近水平軟弱巖層隧道施工研究進展

繆成銀，彭雪峰，鄭 宏

(四川公路橋梁建設集團有限公司公路三分公司，四川成都610200)

近水平軟弱巖層是隧道工程作業經常遇到的一種地質構造，如果施工方法或支護參數不當，在開挖過程中，隧道的拱頂會出現大面積平頂、落石、塌頂等現象。這不僅直接影響隧道的光面爆破效果，還會影響毛洞的圍巖穩定性、初期支護的數量和永久支護的混凝土工程量，增加工程投資。

另外在軟弱水平巖層中，巖體通常都較為破碎，節理發育，粘著性差，完整程度不高，圍巖穩定性較差，施工中極易形成嚴重超欠挖。超欠挖問題的發生不僅增加附加工作量，還將嚴重影響洞室穩定，也關系到初期支護和二次襯砌的質量［1］。分析影響水平巖層中圍巖的穩定性的因素，確定防止圍巖失穩垮塌的措施，對于水平巖層條件下隧道的順利施工具有積極意義。

截至目前，針對近水平軟弱巖層隧道修建的研究還不是很多。研究的手段主要包括理論分析、模型試驗和數值計算三種方法，研究重點則集中在隧道穩定性研究、光面爆破技術研究、施工方案及支護技術等方面。

1 近水平軟弱巖層隧道穩定性研究

近水平巖層隧道施工過程中，圍巖的穩定性對于隧道施工期及營運期的安全至關重要。對于近水平巖層而言，隧道開挖對其圍巖產生卸載效應，圍巖產生向隧道內的位移，由于層間節理粘結力弱，不能承受或只能承受很小的拉應力，導致層間節理逐漸張開并產生破裂，圍巖各層之間處于離層狀態;隨著時間推移，節理之間的層狀巖層在重分布應力作用下受到圍巖壓力的剪切作用而發生斷裂，整個巖體沿原生和新生破裂面產生滑移、錯動、剪脹變形，向開挖空間擠進而造成失穩。通常，隧道開挖后拱部和底板容易產生松動和松弛，是超欠挖和局部失穩易發生部位;隧道失穩形態一般可分為頂板彎折和底板鼓起兩種情況。

劉鵬等人以東興場隧道為工程依托，采用相似模型試驗方法對隧道開挖后圍巖變形各階段進行模擬，得出了該隧道開挖后圍巖的變形過程分為彎曲內鼓－拉裂－折斷塌落3個階段［2］。李德海用連續介質力學的方法，分析開采煤層上覆近水平層狀結構巖體受開采的影響，在其自身重力作用下的移動機理，并定量地解釋了巖層的移動現象，得出了巖層中下沉盆地剖面方程式［3］。何軍等人以廣元至巴中高速公路東興場隧道穿越水平巖層為工程依托，采用離散單元法對隧道變形破壞的主要因素進行模擬，得出了巖層厚度、隧道埋深等因素對圍巖穩定性的影響規律［4］。晏莉等人運用數值模擬方法研究了圍巖塑性區及中間巖柱的穩定性，分析了不同間距條件和不同圍巖互層類型對中間巖柱穩定性的影響，并提出了改進的雙孔隧道中間巖柱穩定安全系數計算方法［5］。楊峰等人針對水平層狀巖體火麻沖連拱隧道，利用數值模擬手段和現場實測，探討了水平層狀巖體條件下連拱隧道圍巖與支護結構變形受力特點，指出了連拱隧道結構設計與施工過程的薄弱環節［6］。關惠平等人依托廣巴高速公路某近水平巖層隧道，基于監測結果，分析了近水平巖層隧道圍巖變形特點、變形原因，劃分了圍巖變形階段。通過監測數據的回歸分析，提出利用位移加速度正負的判據來分析評價圍巖穩定性［7］。周應麟等人分析了層狀巖層圍巖隧道受力特點，并提出層狀巖層圍巖隧道破壞機理及其四種典型失穩模型，結合湖南省常張高速公路關口埡隧道工程，利用有限元程序對不同傾角巖層圍巖進一步分析了支護結構受力特點，總結出不同產狀圍巖的受力特征及相應二襯的最不利受力處，對相似層狀巖層隧道設計及施工具有一定的參考價值和指導意義［8］。高磊等人運用離散元數值模擬研究了隧道圍巖變形破壞機制，認為受層面與節理面切割形成的塊體在重力作用下極易發生掉落，在拱頂和拱肩部位易造成超挖，而邊墻和拱底部位圍巖較為穩定［9］。寇智勇等人根據廣元至巴中高速公路某隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段典型監測斷面初期變形數據的數理統計和分析，給出了該隧道近水平沉積巖層隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖總收斂的均值及滿足二次襯砌要求的時間均值［10］。汶文釗認為水平巖層的結構構造特征對隧道圍巖的穩定性有很大的影響，依托橫山隧道對水平巖層的穩定性進行了分析，提出了水平巖層隧道施工中應采取的措施［11］。

