石樓隧道水平巖層穩定性分析及施工方法研究

孫晉鋒

(中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 400000)

1 概況

山西中南部鐵路通道設計速度120 km/h，設計軸重30 t，為路內首條按重載標準建設的重載鐵路運煤通道。標段內隧道共18座，25.2 km，其中石樓隧道全長12807 m，為單洞雙線隧道，線間距為4.0 m，為高風險隧道，全線控制工程之一，設計輔助坑道有4座斜井，10個工作面同時采用無軌運輸、大型機械配套作業，開挖方式采用臺階法施工。

1.1 工程地質

石樓隧道地處山西省呂梁地區石樓縣，為黃土峁梁地帶，沖溝發育，隧道最大埋深為252 m，最小埋深為1.5 m;隧道Ⅲ級圍巖占20%。主要在石樓隧道2號斜井和3號斜井，洞身通過的水平層為泥質砂巖、泥巖、砂質泥巖互層，薄層～中厚層，其中在2號斜井大里程和3號斜井段為弱風化，呈大塊狀結構，節理裂隙比較發育;在2號斜井小里程段為強風化，呈壓碎結構，節理裂隙發育。

1.2 水文地質

石樓隧道水平巖層段地下水賦存以基巖裂隙水為主，局部水量較大。

2 變形的原因和形態

2.1 變形原因

圍巖的穩定性取決于圍巖的應力狀態和圍巖的力學性質。隧道開挖后應力重新分布，當二次應力較低，達不到圍巖的彈性極限時，圍巖處于彈性狀態，無需支護就可以保持穩定;當圍巖應力較高時，強度較低時，就會產生塑性變形和斷裂破壞，此外，在節理、裂隙等結構面切割時，有可能在隧道的拱頂和邊墻產生不穩定的楔形塊體。因此在隧道開挖后需要對圍巖應力進行分析，對圍巖的穩定性進行評價，以便采取合理的開挖方式和支護形式。

2.2 失穩形態

石樓隧道開挖后，邊墻的失穩形態主要有以下幾種形式:

1)沿巖層層面平面滑移。

由于地層水平，地下水下伏泥巖接觸帶，使泥巖接觸帶相對富水，促使泥巖風化、泥化速度加快，形成軟弱夾層，與砂巖底部形成滑移邊界，特別是在雨季情況下，軟弱夾層力學強度指標大大降低，在自重作用下使圍巖發生結構面控制型的變形破壞，主要表現為邊墻不穩定塊體沿軟弱結構面或夾層的剪切錯位、拉裂墜落。

2)懸臂式傾倒。

水平巖層的控制爆破要求比較高，邊墻開挖后容易出現巖腔(泥巖)上部臨空的厚層狀砂巖，在重力作用下沿底部支撐點發生反轉傾倒。

3)流塑拉裂。

在砂泥巖互層的邊墻，由于砂巖發育有部分豎向節理，構成水的良好通道從而使水能夠到達泥巖使其軟化并發生流塑，泥巖的流塑又導致上部砂巖體已有的裂隙被拉開，從而使砂巖發生崩塌。

3 對隧道開挖的影響

石樓隧道的水平層圍巖主要以薄層～中厚層砂巖、泥巖、砂質泥巖為主，層間結合差，隧道開挖前，各種結構面一般緊密閉合，開挖后，隨著應力重新分布，隧道周圍的巖體將向臨空面位移，由于水平層理的特殊構造，圍巖體將會被擠出，從而出現鼓脹、脫落。在石樓隧道施工中，由于斷面跨度比較大，隧道開挖后，在節理的影響下，應力逐步釋放，拱部容易形成矩形狀，給后續施工帶來很大安全質量隱患。

4 裂隙水對圍巖的影響

石樓隧道水平層段地下水以基巖裂隙水為主，隧道開挖后，地下水力梯度重新分布，地下水慢慢向臨空面滲流。開挖后邊墻的地下水一般以點狀或面狀滲水，未發現股狀涌水，但這些滲水會逐漸軟化圍巖，致使層間結合力降低，進而影響邊墻的穩定，極易發生拉裂墜落，進而引起大的塌方。

5 主要施工措施

5.1 三臺階法施工

石樓隧道水平層圍巖段按照“短進尺、弱爆破、勤量測、強支護、早封閉”的原則，結合隧道雙線大斷面的結構形式及圍巖結構層理組成、變形等特點，采用三臺階法施工。

三臺階七步法分上中下三個臺階七個作業面，三臺階七步法的特點:一是施工空間大，可以多個作業面平行作業;二是中下臺階左右錯開開挖，有利于作業面的穩定;三是當圍巖有變形時，可以很快調整閉合時間。

