薄板状水平岩层隧道围岩稳定性分析及施工措施

来源:用户上传      作者: 杜金雷

　　摘要：通过对瓦店子公路隧道薄板状水平岩层稳定性分析，及针对薄板状水平岩层隧道施工过程中经常出现拱顶大面积平顶、落石、塌顶等现象，探究了薄板状水平岩层对隧道开挖和支护的影响，提出了薄板状水平岩层隧道施工中应采取的相应措施。
　　关键词：公路隧道；薄板状水平岩层；稳定性；支护；措施
　　1、引言
　　在公路隧道施工作业中，薄板状水平岩层是经常遇到的一种地质构造，在隧道开挖过程中，经常出现拱顶大面积平顶、落石、塌顶等现象，不但直接影响隧道的爆破效果，还会影响裸洞的围岩稳定性，增加初期支护喷射混凝土的使用量，导致施工成本不可控。虽然光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术日益成熟，且已成为山岭隧道开挖爆破的常规方法，但受钻爆人员技术水平参差不齐，以及施工管理水平高低等其他因素影响，在薄板状水平岩层公路隧道开挖施工时易造成拱顶落石、片帮、崩塌等现象，给施工安全带来极大的隐患和困难。另外在薄板状水平岩层中，岩体通常都较为破碎，节理发育，粘着性差，完整程度不高，围岩稳定性较差。由此，对薄板状水平岩层隧道围岩进行稳定性分析，预先考虑及采取防止围岩失稳垮塌的措施，对薄板状水平岩层隧道的安全施工以及成本控制等有着较大的积极意义。
　　2、工程概况
　　瓦店子隧道在重庆万州区境内， 隧道左线起讫桩号：ZK10+990～ZK14+246，长3256m；右线起讫桩号：K11+000～K14+280，长3280m，单线合计长度6536m。瓦店子隧道进口前线路跨越长江，隧址区属丘陵地貌，隧道地表高程在260～575m之间。洞身段属丘陵地貌区，高程575～347m，相对高差228m。出口段位于槽谷山脊斜坡，高程265～320m，相对高差55m，斜坡坡度8～56°。沿线地形起伏较大，属中低山地貌。
　　隧道位于万州区向斜近轴部，为单斜构造。岩层产状340°∠4～8°，产状稳定构造简单。穿越地层主要为侏罗系上统上遂宁组砂岩、泥岩，围岩岩性主要为泥岩、砂岩为主。地层为水平岩层或近水平岩层，呈层状结构，层间结合力较差，地下水以基岩裂隙水为主，空间分布不均，整体水量较小。
　　3、薄板状水平岩层稳定性分析
　　瓦店子隧道主要是以薄层～中厚层水平岩层或近水平岩层为主，岩层倾角较缓（4°～8°） 。
　　1.具有软硬相间，软硬层性质差异大的特点，泥岩岩质相对较软，砂岩以钙质为主，岩质相对较硬，岩性软硬相间，岩体风化不均，层间结合相对较差，开挖后围岩应力调整时间较长，节理、裂隙较发育，特别砂岩层厚较薄及泥岩遇水时，岩层更容易软化失稳。
　　2.泥岩和泥质砂岩均属于弹塑性软质岩，岩体中含有大量的粘土矿物，隧道洞室开挖后，改变了岩体的应力条件，在应力释放过程中产生卸荷膨胀，使围岩变形破坏，主要表现为软质围岩的膨胀，此外，洞壁应力降低区的形成促使少量水分从高应力区向洞壁转移，洞壁岩体中的粘土等亲水矿物吸水也是围岩膨胀的主要原因，造成洞室顶部软质围岩的软化以及夹层的泥化，在重力作用下易发生失稳。
　　3.岩层厚度较薄，层理间有软弱夹层，在开挖爆破时易造成拱部围岩的牵动，层理间扩展发育，继而引起岩层松动和脱落，不合理的爆破作业更加剧了这一情况发生的可能性，周围的这些岩块或岩块系统会有向开挖临空面发生运动的趋势，若没有得到及时有效地支护，势必导致岩体失稳。