由以上研究內容可知，目前針對近水平軟弱巖層隧道穩定性的研究數量較多，但是大多數都是采用數值模擬方法進行簡單的計算，其評價大多也只停留在半定量半定性的水平。揭示近水平軟弱巖層隧道失穩機理及圍巖與支護結構相互作用機理的研究尚少。

2 隧道光面爆破技術研究

目前山嶺隧道施工方法仍以新奧法為主，光面爆破作為新奧法的重要元素，其爆破效果對隧道圍巖、支護結構受力影響顯著。在結構完整、節理、裂隙不發育的圍巖中進行光面爆破，爆破質量容易控制。然而近水平巖層中往往存在大量的裂隙、節理以及夾層，水平方向節理發育，在這種情況下進行光面爆破遇到了很大的困難，超爆現象時有發生。因此，優化爆破方案，提高光面爆破質量，改善爆破效果，對于近水平軟弱巖層隧道施工尤為重要。

周宴成以太(原)中(衛)銀(川)鐵路柳林隧道為工程背景，在分析隧道施工地質情況的基礎上，探討了影響水平巖層隧道光面爆破效果的因素，對隧道水平巖層鉆爆施工技術進行了研究，提出了減小爆破震動的措施［12］。方俊波等人以小浪底東苗家滑坡體排水洞施工為例，分析了在薄水平巖層、破碎圍巖中修建隧道所產生的超挖現象，提出了包括楔形掏槽、控制周邊眼裝藥參數、空孔導向、減震爆破等在內的一套針對薄水平及破碎圍巖的爆破控制技術，取得良好的效果，有效減小了超欠挖的比例［13］。楊峰等人從炸藥破巖機理以及應力波通過節理、夾層傳播規律來分析產生超、欠挖現象的原因，認為實際施工中應根據具體地質情況及時調整爆破參數，對隧道輪廓線的不同部位，采取不同的調整措施，可以有效的減少超挖現象［14］。楊宗華以客運專線小坡山隧道作為依托工程，針對不同軟硬互層圍巖，施工中采用了小間距光爆技術，并在實際應用中不斷地修正爆破參數，以減小爆破對層狀巖層擾動，減小施工超欠挖量，確保了開挖質量和圍巖穩定［1］。

目前，為了控制隧道的超欠挖問題，針對施工過程中的光面爆破技術的研究較為充分，也取得了一定的經驗積累。但是由于水平巖層的產狀及其巖性等在不同的工程中存在其各自的特殊性，因此，實際工程中在借鑒已有經驗的同時，還應注意結合工程實際，不斷對光面爆破技術在近水平破碎巖層中的應用予以完善。

