Ⅱ級圍巖薄板狀水平巖層隧道施工技術研究及應用

摘要：文章針對某隧道施工過程中水平巖層段在隧道開挖過程中出現的平拱、頂板變形過大、易坍塌等現象，對產生這些危害的原因及機理進行了分析。根據分析結果，在施工過程中針對容易產生危害的區域，通過調整爆破參數和炮眼布置、加強初期支護措施等技術手段，確保隧道施工安全。對于水平巖層隧道，在控制頂板坍塌和變形方面，前期控制預防相對于后期被動控制效果要好。

關鍵詞：Ⅱ級圍巖薄板；水平巖層隧道；薄板狀巖石；施工技術；隧道施工 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU74 文章編號：1009-2374（2015）03-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0220

隨著國家基礎建設的不斷發展，鐵路建設也在如火如荼地大力跟進，為國家經濟發展提供強有力的運輸保障。目前國內關于水平巖層隧道的研究及施工技術報告也有不少，采用的研究方法也有多種，涉及水平巖層隧道控制的角度也各有不同。在理論研究方面，采用數值模擬技術，對水平巖層隧道圍巖變形機理進行研究，郝文廣認為水平巖層上覆巖層存在組合梁結構，在組合梁的彎曲下沉過程中，上位巖層的抗彎剛度大于下位巖層的抗彎剛度時，離層將會產生。閆永杰等人通過研究提出了水平層狀圍巖在隧道頂板薄弱帶附近由于不同步彎曲形成離層，隧道開挖后拱頂容易失穩坍塌。

在現場實際施工技術方面，楊堅從水平巖層的多種指標進行綜合分析，包括巖石的力學強度、風化程度、節理、層厚、水文等，最后對圍巖的穩定性進行判斷，以確定相應的施工方法。在水平巖層控制爆破方面，張運良等人通過現場試驗確定了水平巖層隧道光面爆破周邊眼的內移量、合理的線裝藥密度等參數，保證了光面爆破效果。方俊波等薄水平圍巖中，破碎帶附近采用隧道拱肩處加密炮眼，利用空孔導向來控制拱肩處斷面成型等技術，保證光面爆破效果。

1 工程概況

承建的某隧道進口端工程中，累計有11.33km的正洞地質設計為Ⅱ級圍巖，Ⅱ級圍巖地段隧道埋深大，地應力偏高，局部地段存在不同程度的巖爆現象，地下水普遍發育。Ⅱ級圍巖地段基本上都處于水平薄板狀灰巖中，局部夾泥質頁巖，竹葉狀灰巖，層狀、塊石狀結構地質。局部地段處于泥、灰巖互層，節理發育，泥質（黃色流塑狀）填充，泥包石狀，地下水發育，呈現出股狀涌水，圍巖節理面有錯動跡象的斷層中。受以上水文地質因素影響，該段圍巖成拱能力極差，爆破開挖后迅速剝落，呈片狀坍塌，致使隧道開挖實際輪廓形成平拱或者尖頂狀，施工中時有險情出現，實為安全生產中的一大隱患。

2 薄板狀水平巖層的破壞機理分析

正如上述諸多研究成果所述，隧道在開挖實施爆破開挖過程中是圍巖應力重新分布的過程，拱部圍巖由原來的三軸應力狀態轉變為二維狀態，拱頂層狀巖層很容易沿著每層巖石的分界面發生分離，其主要原因可歸納為拱頂薄狀層狀巖層，頂板以梁（或板）的形式支撐著上覆巖體的重力作用，保持著應力場的平衡，此時覆巖的力學結構屬于典型的梁（或板）式平衡結構。當爆破開挖跨度達到上覆巖層的極限長度后，層狀巖梁在上部荷載和兩側水平應力及爆破振動荷載的作用下，發生斷裂、離層，當頂板巖層經歷過一次斷裂后，該層巖梁應力即轉化為兩側，同時，在該巖層上方的巖層又轉換為梁板結構，重復發生斷裂、破壞，直至形成壓力拱，最終實現應力平衡。