三臺階七步法的施工工藝:第1步:開挖弧形導坑，預留核心土，核心土長度3 m～5 m，長度是指順隧道方向，寬度為隧道的1/3～1/2，隧道開挖寬度12 m，核心土的寬度是4 m～6 m，當然是根據圍巖情況進行調整，每循環開挖1榀，留個工作空間也就是1.5 m，開挖太大，有兩個壞處，一是如果開挖太大就會降低自穩能力，二是開挖面封閉時間會長一點。開挖好以后立即初噴3 cm～5 cm的混凝土，增強圍巖自穩能力，避免產生掉塊。然后進行打錨桿掛，立拱架。在拱腳以上30 cm處緊貼拱架打鎖腳錨桿，角度控制在30°左右，最后再復噴混凝土到設計厚度。第2步～第5步就是開挖中下臺階，要注意的就是挖機開挖后預留30 cm人工挖，以防止挖機擾動拱架。另外還要注意左右兩邊要錯開開挖，防止拱架懸空，造成初支下沉，其他同第1步。第6步就是開挖核心土，當然核心土也不能開挖太長，最好和循環進尺一樣。第7步仰拱開挖。一次開挖控制在2 m～3 m。這樣就達到了封閉成環的目的，見圖1。

圖1 三臺階法施工示意圖（單位：m）

5.2 增設格柵鋼架加強拱部圍巖支護強度

在水平層狀巖層中開挖大跨度隧道時，拱頂問題往往比較嚴重。因為水平巖層在洞頂形成類似組合梁結構，如果層間的結合比較弱，特別是當有軟弱夾層發育時，層間剪切強度銳減，組合梁可能演化成疊合梁，頂板的強度與剛度就會大為削弱，在這種條件下易發生彎折變形。

因此，在石樓隧道Ⅲ級圍巖地段，采取拱部145°范圍內增設格柵鋼架的措施，加強拱部支護，具體參數見表1。

表1 石樓隧道Ⅲ水平巖層拱部圍巖支護參數

5.3 優化鉆爆設計

在水平巖層段開工前進行爆破設計，在施工過程中，根據圍巖情況不斷地優化鉆爆方案，采取弱爆破，盡可能減少對拱部圍巖的擾動。拱部周邊眼間距嚴格控制在45 cm以內，且盡可能少裝藥，采用φ25的小直徑藥卷;二圈眼與周邊眼的距離保持在45 cm～50 cm以內，掏槽眼易布置在開挖斷面中下部。此外在石樓隧道施工中還選用了水壓爆破技術，取得了很好的效果。

5.4 高度重視初噴工序

隧道施工中，一般為了趕進度，都比較忽視初噴工序封閉巖面，失去了封閉巖面的最佳時期，造成裂隙的進一步擴張和裂隙水的滲流，降低了層間結合力，使圍巖產生了松弛變形，未能很好發揮圍巖的自承力。在石樓隧道Ⅲ級圍巖水平層施工中，一直很重視初噴工序。

5.5 幾點體會

1)應最大限度的利用圍巖的自承能力。圍巖穩定是隧道安全施工的基本條件，水平互層圍巖的隧道開挖后穩定性極差。通過前人的研究成果，結合石樓隧道的實際地質情況，對水平互層圍巖隧道施工中所采用的臺階法進行施工力學和爆破力學的模擬分析，不斷優化鉆爆設計，特別是水壓爆破技術的推廣應用為水平巖層隧道的施工提供了強有力的理論支持。

2)應充分發揮支護以及圍巖的共同作用，高度重視隧道錨桿的施工，錨桿加固的作用不僅僅是懸吊作用，更主要的是使圍巖內的應力條件得到改善，同時還能提高圍巖的整體強度，使強度得到提高的巖體環繞隧道形成加固拱，主動的加固圍巖與圍巖共同作用。

3)基于監控量測、施工地質調查與施工方法。

水平巖層的特點掌子面前方地質情況一般沒有較大的突變現象，但其地質分布的特點為:巖層層理分布不均勻，薄厚不一，變化較大;巖層巖性變化較大，砂巖、泥質砂巖、泥巖交替出現，尤其在拱部位置，很難完全掌握其分布規律;現場施工中沿隧道縱向采取TRT6000地震波超前地質預報，結合掌子面地質素描和設計圖紙，確定前方裂隙節理發育密集帶，提前做好工序的轉換，減小進尺，加強支護。

4)高度重視圍巖變形破壞的累進性發展。在進行圍巖穩定性的分析、評價時，必須充分考慮圍巖累進性破壞的過程和特點。同時針對控制圍巖失穩破壞的關鍵部位采取有效的措施，防止累進性破壞的發生和發展。

［1］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理［M］.北京:地質出版社，2009.

［2］關寶樹.隧道力學概論［M］.成都:西南交通大學出版社，1993.

［3］孫廣忠.巖體力學基礎.［M］.北京:科學出版社，1983.