安全，同時，拱部易產生平層，超欠挖及開挖輪廓難以控制，影響后續施工的質量、且加大施工成本。針對以上問題，我們以昭瀘高速坪上隧道出口為依托，通過分析水平薄層狀圍巖的變形和破壞特征，結合目前公路隧道的施工工藝提出一些控制措施，從而保證水平薄層狀圍巖隧道施工的安全和質量，提高施工效率，降低施工成本。

1 工程概況

坪上隧道起訖里程為左線ZK31+928-ZK37+904長5976m，右線K31+928-K37+918長5990m，左、右線間距30米，全隧圍巖破碎，節理裂隙發育，穿越了諸宗斷層，該斷層具有很好的富水性，有突涌水可能，兩處穿越煤層，煤層較厚共有7層，其中C1、C5層可采，其余層為局部可采，噸煤瓦斯含量6.02m3，瓦斯相對涌出量約0.61m3/min，屬高瓦斯隧道。為確保工期和加強通風排煙效果，在線路左側增設兩個斜井。隧道斷面為公拱高710cm，上半圓半徑為550cm的三心圓曲邊墻結構。目前隧道出口段右洞掌子面處于高瓦斯工區，巖性為宣威組的泥巖、炭質泥巖夾砂巖及煤層，巖層緩傾、節理發育，巖體完整性較差，多呈碎塊狀鑲嵌結構，水平薄分層，主要表現為砂、泥巖的平互層，屬于軟巖，為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。

2 水平薄層狀巖體的特性

2.1巖性及結構特征

水平層狀巖體是由單一的或不同特性的沉積巖交替構成的互層巖體，巖層呈水平狀，層面之間基本平行，傾角小于5～10°，薄層狀巖體一般層厚小于20～30cm，層理間常有輕微錯動及軟弱夾層，結合能力一般較差，由于層面的存在，具有明顯的非均勻性和各向異性。

2.2 變形及破壞形式

在隧道開挖施工以后，解除了部分圍巖的約束，打破了原來的應力平衡狀態，并在圍巖中出現應力重分布，進入到二次應力狀態。通常情況下，水平薄層狀巖體的夾層和軟弱結構面抗剪強度是很低的，加上層面粘結力很弱，當出現自重和應力集中的情況下，會對圍巖的結構面帶來影響，出現變形破壞等問題，比如拱部不穩定塊體的剪切滑移、碎裂松動、張裂墜落和朝洞內的彎曲折斷破壞。泥巖砂巖屬于彈塑性巖石，內部含有豐富的粘土礦物，當洞室應力釋放以后，在這一過程中極易出現荷載膨脹的現象，并伴隨著少量水分向洞內轉移的情況，使圍巖膨脹、強度降低，發生變形破壞，甚至發生坍塌事故。因此，在施工過程中掉塊、剝落、坍塌都是極有可能發生的情況，就其破壞部位而言，主要位于拱部，特別拱腰以上部位，其次為底部。

3 水平薄層狀圍巖對施工產生的影響及分析

沉積巖沉積巖是在風化物質及碎屑等經搬運、沉積和成巖而形成的，使得巖體中各巖層的力學性質差異較大，又受水平層理面、夾層及其他裂隙的存在影響，最薄弱的層理面首先發生破壞，在爆破產生的能量與沖擊作用下，容易出現超欠挖的問題，這也與后期的排險工作有一定的關系。當拱頂巖體沿層理面剝落以后，會形成“平拱”如圖1所示;拱腰處輪廓線與巖層面斜交，爆破后破壞裂縫往往趨于垂直巖層面發展，形成臺階狀，如圖2所示。從而造成拱頂、拱腰多超挖，拱腳邊墻局部欠挖的現象。

大面積的超挖對圍巖擾動大，影響其整體的穩定性，且拱部產生平頂現象使隧道頂部以“梁”的結構形式承受上部荷載，局部易產生應力集中破壞，且在圍巖應力作用下，其巖體會發生彎折斷裂破壞，形成自然承載拱，從而達到應力平衡。此過程嚴重威脅施工人員安全，影響支護結構的受力。除此之外，超挖部分必須用初支混凝土回填密實，回填厚度過大則難以保證密實度和噴射混凝土質量，造成初支內存在空隙、空洞，對該煤層段而言，更是容易積聚瓦斯，產生各種質量和安全隱患。初支混凝土和開挖方量的增加，不僅導致原材料的浪費，還會增加出渣和噴射混凝土的作業時間，局部的欠挖還需要補炮或鑿除，造成誤工、窩工，降低施工效率，影響工期，大大增加了施工的直接成本和間接成本。

4 控制措施

4.1 開挖

根據水平薄層狀巖體的結構和破壞特性，拱頂開挖輪廓線與層理面基本平行，巖體內的軟弱層理面是爆破時巖石阻力最小的地方，類似于減小了周邊炮眼的最小抵抗線，爆破應力和高壓氣體沿層理面延伸，致其塌落。故應適當減小拱頂部位周邊眼密度，通常情況下應該將間距控制在45cm左右，周邊眼與內圈眼間距控制在50～60cm以內，而且要注意應該盡量的減少頂部周邊眼的炸藥用量，可以采用φ25小藥卷導爆索分段不耦合裝藥的方式，減少頂部圍巖擾動;拱腰部位為保證開挖輪廓，宜減小周邊眼間距，控制在40cm以內，同時減少裝藥用量;拱腳部位輪廓線與層理面趨于垂直，炮眼在豎直方向難以發生破壞，相對增加周邊眼密度，保證間距在40cm以內，同時適的增加藥量，保證爆破效果。