3 隧道施工方案及支護技術研究

施工方案及支護方法的確定直接影響到施工對圍巖的擾動程度及加固效果。由于近水平軟弱巖層的力學特性顯示出強烈的各向異性，所以更應對其進行深入研究。

楊宗華認為近水平巖層隧道開挖邊墻部圍巖穩定性較好，一次開挖高度可適當加大;為避免爆破振動造成頂部巖板層間強度明顯降低，應盡量減少開挖擾動次數;若掌子面圍巖穩定性允許，采用大斷面開挖技術有利于機械化作業。并結合小坡山隧道的具體情況，確定采用全斷面開挖作業方式。隧道軌面以上部分一次爆破成形，落底采用跳挖法橫向一次挖成，并搭建棧橋以利出碴，仰拱、鋪底與軌面以下矮邊墻一次澆筑，其余拱墻混凝土采用整體移動式模板臺車、泵送混凝土一次成形，縱向循環長度10m［1］。姚云曉根據亮埡子隧道的地質特點，通過對亮埡子隧道施工方案的比選，以及施工中遇到的具體問題的處理措施的論述，針對軟弱水平巖層段大跨隧道的施工技術提出了一些積極看法［15］。楊堅認為隧道Ⅲ級水平巖層圍巖，易發生變形破壞引起掉塊、坍塌的是隧道拱部，應根據拱部圍巖不同的情況采取不同的針對性支護措施，保障了隧道施工安全和運營安全［16］。

楊宗華以小坡山隧道為例，從開挖方法、控制爆破以及支護手段等方面，對其水平巖層Ⅲ級圍巖區段施工技術進行了探討［1］。汶文釗以橫山隧道為例，剖析了水平巖層對隧道開挖和支護的影響作用，提出水平巖層隧道施工中應采取的措施，并對施工工藝、施工工序進行優化［11］。張宗偉針對位于水平狀灰巖地層的郁山隧道出口段，用了錨網噴相結合的支護技術，使得隧道因水平圍巖破碎而出現拱部大面積剝離掉塊的現象及時得到了有效控制，確保了隧道施工安全［17］。李長福針對軟弱水平巖層的地質特性及對隧道施工的影響，結合工程實例，對隧道在此地質條件下施工時應采取的一些施工技術措施和防范要求進行了闡述和分析［18］。鐘放平基于水平層狀圍巖結構特征，提出層狀圍巖中隧道開挖支護優化工況，進行桐木灣隧道錨噴支護參數優化對比現場試驗和數值模擬分析，根據現場測試和數值模擬結果，分析了錨噴支護參數優化前后的錨桿受力和圍巖變形特征［19］。馮文凱等人結合廣元－巴中高速公路穿越某水平巖層隧道，根據現場跟蹤調查和試驗，在對圍巖巖性、物理力學性質、地層結構和變形破壞類型等進行分析的基礎上，對原支護設計方案進行了優化，并利用施工后拱頂下沉及周邊收斂監測結果進一步證明了支護優化設計的合理性［20］。鄧少軍等人針對水平互層巖體隧道的開挖特點，采用FLAC進行數值模擬，優化了錨桿支護參數，降低了支護成本［21］。

目前，針對近水平巖層隧道施工方案及支護技術的研究仍停留在施工技術總結的層面上。尤其是支護技術研究，主要以經驗為主，尚未從近水平軟弱巖層的各向異性受力特征及其破壞失穩機理提出具有針對性的襯砌支護形式。

4 結語與展望

本文對水平及近水平軟弱巖層隧道施工過程中圍巖穩定性、光面爆破技術、施工方案及支護技術等方面進行了總結，并對目前的研究現狀進行了評析。

從現有研究可以看出，對于近水平軟弱巖層隧道施工技術的研究尚不充分，整體上仍停留在經驗類比的層面上。今后，針對近水平軟弱巖層隧道施工方面的研究可沿如下幾個方向進行。

(1)對近水平軟弱巖層的各向異性長期受力特征及其破壞失穩機理展開深入研究;

(2)開展近水平軟弱巖層隧道施工變形控制基準研究;

(3)開展近水平軟弱巖層圍巖－支護結構相互作用機理研究;

(4)基于近水平軟弱巖層的各向異性受力特征及圍巖－支護結構相互作用機理，開展針對近水平軟弱巖層下隧道的支護體系研究。

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