淺析平巖層隧道的設計與施工

陳海軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

包西鐵路大保當至張橋段,北起神延鐵路的大保當車站,南至西延線的張橋車站,線路縱貫陜西省北部和關中地區(qū)。該段線路全長 561.6km,共有隧道 94座,總延長約 152km,全部分布在魚河峁至慶興村之間的陜北黃土高原梁峁溝壑區(qū)。其中綏德至延安段增建二線,速度目標值 160km/h,共有單線隧道 29座,總延長約 50km;延安至張橋段,速度目標值 200km/h,為新建雙線隧道,共計 65座,總延長約 102km。

隧道穿越地層巖性主要為近水平狀沉積的碎屑巖類的砂巖和黏土巖類的頁巖、泥巖,其中又以砂巖夾頁巖、頁巖夾砂巖和砂巖夾泥巖為主。線路穿越中朝準地臺的陜甘寧臺坳和汾渭地塹二個二級構(gòu)造單元,地下水類型主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。出露水平巖層及基巖裂隙水如圖1所示。

圖1 出露水平巖層及基巖裂隙水

隧道穿越的水平巖層圍巖劃分主要為Ⅲ級和Ⅳ級,其中Ⅲ級圍巖約占單線隧道總長的 48%,Ⅳ級圍巖約占單線隧道總長的 18%;Ⅲ級圍巖約占雙線隧道總長的 65%,Ⅳ級圍巖約占雙線隧道總長的 17%,Ⅲ級圍巖所占比例較大。

2 施工中平層圍巖坍塌掉塊情況

自 2007年 11月開工以來,所有的石質(zhì)隧道均遇到水平巖層坍塌掉塊問題,尤其以Ⅲ級圍巖地段為重。

從施工反饋的信息看,由于單線隧道跨度較小,斷面小,爆破振動易控制,且大部所處地區(qū)降雨頻率及雨量較小,地下水的地表補給少,拱部掉塊坍塌問題不是很普遍,局限于個別隧道;而雙線隧道跨度大,斷面也大,爆破振動不易控制,所處的地理位置降雨頻率及雨量均較大,地下水的地表補給充分,拱部坍塌掉塊的幾率較大,問題比較突出。

隧道施工的監(jiān)測資料反映,一般拱部局部坍塌掉塊滯后隧道掌子面開挖距離 2～3倍洞徑,30～50m或更長,即發(fā)生掉塊時,該段初期支護施工已完成一段時間,并且是分次逐步坍塌,開始規(guī)模較小,慢慢牽引臨近地段,坍塌規(guī)模逐漸擴大,段落逐漸加長,最長的達 50m。一般雙線隧道拱部坍塌寬度為 5～8m,高度為 1～5m,最大的可達 8m,呈倒漏斗狀或箱形狀。坍塌地段拱部出露地質(zhì)情況主要為薄層頁巖、頁巖夾薄層砂巖或薄層砂頁巖互層,垂直節(jié)理發(fā)育,巖層完整性較差,局部有滲水,易隨時間的推移而失穩(wěn)。單線及雙線隧道拱部掉塊情況如圖2、圖3所示。

圖2 單線隧道拱部掉塊情況

圖3 雙線隧道拱部掉塊情況

3 平層圍巖掉塊機理特征和原因分析

水平巖層是在開闊臺地或平靜瀉湖中沉積形成的近水平層狀沉積巖,老巖層在下,新巖層在上,其后期未受大的地質(zhì)應力作用。在地形地質(zhì)圖上,巖層的地質(zhì)界線與地形等高線平行或重合;在山頂或孤立山丘上的地質(zhì)界線呈封閉的曲線;在溝谷中呈尖齒狀條帶,其尖端指向上游。巖層頂、底面之間的垂直距離是巖層的厚度,巖層出露寬度是其頂、底面出露線之間的水平距離。

3.1 掉塊機理特征

水平巖層隧道在開挖并支護一段時間后,拱部圍巖失穩(wěn)坍塌的過程可概括為:隧道開挖后,周邊臨空面巖體失去支撐并產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移,由于沉積巖互層,節(jié)理裂隙發(fā)育,層間黏結(jié)力弱,豎向不能承受或只能承受很小的拉應力,因此在巖體壓力和自重作用下,層間節(jié)理逐漸張開,并產(chǎn)生破裂,從而使層狀巖層的各層之間處于離層狀態(tài),致使隧道拱部產(chǎn)生松動和松弛;隨著時間的推移,節(jié)理之間的層狀巖層在應力重分布作用下受到圍巖的壓力作用而發(fā)生斷裂,整個巖體沿原生和新生破裂面產(chǎn)生滑移、錯動、剪切變形,向隧道內(nèi)部擠進而失穩(wěn)。

