薄板狀水平巖層隧道施工中應(yīng)采取的相應(yīng)措施

 

　　在公路隧道施工作業(yè)中，薄板狀水平巖層是經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，在隧道開挖過程中，經(jīng)常出現(xiàn)拱頂大面積平頂、落石、塌頂?shù)痊F(xiàn)象，不但直接影響隧道的爆破效果，還會(huì)影響裸洞的圍巖穩(wěn)定性，增加初期支護(hù)噴射混凝土的使用量，導(dǎo)致施工成本不可控。雖然光面爆破、預(yù)裂爆破等控制爆破技術(shù)日益成熟，且已成為山嶺隧道開挖爆破的常規(guī)方法，但受鉆爆人員技術(shù)水平參差不齊，以及施工管理水平高低等其他因素影響，在薄板狀水平巖層公路隧道開挖施工時(shí)易造成拱頂落石、片幫、崩塌等現(xiàn)象，給施工安全帶來極大的隱患和困難。另外在薄板狀水平巖層中，巖體通常都較為破碎，節(jié)理發(fā)育，粘著性差，完整程度不高，圍巖穩(wěn)定性較差。由此，對(duì)薄板狀水平巖層隧道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析，預(yù)先考慮及采取防止圍巖失穩(wěn)垮塌的措施，對(duì)薄板狀水平巖層隧道的安全施工以及成本控制等有著較大的積極意義。 

 

 

　　瓦店子隧道在重慶萬州區(qū)境內(nèi)， 隧道左線起訖樁號(hào)：ZK10+990～ZK14+246，長3256m；右線起訖樁號(hào)：K11+000～K14+280，長3280m，單線合計(jì)長度6536m。瓦店子隧道進(jìn)口前線路跨越長江，隧址區(qū)屬丘陵地貌，隧道地表高程在260～575m之間。洞身段屬丘陵地貌區(qū)，高程575～347m，相對(duì)高差228m。出口段位于槽谷山脊斜坡，高程265～320m，相對(duì)高差55m，斜坡坡度8～56°。沿線地形起伏較大，屬中低山地貌。 

　　隧道位于萬州區(qū)向斜近軸部，為單斜構(gòu)造。巖層產(chǎn)狀340°∠4～8°，產(chǎn)狀穩(wěn)定構(gòu)造簡單。穿越地層主要為侏羅系上統(tǒng)上遂寧組砂巖、泥巖，圍巖巖性主要為泥巖、砂巖為主。地層為水平巖層或近水平巖層，呈層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力較差，地下水以基巖裂隙水為主，空間分布不均，整體水量較小。 

 

 

　　瓦店子隧道主要是以薄層～中厚層水平巖層或近水平巖層為主，巖層傾角較緩（4°～8°） 。 

 

　　1.具有軟硬相間，軟硬層性質(zhì)差異大的特點(diǎn)，泥巖巖質(zhì)相對(duì)較軟，砂巖以鈣質(zhì)為主，巖質(zhì)相對(duì)較硬，巖性軟硬相間，巖體風(fēng)化不均，層間結(jié)合相對(duì)較差，開挖后圍巖應(yīng)力調(diào)整時(shí)間較長，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，特別砂巖層厚較薄及泥巖遇水時(shí)，巖層更容易軟化失穩(wěn)。 

 

　　2.泥巖和泥質(zhì)砂巖均屬于彈塑性軟質(zhì)巖，巖體中含有大量的粘土礦物，隧道洞室開挖后，改變了巖體的應(yīng)力條件，在應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生卸荷膨脹，使圍巖變形破壞，主要表現(xiàn)為軟質(zhì)圍巖的膨脹，此外，洞壁應(yīng)力降低區(qū)的形成促使少量水分從高應(yīng)力區(qū)向洞壁轉(zhuǎn)移，洞壁巖體中的粘土等親水礦物吸水也是圍巖膨脹的主要原因，造成洞室頂部軟質(zhì)圍巖的軟化以及夾層的泥化，在重力作用下易發(fā)生失穩(wěn)。 

 