施工過程中，層狀巖體表現出各向異性，導致鉆桿鉆進時極易發生受力不平衡的問題，主要表現在鉆桿出現偏斜甚至彎曲，角度偏斜較大的情況下會對施工產生不利的影響。鉆前測量人員應該精確放樣，司鉆人員準確鉆眼，保證深度、角度準確無誤。裝藥時，清孔完畢后，嚴格按設計要求的位置、方式、用量進行裝藥，完畢后用炮泥進行堵塞，堵塞長度為30cm，從而充分發揮爆破效率。

4.2 支護襯砌

為保證施工安全和控制開挖質量，防止超挖和爆破后坍塌掉塊，必須做好超前支護施工技術，可以使用φ42超前注漿小導管保證支護剛度，提高巖體的整體性和自穩能力。或者在條件允許的前提下，也可以采用頂部φ42超前小導管，兩側采用φ42超前小導管和φ25超前錨桿交錯支護的方式。但是在施工過程中，要保證設計數量的合理性，同時在適當的范圍內可以減小拱頂超前小導管的間距，增加其密度，稍微增大兩側部位的間距，Ⅴ級圍巖拱頂可縮短至20～25cm，拱腰以下可調整至35～40cm;Ⅳ級圍巖拱頂可減少至40cm，拱腰以下增加至60cm。

初期支護應及時，水平薄層巖體在爆破后易破壞變形，同時施工過程中遇到砂、泥巖也會出現易風化、剝落、掉塊的問題。為了保證施工過程的安全，在隧道爆破開挖后，首先要嚴格遵循先噴后錨的施工原則。具體來說就是先初噴約4cm厚的混凝土封閉巖面，尤其要注意拱部。系統錨桿設計采用φ25中空錨桿和φ22砂漿錨桿，由于水平薄層狀圍巖拱部易產生彎曲折斷破壞，相對而言拱腳和邊墻較為穩定，保證設計數量情況下，在合理的范圍內增加拱部系統錨桿的數量或長度，合理減小拱腳和邊墻處錨桿的參數。另外，還需要注意的是系統錨桿要全長錨固，提前設置好墊板，拱部盡量垂直于層理面方向進行施作，其他部位沿輪廓法線方向，更有效的發揮系統錨桿的懸吊加固作用。

型鋼鋼架在加工時的幫焊連接及單元之間連接板嚴禁在拱頂，盡量少的出現在拱部，同時根據實際情況保留預留變形量，鋼架的徑向定位筋拱部每單元至少設置2處，每根不少于80cm。同時嚴格按照施工設計要求施做鎖腳小導管，可以采用φ42注漿小導管，在位于拱腰和拱腳以上50cm范圍內緊貼鋼架通過固定筋牢固焊接于兩側設置，向下傾角可增加至20～30°。噴射混凝土時，保證鋼架間飽滿平順，鋼架、鋼筋網與圍巖之間充填密實，不留空隙，尤其拱部，保證支護結構有效約束圍巖變形，防止松動壓力的形成。

仰拱應及時跟進，穩定底板，且一次性開挖不宜過長，仰拱保證安全步距，配合監控量測，待初支穩定后盡早封閉。

4.3 監測預報

加強監控量測工作，初支完成后，按要求埋設沉降觀測標，拱部沉降明顯大于水平收斂，根據實際情況增加段落或局部的埋設密度，并提高觀測頻率，再根據獲取的信息合理的調整施工參數和預留變形量，如有異常，立刻采取措施。

水平薄層狀圍巖沿掌子面方向一般沒有較大變化，但是其巖體層理分布、厚度都并不一致，且砂巖、泥質砂巖、泥巖及煤層的互層交替出現，且伴隨各種不均勻的夾層，故施工前使用地質雷達進行超前預報工作及打設超前探孔，即便發現問題也可以隨時調整和完善施工方案，保證施工過程的安全性。

5結束語

（1）隧道開挖過程中，水平薄層狀圍巖的破壞和變形受其結構面影響，拱頂易發生碎裂松動、彎曲折斷破壞，拱腰易出現滑移塌落，從而產生掉塊、坍塌、平頂現象，需加強防范;

（2）初支完成后，主要形變為拱頂的沉降，加強監控量測。

（3）施工工程中，減少對拱部圍巖的擾動，縮短進尺，及時支護，且加強拱部支護的剛度及強度。

（4）加強超前導管、系統錨桿和鎖腳導管施工質量控制，噴射混凝土要保持均勻密實。

參考文獻：

[1]中交第一公路工程局有限公司. 公路隧道施工技術規范[M]. 人民交通出版社， 2009.

[2]中交第一公路工程局有限公司. 公路隧道施工技術細則[M]. 人民交通出版社， 2009.

[3]龔書賢. 層狀圍巖隧道力學特性及穩定性研究[D]. 重慶大學， 2011.

[4]郝興剛. 水平成層砂泥巖隧道支護技術[J]. 城市建設理論研究：電子版， 2012（8）.

[5]馮桂紅. 水平層狀圍巖光面爆破施工技術[J]. 科技創新導報， 2014（13）：106-107.