3.2 原因分析

通過對全線平層圍巖隧道未開挖段落的分析以及對已開挖段落的歸類和總結(jié),經(jīng)過對發(fā)生坍塌和沒有坍塌的地段所對應的不同地質(zhì)情況的大量、認真研究,并結(jié)合洞外踏勘后,認為本區(qū)隧道水平巖層砂巖相對較硬,而泥巖、頁巖巖質(zhì)相對較軟,軟硬不均,風化差異較大,軟質(zhì)巖石易風化,在垂直發(fā)育的兩組主要節(jié)理切割下容易失穩(wěn),繼而坍塌掉塊。

(1)地質(zhì)原因

①層理水平,傾角較小

本區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上主要表現(xiàn)為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升為主。因此沿線隧道工程涉及的侏羅系、二疊系、三疊系、石炭系砂巖、頁巖、泥巖及其互層地層平緩,呈微傾向北和北西的單斜地層,傾角北段一般為 3°～7°,南段 5°～10°,這是拱部穩(wěn)定性較差的物質(zhì)因素。

②垂直節(jié)理,裂隙發(fā)育

本區(qū)巖體主要發(fā)育兩組構(gòu)造垂直節(jié)理,大致為東西向和南北向,東西向節(jié)理間距 0.5～1.5m,連通性較好,南北向較稀,間距 2～3m。這兩組節(jié)理對巖體切割,隧道開挖下部臨空后應力調(diào)整,當節(jié)理密閉,結(jié)合緊密時,應力調(diào)整時間較長,在隧道掌子面后方易產(chǎn)生塌方,當節(jié)理微張或張開,節(jié)理結(jié)合較差時,應力調(diào)整時間短,往往在掌子面開挖后很快出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

③巖層互層,軟硬相間

本區(qū)發(fā)育的巖層一般以砂巖夾頁巖、砂巖夾泥巖、泥巖夾砂巖、頁巖夾砂巖為主,泥巖及頁巖一般以砂質(zhì)為主,巖質(zhì)相對較軟,砂巖以鈣質(zhì)為主,巖質(zhì)相對較硬,巖性軟硬相間,巖體風化不均,層間結(jié)合相對較差,是拱部坍塌的原因之一。

④偶有滲水,軟化圍巖

隧道洞身通過地層大部分地下水不發(fā)育,根據(jù)隧道開挖揭示的實際情況,隧道內(nèi)地下水一般為點狀或面狀滲水,但這些少量的地下水致使圍巖層間或結(jié)構(gòu)面結(jié)合力降低,進而影響拱部圍巖的穩(wěn)定。

⑤拱頂覆蓋的水平巖層厚度較薄

部分隧道拱部處在頁巖、泥巖中,層厚較薄,光面爆破效果很差,隧道拱部很難形成自然拱,在其上部較厚的黃土荷載壓力下,造成拱部局部坍塌。

⑥平層圍巖臨近斷層及其影響帶

個別隧道處于斷裂褶皺帶上,區(qū)域地質(zhì)比較復雜,拱頂局部坍塌地段距離斷層很近,最大距離不到 100m,受爆破振動影響等不利因素,拱頂坍塌頻頻發(fā)生。

(2)其他原因

①設計標準

參照現(xiàn)行隧道設計的相關規(guī)范,并類比已建成和在建的相關工程,我國隧道Ⅲ級圍巖初期支護,雙線以錨、噴、網(wǎng)為主,單線以噴、錨支護為主,具體參數(shù)可根據(jù)實際情況略做調(diào)整,但均沒有考慮設置鋼架,隧道抗坍塌能力較差。

②開挖放炮振動

由于Ⅲ級圍巖大都采用全斷面施工,一次裝藥量大,爆破振動大,超欠挖普遍且嚴重,欠挖處應力集中,巖石慢慢剝落。臨近掌子面噴射混凝土的早期強度,受爆破振動影響大。

③施工工序不甚合理

施工工序拉的相對較長,仰拱和二襯均相對滯后,不能早日封閉成環(huán)參與受力,也是導致坍塌掉塊的原因之一。

4 建議處理方案

水平巖層開挖后,一般邊墻的穩(wěn)定性較好,不易出現(xiàn)邊墻內(nèi)擠側(cè)移、變形侵限等情況,而拱部尤其是兩側(cè)拱腳超挖比較嚴重,受后續(xù)爆破振動的影響,已經(jīng)支護的段落拱部容易出現(xiàn)掉塊,甚至坍塌現(xiàn)象,威脅作業(yè)人員的安全。