　　对于层状分布围岩隧道而言，薄板状水平岩层最不利于隧道开挖围岩的稳定，而且隧道断面净空高、跨度大，薄板状水平岩层对隧道（ 特别是拱顶） 的稳定性影响更加突出，往往对隧道的开挖质量和支护安全造成很大的危害。
　　3.1 爆破开挖对薄层状水平岩层稳定性影响分析
　　隧道开挖前，围岩一般处于三轴受力平衡的应力状态，由于隧道埋深的影响，地层存在较高的应力，结构面一般紧密闭合，隧道在实施爆破开挖过程中，其实就是隧道围岩应力重新分布的过程，拱部围岩由原来的三轴应力状态转变为二维状态。在爆破振动下，拱顶层状岩层很容易沿着每层岩石的分界面发生分离，首先是被爆破破坏的层状围岩开始承载顶部岩体的重力作用，当爆破开挖跨度达到上层覆盖岩层的极限宽度后，层状岩层在上部荷载和两侧水平应力及爆破振动荷载的作用下，由于层状岩体结构已被破坏，整体受力效果较差，则会发生断裂、离层、脱落，并且重复断裂、脱落，直至拱顶形成受力稳定的三角受力结构或层厚较大、受力较好的岩层，形成压力拱。爆破开挖后，应力在空间范围内重新分布，隧道周围的岩体有向隧道临空面运动的趋势，基于水平岩层这种特殊的水平层理构造，拱顶岩层在受到自身重力及其上方传下来的应力共同作用的条件下，岩体将会被挤出，从而向隧道临空面产生位移，出现鼓胀、破裂、折断而脱落，隧道底部层状围岩在外部应力的作用下，也可能向上方运动，出现隧底鼓胀的情况，进而导致两边墙底脚围岩失去水平约束，造成隧道整体围岩的失稳破坏。在薄板状水平岩层隧道施工过程中，隧道爆破开挖后，开挖轮廓圆效果较好，但在1～2h后，拱顶岩石逐渐剥落、掉快，整体隧道轮廓凸凹不平，甚至最终形成矩形拱，其实就是一个薄板状水平岩层应力逐渐释放的过程。由于岩层属于薄板状，薄板状截面相对于中性轴z方向的惯性矩较小，受力覆盖层岩层发生弯曲致使其层面上产生的剪应力较大，因此，同样的岩性层状围岩，薄板状岩石更容易发生剪切断裂破坏。
　　3.2 水对薄板状水平岩层稳定性影响分析
　　隧道爆破开挖后，岩层中富含水分的平衡体系被打破，水受力平衡体系也随围岩应力重新分布而重新调整，在岩层受力向隧道临空应力集中方向，岩层中富含水分也向隧道临空方向移动，爆破加剧了围岩裂隙发育，方便了围岩裂隙水向隧道内部流动，同时润滑岩层间结构面，使围岩的强度和结构面结合力降低，对于软质或软硬相间的泥砂互层岩体，在裂隙水的浸泡、侵蚀作用下产生软化，泥岩软化后自动脱落，砂岩则会在泥岩脱落后悬空，在各种应力集中作用下开始断裂而脱落、坍塌。 　　3.3 其它地质构造对薄板状水平岩层稳定性影响分析
　　在隧道施工中，由结构面（如断层、节理、层理、片理等裂隙）和开挖临空面把隧道通过区的岩石切割成不同形状岩体。在节理裂隙的影响下，顶部围岩容易发生断裂，形成矩形的情况时有发生，破坏了围岩自然拱的受力状态，进而使围岩开挖后的变形速度加快，自稳能力减弱，在适当的岩体结构和力学条件下，岩体内部的这些岩块或岩块系统会发生运动，导致岩体整体失稳，形成塌方。在层状沉积岩中，由于特殊的成岩机理，层理作为一个重要的结构面，层理面由于存在片状矿物和泥质岩，层间结合力大大降低，对围岩的稳定性有很大的影响。对层状岩石而言，岩层层间结合力差，由于节理和开挖临空面的切割，极易形成不稳定的体系。
　　4、薄板状水平岩层隧道施工采取的措施