　　3.巖層厚度較薄，層理間有軟弱夾層，在開挖爆破時(shí)易造成拱部圍巖的牽動(dòng)，層理間擴(kuò)展發(fā)育，繼而引起巖層松動(dòng)和脫落，不合理的爆破作業(yè)更加劇了這一情況發(fā)生的可能性，周圍的這些巖塊或巖塊系統(tǒng)會(huì)有向開挖臨空面發(fā)生運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，若沒有得到及時(shí)有效地支護(hù)，勢(shì)必導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。 

 

　　對(duì)于層狀分布圍巖隧道而言，薄板狀水平巖層最不利于隧道開挖圍巖的穩(wěn)定，而且隧道斷面凈空高、跨度大，薄板狀水平巖層對(duì)隧道（ 特別是拱頂） 的穩(wěn)定性影響更加突出，往往對(duì)隧道的開挖質(zhì)量和支護(hù)安全造成很大的危害。 

 

　　3.1 爆破開挖對(duì)薄層狀水平巖層穩(wěn)定性影響分析 

 

　　隧道開挖前，圍巖一般處于三軸受力平衡的應(yīng)力狀態(tài)，由于隧道埋深的影響，地層存在較高的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)面一般緊密閉合，隧道在實(shí)施爆破開挖過程中，其實(shí)就是隧道圍巖應(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�維狀態(tài)。在爆破振動(dòng)下，拱頂層狀巖層很容易沿著每層巖石的分界面發(fā)生分離，首先是被爆破破壞的層狀圍巖開始承載頂部巖體的重力作用，當(dāng)爆破開挖跨度達(dá)到上層覆蓋巖層的極限寬度后，層狀巖層在上部荷載和兩側(cè)水平應(yīng)力及爆破振動(dòng)荷載的作用下，由于層狀巖體結(jié)構(gòu)已被破壞，整體受力效果較差，則會(huì)發(fā)生斷裂、離層、脫落，并且重復(fù)斷裂、脫落，直至拱頂形成受力穩(wěn)定的三角受力結(jié)構(gòu)或?qū)雍褫^大、受力較好的巖層，形成壓力拱。爆破開挖后，應(yīng)力在空間范圍內(nèi)重新分布，隧道周圍的巖體有向隧道臨空面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，基于水平巖層這種特殊的水平層理構(gòu)造，拱頂巖層在受到自身重力及其上方傳下來的應(yīng)力共同作用的條件下，巖體將會(huì)被擠出，從而向隧道臨空面產(chǎn)生位移，出現(xiàn)鼓脹、破裂、折斷而脫落，隧道底部層狀圍巖在外部應(yīng)力的作用下，也可能向上方運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)隧底鼓脹的情況，進(jìn)而導(dǎo)致兩邊墻底腳圍巖失去水平約束，造成隧道整體圍巖的失穩(wěn)破壞。在薄板狀水平巖層隧道施工過程中，隧道爆破開挖后，開挖輪廓圓效果較好，但在1～2h后，拱頂巖石逐漸剝落、掉快，整體隧道輪廓凸凹不平，甚至最終形成矩形拱，其實(shí)就是一個(gè)薄板狀水平巖層應(yīng)力逐漸釋放的過程。由于巖層屬于薄板狀，薄板狀截面相對(duì)于中性軸z方向的慣性矩較小，受力覆蓋層巖層發(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。 

 

　　3.2 水對(duì)薄板狀水平巖層穩(wěn)定性影響分析 

 

　　隧道爆破開挖后，巖層中富含水分的平衡體系被打破，水受力平衡體系也隨圍巖應(yīng)力重新分布而重新調(diào)整，在巖層受力向隧道臨空應(yīng)力集中方向，巖層中富含水分也向隧道臨空方向移動(dòng)，爆破加劇了圍巖裂隙發(fā)育，方便了圍巖裂隙水向隧道內(nèi)部流動(dòng)，同時(shí)潤滑巖層間結(jié)構(gòu)面，使圍巖的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面結(jié)合力降低，對(duì)于軟質(zhì)或軟硬相間的泥砂互層巖體，在裂隙水的浸泡、侵蝕作用下產(chǎn)生軟化，泥巖軟化后自動(dòng)脫落，砂巖則會(huì)在泥巖脫落后懸空，在各種應(yīng)力集中作用下開始斷裂而脫落、坍塌。