結(jié)合目前施工的整體水平,考慮結(jié)構(gòu)要求及確保施工和運營安全,建議根據(jù)隧道拱部水平圍巖不同的地質(zhì)情況采取針對性的處理措施。

4.1 Ⅲ級水平巖層初期支護加強

(1)中厚層 -厚層砂巖

隧道拱部圍巖為砂巖,中厚層 -厚層,節(jié)理較發(fā)育或不發(fā)育,呈大塊狀結(jié)構(gòu),巖體完整,圍巖穩(wěn)定性較好。基巖裂隙水不發(fā)育,或偶有滲水,可采用常規(guī)支護進行。支護措施為:單線水平巖層隧道Ⅲ級圍巖初期支護為濕噴 C25混凝土 7cm,拱部局部設系統(tǒng)錨桿,長2.0m,間距 1.2m×1.5m;雙線水平巖層隧道Ⅲ級圍巖初期支護為濕噴 C25混凝土 10cm,拱部噴混凝土中設置鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 25cm×25cm(下同),拱部設系統(tǒng)錨桿,長 2.5m,間距 1.2m×1.5m呈梅花形布置。

(2)中厚層砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖)

隧道拱部圍巖為砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),砂巖與泥巖中厚層狀,節(jié)理較發(fā)育,巖體較完整,呈塊狀結(jié)構(gòu),邊墻穩(wěn)定,受節(jié)理切割拱部時有掉塊發(fā)生,高度一般小于 1m,基巖裂隙水不發(fā)育,局部濕潤或偶有滲水,采用加強噴錨的支護措施。

單線隧道拱部錨桿增長至 3m,間距 1.2m×1.5 m,適當增加拱部噴層厚度,以不超過 15cm為宜,其強度等級不應低于 C25,拱部噴混凝土中設置鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 25cm×25cm;雙線隧道拱部錨桿可增長至4m,間距 1.2m×1.5m,適當增加拱部噴層厚度,以不超過 18cm控制,拱部噴混凝土中設置鋼筋網(wǎng)。

(3)薄層砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖)

隧道拱部圍巖為砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻穩(wěn)定性較好,受節(jié)理切割拱部掉塊塌落嚴重,高度一般 1～3m,且掉塊塌落一般沒有預兆,發(fā)生突然。基巖裂隙水不發(fā)育,局部偶有滲水,這種情況采用拱部增設鋼架的措施加強,鋼架的設置范圍可視情況而定,結(jié)合掌子面的地質(zhì)巖性分為 120°、150°和 180°。

單線隧道拱部設置鋼架,間距為 1.2～1.5m,設鋼架范圍噴射混凝土厚度與鋼架噴平即可,一般不超過 15cm,邊墻噴射混凝土厚度不變。鋼架的斷面可以采用平面鋼架或三角鋼架,噴射混凝土的強度等級不應低于 C25,拱部噴混凝土中設置鋼筋網(wǎng)。

雙線隧道拱部設置鋼架,間距為 1.2～1.5m,設鋼架范圍噴射混凝土厚度一般不超過 18cm,邊墻噴混凝土厚度不變。鋼架的斷面可以采用三角鋼架或四邊形格柵鋼架,噴射混凝土的強度等級不應低于 C25,拱部設置鋼筋網(wǎng)。

(4)薄層有水砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁巖互層

隧道拱部圍巖為砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁巖互層,薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻由于軟巖有風化現(xiàn)象,穩(wěn)定性相對較差,受節(jié)理切割拱部掉塊塌落嚴重,高度一般 2～4m,且掉塊塌落一般在開挖后距離掌子面一定距離處,發(fā)生突然。基巖裂隙水較發(fā)育,局部有水,采用拱墻增設鋼架的措施予以加強。

單線隧道拱部錨桿增長至 3m,間距 1.2m×1.5 m,梅花形布置。拱墻設置格柵鋼架,間距為 1.2～1.5 m,噴射混凝土厚度一般不超過 18cm。其強度等級不應低于 C25,拱部設置 φ6mm鋼筋網(wǎng)。