　　隧道开挖形成新的空洞后，破坏了岩体原有的相对平衡状态，使隧道周围部分岩体应力重新分布，引起围岩的变形、破坏和坍塌，为了及时有效地控制围岩变形，防止坍塌，必须采用工程措施进行支护。首先应遵循“ 短开挖，强支护，勤量测，紧衬砌”的薄板状水平岩层施工原则，根据新奥法的设计原理，隧道采用喷、锚、网及钢拱架对围岩进行支护，即尽可能保持围岩的原始状态，最大限度地发挥围岩的自承能力，把隧道围岩和各种支护结构作为一个共同作用的承载体系，控制围岩变形的发展，避免岩体塌方，防止过大的松弛压力出现。锚杆在初期支护中有悬吊、结合梁、加固作用。喷射混凝土具有充填裂隙加固围岩、封闭围岩表面防止风化、与围岩组成共同承载结构。针对瓦店子隧道拱部所遇到的不同岩性的水平层，支护要灵活采取锚、喷、网及钢架组合成不同的支护形式。
　　4.1 喷锚支护对薄板状水平岩层的加固措施
　　薄板状水平岩层围岩，其岩体一般以层状结构为主。锚杆防止大的“围岩块”松弛、脱落，喷射混凝土封闭开挖面，防止围岩变形过大，以及防止因为应力释放而形成的围岩的移动、弯曲、拉裂和折断等现象形成的小块围岩的脱落。在瓦店子隧道薄板状水平岩层的特定地质条件下，给锚杆的施工带来一定的困难。锚杆垂直于岩面效果最佳，但在隧道实际施工中由于采用台架施工，隧道拱部范围内的锚杆多是顺层锚入或和岩层面极小角度锚入，这样以来，丧失了新奥法锚固围岩的实际意义，因此，在支护时，拱部要加强锚杆的作用，采用改进施工台架，采用自进式锚杆机施作，确保锚杆角度，以提高锚固力。
　　4.2 格栅拱架对薄板状水平岩层的加固措施
　　拱部为薄板状水平岩层时，拱顶围岩受应力较为集中，且拱顶部岩层层厚较薄，结构受力效果差，结构整体性弱，及时施作格栅拱架支护对围岩加固能起到有效作用。上台阶格栅拱架采用三段连接，并且拱顶部位不能有接头，接头采用螺栓连接，每处连接接头处施作两根锁脚锚杆，锚杆制作成“L”形状，反扣接头格栅拱架，并且两根锚杆反扣对接焊接，焊接长度不少于规范要求，保证格栅拱架和锁脚锚杆形成整体，达到整体受力效果。
　　4.3 部分工序进行施工调整
　　隧道施工过程中，为了减少施工工序，节约施工循环，大多会刻意省去初喷工序，未能及时初喷混凝土（3～4cm）封闭开挖围岩面，失去了及时给围岩提供支撑力以很好发挥围岩自承力的时机，使围岩产生了松弛变形。现场施工中，一般在爆破开挖后进行出渣作业，在出渣后进行排险、立架再施作锚杆，然后再进行喷射混凝土作业。这种错误的施工工序，耽误了初期支护发挥作用的时间，对于薄板状水平薄层及中厚层砂岩及泥岩互层，由于结构面的切割，会形成一些大的倒楔体、短柱状危岩体，而薄层岩石会出现逐层的剥离，这些危岩体一般都是一个不稳定的危岩体系，其中某些部位就是“危石”，支护住这些危石，就不会使这些岩体掉下来，所以在隧道施工中，开挖后及时初喷混凝土给开挖后暴露的围岩以支护力是确保围岩稳定的关键，爆破后把洞渣及时收拢，利用渣堆高度在渣堆上对掌子面进行初喷混凝土施工，初喷厚度3～4cm。喷混凝土后，开挖轮廓对层状岩石切割比较严重的拱腰部位，施工锚杆进行局部支护，锚杆间距1～1.2m。然后出渣，进行钢架架设以及喷锚初期支护到设计厚度，这样可以及时给围岩提供支护力，严格遵循了新奥法的支护理论。
　　4.4 避免拱顶过分“找顶”
　　对于薄板状水平岩层和松软的破碎岩层，开挖后小块围岩体相互挤压形成镶嵌结构，由于机械排险过程中“找顶”工作会破坏这种平衡，结果越拱顶排险危石越多，如果不停地“找顶”将有“找”不完的危石。所以，开挖后应禁止过分“找顶”，及时喷混凝土封闭围岩，封锁关键块体，这才是支护的关键。喷射混凝土可以对岩石裂隙进行封堵、填充、粘结和加固，提高岩体结构面的结合力，对提高水平岩层的自承力有很大的作用。开挖后，避免过度找顶，及时喷混凝土封闭是围护围岩稳定的关键。