 

　　3.3 其它地質(zhì)構(gòu)造對(duì)薄板狀水平巖層穩(wěn)定性影響分析 

 

　　在隧道施工中，由結(jié)構(gòu)面（如斷層、節(jié)理、層理、片理等裂隙）和開挖臨空面把隧道通過區(qū)的巖石切割成不同形狀巖體。在節(jié)理裂隙的影響下，頂部圍巖容易發(fā)生斷裂，形成矩形的情況時(shí)有發(fā)生，破壞了圍巖自然拱的受力狀態(tài)，進(jìn)而使圍巖開挖后的變形速度加快，自穩(wěn)能力減弱，在適當(dāng)?shù)膸r體結(jié)構(gòu)和力學(xué)條件下，巖體內(nèi)部的這些巖塊或巖塊系統(tǒng)會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致巖體整體失穩(wěn)，形成塌方。在層狀沉積巖中，由于特殊的成巖機(jī)理，層理作為一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)面，層理面由于存在片狀礦物和泥質(zhì)巖，層間結(jié)合力大大降低，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有很大的影響。對(duì)層狀巖石而言，巖層層間結(jié)合力差，由于節(jié)理和開挖臨空面的切割，極易形成不穩(wěn)定的體系。 

 

 

　　隧道開挖形成新的空洞后，破壞了巖體原有的相對(duì)平衡狀態(tài)，使隧道周圍部分巖體應(yīng)力重新分布，引起圍巖的變形、破壞和坍塌，為了及時(shí)有效地控制圍巖變形，防止坍塌，必須采用工程措施進(jìn)行支護(hù)。首先應(yīng)遵循“ 短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)，緊襯砌”的薄板狀水平巖層施工原則，根據(jù)新奧法的設(shè)計(jì)原理，隧道采用噴、錨、網(wǎng)及鋼拱架對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，即盡可能保持圍巖的原始狀態(tài)，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力，把隧道圍巖和各種支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)共同作用的承載體系，控制圍巖變形的發(fā)展，避免巖體塌方，防止過大的松弛壓力出現(xiàn)。錨桿在初期支護(hù)中有懸吊、結(jié)合梁、加固作用。噴射混凝土具有充填裂隙加固圍巖、封閉圍巖表面防止風(fēng)化、與圍巖組成共同承載結(jié)構(gòu)。針對(duì)瓦店子隧道拱部所遇到的不同巖性的水平層，支護(hù)要靈活采取錨、噴、網(wǎng)及鋼架組合成不同的支護(hù)形式。 

 

　　4.1 噴錨支護(hù)對(duì)薄板狀水平巖層的加固措施 

 

　　薄板狀水平巖層圍巖，其巖體一般以層狀結(jié)構(gòu)為主。錨桿防止大的“圍巖塊”松弛、脫落，噴射混凝土封閉開挖面，防止圍巖變形過大，以及防止因?yàn)閼?yīng)力釋放而形成的圍巖的移動(dòng)、彎曲、拉裂和折斷等現(xiàn)象形成的小塊圍巖的脫落。在瓦店子隧道薄板狀水平巖層的特定地質(zhì)條件下，給錨桿的施工帶來一定的困難。錨桿垂直于巖面效果最佳，但在隧道實(shí)際施工中由于采用臺(tái)架施工，隧道拱部范圍內(nèi)的錨桿多是順層錨入或和巖層面極小角度錨入，這樣以來，喪失了新奧法錨固圍巖的實(shí)際意義，因此，在支護(hù)時(shí)，拱部要加強(qiáng)錨桿的作用，采用改進(jìn)施工臺(tái)架，采用自進(jìn)式錨桿機(jī)施作，確保錨桿角度，以提高錨固力。 

 

　　4.2 格柵拱架對(duì)薄板狀水平巖層的加固措施 

 