雙線隧道拱墻設置格柵鋼架或 I16型鋼鋼架,間距為 1.2～1.5m,噴射混凝土厚度以與鋼架噴平即可,一般不超過 20cm,其強度等級不應低于 C25,拱部設置鋼筋網(wǎng)。

4.2 水平巖層圍巖級別的調(diào)整

如果水平巖層地段圍巖整體較差,軟弱夾層對圍巖穩(wěn)定性影響突出定Ⅲ級圍巖,則應調(diào)整為Ⅳ級,按Ⅳ級圍巖的支護措施進行支護,以保證安全。

5 建議施工方法

5.1 施工方法

(1)加強噴錨支護時,建議采用全斷面開挖,進尺以不超過 2.5m為宜,及時施作初期支護。

(2)拱部增設鋼架時,建議采用臺階法施作,臺階的高度應根據(jù)鋼架的設置范圍而定,鋼架落腳處需設臺階,并擴大拱腳,確保鋼架基礎穩(wěn)定。

(3)拱墻增設鋼架時,應參照Ⅳ級圍巖的施工方法進行,采用臺階法施作,確保安全。

5.2 注意事項

(1)優(yōu)化每循環(huán)進尺,合理確定炮眼深度,采用短進尺淺孔爆破,有效減少超挖。

(2)提高裝藥質(zhì)量和爆破技術,采用小直徑藥包連續(xù)裝藥,采用“等差”雷管、控制相鄰段位炮孔起爆時差不小于 50ms,避免爆破振動波疊加,控制爆破振動速度小于 50cm/s,減少對噴混凝土早期強度的影響。

(3)由于爆破后開挖面的不平整,噴混凝土厚度的離散性非常大,必須進行濕噴,確保噴層早期強度及厚度。

(4)嚴格錨桿施工,確保有效錨固長度,必須設置墊板。

(5)根據(jù)現(xiàn)場施工情況,仰拱緊跟地段,石質(zhì)隧道很少出現(xiàn)塌方。建議嚴格控制施工工序,仰拱距開挖面距離應控制在 50～60m,二次襯砌距開挖面的距離控制在 120m以內(nèi)。

(6)做好超前地質(zhì)預報工作,尤其是拱部圍巖巖層厚度的測試工作。

經(jīng)過 2008年 10月專家論證會的論證和施工實踐的檢驗,上述措施是合理和可行的,并取得了較好的效果。該設計理念在后續(xù)蘭渝線、蘭新二線、黃韓侯線等不同設計時速、不同跨度隧道設計中得到廣泛采用和推廣。

6 結(jié)語

Ⅲ級圍巖水平巖層拱部的穩(wěn)定性與地層巖性、施工工序和后續(xù)支護時間密切相關。解決該問題,首先要弄清楚圍巖的巖性構(gòu)成及層理組成,然后采取針對性的措施,該加強支護的地段務必加強。施工中應“快支護、快封閉”,“快支護”要求開挖后及時封閉巖面,盡快施作初期支護,防止暴露時間長,圍巖大幅松弛、松動;“快封閉”則要求支護結(jié)構(gòu)在最短的時間發(fā)揮最有效的作用,尤其是仰拱緊跟。

拱部掉塊、坍塌是水平巖層隧道經(jīng)常遇到的一個問題,尤其是Ⅲ級圍巖地段,該問題尤為突出。雖然許多工程在建設過程中對該問題作了一些研究,而且采用各種手段也都能解決所遇到的問題,但是缺乏一個系統(tǒng)、完善處理類似問題的措施或指導意見。究其原因,一是設計階段受相關規(guī)范和常規(guī)理論的制約,加上不同巖層巖性的預測具有很大的不確定性,難以有針對性地采取措施,并考慮相應的費用;其次是施工初期,開挖后圍巖能夠穩(wěn)定一段時間,易給施工人員造成假象,不能引起重視;第三是各個工程因地質(zhì)條件的差異性,巖層表現(xiàn)出不同的構(gòu)成和形式,且地下工程的隱蔽性,給現(xiàn)場處理造成一定的困難。因此,建議在今后的設計和施工中,應系統(tǒng)分析巖層的特征,對施工技術進行研究,以便形成隧道勘察、設計、施工成套技術,達到降低成本,減小施工風險的目的。

[1]TB10003— 2005,鐵路隧道設計規(guī)范[S].

[2]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[3]鐵道部第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊(隧道)[M].北京:中國鐵道出版社,1995.