　　4.5 优化钻爆设计，减少爆破次生裂隙和振动对围岩的影响
　　对于薄板状水平岩层的围岩为主的段落，由于层厚一般较薄，层间结合差，开挖爆破时容易产生爆破次生裂隙，形成对水平岩层的切割，降低了水平岩层的稳定性。因此，应严格进行光面爆破，控制装药量，减少爆破对围岩的扰动。
　　1.优化周边眼间距及药量，缩小拱部周边眼的间距，拱部周边眼的间距取30～40cm，周边眼布孔尽量避开岩层层面裂隙。为了确保周边眼的切割效果圆顺，可在有裂隙的部位加导向孔。严格控制周边眼的装药量，隧道周边眼的爆破机理是炸药爆破成缝理论。周边眼炸药爆炸后在相邻孔之间形成岩体裂隙，最理想的是在相邻孔之间只形成爆破贯通裂隙而不破坏周围岩体。
　　2. 周边眼可采用间隔孔装药的方式装药，中间空孔作为导向孔，减少周边眼爆破对隧道周边围岩的破坏。
　　3. 对于薄层或围岩比较破碎的地段，可采用周边眼装单股或双股导爆索的装药方式，以降低周边眼的装药量。
　　5、结论及建议
　　1. 由于薄板状水平岩层的破碎性、层理性强，在拱部开挖时易发生落石、片帮、崩塌现象，要特别注意施工安全，清除岩壁危石后，及时进行初期支护支顶，并注意观测记录。
　　2. 薄板状水平岩层隧道的开挖轮廓不易控制，圆顺性较差、超欠挖现象普遍，在进行支护和衬砌时，应将背后空洞回填密实，实在困难时必须设置防落缓冲层。背后进行充填压浆，封闭空隙，提高整体固结程度。
　　3. 仰拱、二次衬砌要及时施作，二衬与掌子面要尽量靠近，不能因未超出信用评价安全距离步距就是安全的，只有进行了衬砌安全性才会更高。
　　4. 加强施工中的围岩收敛、沉降观测，特别是拱顶下沉，要以拱顶下沉为主，以收敛为辅，及时反馈信息，同时加强洞内观察，保证施工安全。
　　5. 对隧道施工中出现的变形、掉块、拱部塌方事件，制定相应的应急预案，在洞内备好相应的应急物资。
　　6、结束语
　　瓦店子隧道为本条高速公路上最长隧道，为全线控制性工程，瓦店子隧道薄板状水平岩层的特殊层理构造，使层间结合力大大降低，且隧道工期要求紧，隧道施工存在较大的风险。在隧道施工中，通过对施工方法不断优化，采取了针对性的措施，为维护围岩的稳定和预防塌方，取得了很好的成效，确保了施工安全和施工质量。目前瓦店子隧道施工进度得到了有效保障，同时，得到了上级单位的认可，随着广大技术人员对薄板状水平岩层施工技术的深入研究，必将在今后同类型围岩隧道施工过程中发挥出重要的作用。
　　参考文献
　　[1]《JTG D70-2004 公路隧道设计规范》 北京：人民交通出版社.2004中华人民共和国行业标准
　　[2]《JTG F60-2009 公路隧道施工技术规范》北京：人民交通出版社.2009中华人民共和国行业标准
　　[3]《超前支护在浅埋及软弱围岩隧道施工中的应用》北京：铁道建筑出版社.2009
　　[4]《水平岩层隧道围岩变形机理研究与有限元分析》 北京：铁道建筑出版社.2013
　　[5]《隧道Ⅲ级围岩水平岩层稳定性及施工方法研究》 北京：铁道建筑出版社.2010
　　[6]《工程地质分析原理》 北京：地质出版社.1981
　　[7]《工程爆破实践》合肥：中国科学技术大学出版社.2002
　　作者简介：姓名：杜金雷，性别：男，出生年月：1977.09 ，学历：本科，职称：中级工程师。
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