　　拱部為薄板狀水平巖層時(shí)，拱頂圍巖受應(yīng)力較為集中，且拱頂部巖層層厚較薄，結(jié)構(gòu)受力效果差，結(jié)構(gòu)整體性弱，及時(shí)施作格柵拱架支護(hù)對(duì)圍巖加固能起到有效作用。上臺(tái)階格柵拱架采用三段連接，并且拱頂部位不能有接頭，接頭采用螺栓連接，每處連接接頭處施作兩根鎖腳錨桿，錨桿制作成“L”形狀，反扣接頭格柵拱架，并且兩根錨桿反扣對(duì)接焊接，焊接長度不少于規(guī)范要求，保證格柵拱架和鎖腳錨桿形成整體，達(dá)到整體受力效果。

 

　　4.3 部分工序進(jìn)行施工調(diào)整 

 

　　隧道施工過程中，為了減少施工工序，節(jié)約施工循環(huán)，大多會(huì)刻意省去初噴工序，未能及時(shí)初噴混凝土（3～4cm）封閉開挖圍巖面，失去了及時(shí)給圍巖提供支撐力以很好發(fā)揮圍巖自承力的時(shí)機(jī)，使圍巖產(chǎn)生了松弛變形�，F(xiàn)場(chǎng)施工中，一般在爆破開挖后進(jìn)行出渣作業(yè)，在出渣后進(jìn)行排險(xiǎn)、立架再施作錨桿，然后再進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)。這種錯(cuò)誤的施工工序，耽誤了初期支護(hù)發(fā)揮作用的時(shí)間，對(duì)于薄板狀水平薄層及中厚層砂巖及泥巖互層，由于結(jié)構(gòu)面的切割，會(huì)形成一些大的倒楔體、短柱狀危巖體，而薄層巖石會(huì)出現(xiàn)逐層的剝離，這些危巖體一般都是一個(gè)不穩(wěn)定的危巖體系，其中某些部位就是“危石”，支護(hù)住這些危石，就不會(huì)使這些巖體掉下來，所以在隧道施工中，開挖后及時(shí)初噴混凝土給開挖后暴露的圍巖以支護(hù)力是確保圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，爆破后把洞渣及時(shí)收攏，利用渣堆高度在渣堆上對(duì)掌子面進(jìn)行初噴混凝土施工，初噴厚度3～4cm。噴混凝土后，開挖輪廓對(duì)層狀巖石切割比較嚴(yán)重的拱腰部位，施工錨桿進(jìn)行局部支護(hù)，錨桿間距1～1.2m。然后出渣，進(jìn)行鋼架架設(shè)以及噴錨初期支護(hù)到設(shè)計(jì)厚度，這樣可以及時(shí)給圍巖提供支護(hù)力，嚴(yán)格遵循了新奧法的支護(hù)理論。 

 

　　4.4 避免拱頂過分“找頂” 

 

　　對(duì)于薄板狀水平巖層和松軟的破碎巖層，開挖后小塊圍巖體相互擠壓形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械排險(xiǎn)過程中“找頂”工作會(huì)破壞這種平衡，結(jié)果越拱頂排險(xiǎn)危石越多，如果不停地“找頂”將有“找”不完的危石。所以，開挖后應(yīng)禁止過分“找頂”，及時(shí)噴混凝土封閉圍巖，封鎖關(guān)鍵塊體，這才是支護(hù)的關(guān)鍵。噴射混凝土可以對(duì)巖石裂隙進(jìn)行封堵、填充、粘結(jié)和加固，提高巖體結(jié)構(gòu)面的結(jié)合力，對(duì)提高水平巖層的自承力有很大的作用。開挖后，避免過度找頂，及時(shí)噴混凝土封閉是圍護(hù)圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。 

 

　　4.5 優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)，減少爆破次生裂隙和振動(dòng)對(duì)圍巖的影響 

 

　　對(duì)于薄板狀水平巖層的圍巖為主的段落，由于層厚一般較薄，層間結(jié)合差，開挖爆破時(shí)容易產(chǎn)生爆破次生裂隙，形成對(duì)水平巖層的切割，降低了水平巖層的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行光面爆破，控制裝藥量，減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。 

 

　　1.優(yōu)化周邊眼間距及藥量，縮小拱部周邊眼的間距，拱部周邊眼的間距取30～40cm，周邊眼布孔盡量避開巖層層面裂隙。為了確保周邊眼的切割效果圓順，可在有裂隙的部位加導(dǎo)向孔。嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，隧道周邊眼的爆破機(jī)理是炸藥爆破成縫理論。周邊眼炸藥爆炸后在相鄰孔之間形成巖體裂隙，最理想的是在相鄰孔之間只形成爆破貫通裂隙而不破壞周圍巖體。 

 

　　2. 周邊眼可采用間隔孔裝藥的方式裝藥，中間空孔作為導(dǎo)向孔，減少周邊眼爆破對(duì)隧道周邊圍巖的破壞。

 

　　3. 對(duì)于薄層或圍巖比較破碎的地段，可采用周邊眼裝單股或雙股導(dǎo)爆索的裝藥方式，以降低周邊眼的裝藥量。 

 

 

　　1. 由于薄板狀水平巖層的破碎性、層理性強(qiáng)，在拱部開挖時(shí)易發(fā)生落石、片幫、崩塌現(xiàn)象，要特別注意施工安全，清除巖壁危石后，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)支頂，并注意觀測(cè)記錄。 

 

　　2. 薄板狀水平巖層隧道的開挖輪廓不易控制，圓順性較差、超欠挖現(xiàn)象普遍，在進(jìn)行支護(hù)和襯砌時(shí)，應(yīng)將背后空洞回填密實(shí)，實(shí)在困難時(shí)必須設(shè)置防落緩沖層。背后進(jìn)行充填壓漿，封閉空隙，提高整體固結(jié)程度。

 

　　3. 仰拱、二次襯砌要及時(shí)施作，二襯與掌子面要盡量靠近，不能因未超出信用評(píng)價(jià)安全距離步距就是安全的，只有進(jìn)行了襯砌安全性才會(huì)更高。 

 

　　4. 加強(qiáng)施工中的圍巖收斂、沉降觀測(cè)，特別是拱頂下沉，要以拱頂下沉為主，以收斂為輔，及時(shí)反饋信息，同時(shí)加強(qiáng)洞內(nèi)觀察，保證施工安全。 

 

　　5. 對(duì)隧道施工中出現(xiàn)的變形、掉塊、拱部塌方事件，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，在洞內(nèi)備好相應(yīng)的應(yīng)急物資。 

 

 

　　瓦店子隧道為本條高速公路上最長隧道，為全線控制性工程，瓦店子隧道薄板狀水平巖層的特殊層理構(gòu)造，使層間結(jié)合力大大降低，且隧道工期要求緊，隧道施工存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。在隧道施工中，通過對(duì)施工方法不斷優(yōu)化，采取了針對(duì)性的措施，為維護(hù)圍巖的穩(wěn)定和預(yù)防塌方，取得了很好的成效，確保了施工安全和施工質(zhì)量。目前瓦店子隧道施工進(jìn)度得到了有效保障，同時(shí)，得到了上級(jí)單位的認(rèn)可，隨著廣大技術(shù)人員對(duì)薄板狀水平巖層施工技術(shù)的深入研究，必將在今后同類型圍巖隧道施工過程中發(fā)揮出重要的作用。 

 

　　參考文獻(xiàn) 

 

　　[1]《JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》 北京：人民交通出版社.2004中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 

　　[2]《JTG F60-2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》北京：人民交通出版社.2009中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 

　　[3]《超前支護(hù)在淺埋及軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用》北京：鐵道建筑出版社.2009 

　　[4]《水平巖層隧道圍巖變形機(jī)理研究與有限元分析》 北京：鐵道建筑出版社.2013 

　　[5]《隧道Ⅲ級(jí)圍巖水平巖層穩(wěn)定性及施工方法研究》 北京：鐵道建筑出版社.2010 

　　[6]《工程地質(zhì)分析原理》 北京：地質(zhì)出版社.1981 

　　[7]《工程爆破實(shí)踐》合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2002