在薄板狀層狀巖石圍巖隧道中，由于巖層屬于薄板狀，薄板狀截面相對于中性軸z方向的慣性距較小，梁發生彎曲致使其層面上產生的剪應力較大，因此，同樣的巖性層狀圍巖，薄板狀巖石更容易發生剪切斷裂

破壞。

3 施工控制技術重點

3.1 施工總體原則

根據隧道圍巖的特點，主要在開挖和初期支護兩個階段進行控制：（1）在隧道進行爆破設計過程中，完善爆破參數，在容易出現坍塌、超挖部位增設空孔，利用空孔的導向作用，提高隧道輪廓線的成形效果；（2）設計單位提出原則性的支護加強措施：“風險因素及對策措施：隧道內大部分地層呈寬緩波狀起伏，圍巖接近水平，且巖層呈薄至中厚層狀，成拱性差，施工中加強爆破控制，適當加長拱部系統錨桿，加強支護，必要時采用注漿預加固等措施，保證隧道拱部開挖的穩定性和安全性。”

3.2 具體技術措施

3.2.1 調整隧道光面爆破參數。水平巖層的節理面對于爆破的抵抗能力有限，尤其是薄板狀巖層，巖石的層理分布相對更加密集、裂隙更加發育，因此，在采用爆破開挖過程中極易出現超挖、坍塌等現象。施工過程中主要通過以下措施提高和保證隧道光面爆破效果，保證隧道施工安全：（1）通過增加周邊眼與隧道輪廓線水平巖層之間的距離，這樣可以降低由于周邊眼爆破作用對輪廓線外水平巖層的拉伸破壞，降低隧道爆破超挖尺寸；（2）在起拱線以上部位增加空孔，利用空孔引導形成爆破輪廓線的形成，降低水平巖層的超挖量。

3.2.2 加強支護。按照不良地質段采取“寧強勿弱”的施工原則以及各方現場施工指導意見，實際施工中本著“消除隱患，安全第一”的原則，對隧道支護采取了有效的加強措施——增設鋼筋網片和錨桿并加厚噴層（原設計沒有鋼筋網片，錨桿也為局部設置），并在施工中加強圍巖量測及超前地質預報工作。具體參數為：增設Φ25CD反循環錨桿，間距1.0×1.0m，L=3.0m，Φ8鋼筋網，間距20×20cm，布設角度為拱部150°范圍內。

3.3 有益效果

通過采用以上主要技術措施以后，隧道內的超挖現象得到了明顯改善，光面爆破效果得到提高，圍巖的自穩能力得到提升，同時由于超挖現象得到改善，回填混凝土量得到有效控制，隧道施工成本降低，經濟效益明顯。在爆破開挖拱頂易坍塌地段，由于采用了加強支護措施，有效控制了隧道內坍塌事故的發生，施工安全得以保證，同時由于暴露圍巖的變形及位移得到控制，提高了圍巖的整體性，有效發揮了圍巖自身的自穩能力，取得了提高圍巖自身穩定能力和經濟效益的雙贏。

4 結語

通過對Ⅱ級薄板狀水平圍巖隧道施工過程中拱頂出現平拱、局部坍塌等問題產生的機理進行了分析，并采取了針對性的技術措施，達到了較好的施工效果。形成了以下主要心得和結論：（1）薄板狀水平圍巖相對于層厚較大的水平圍巖，拱頂更容易發生離層和變形，也更容易形成平拱，隧道超挖更不易于控制；（2）在水平巖層隧道爆破施工過程中，通過增加周邊眼與隧道輪廓線水平巖層之間的距離，在起拱線以上部位增加空孔等技術措施，可有效提高隧道光面爆破效果；（3）在容易產生拱定坍塌區域，通過采用加強支護措施，可有效控制坍塌范圍的發展，改善隧道受力條件，提高隧道自穩能力。

參考文獻

[1] 郝文廣.水平巖層隧道圍巖變形機理研究與有限元分析[J].鐵道建筑技術，2013，（6）.

[2] 閆永杰，翁其能，吳秉其.水平層狀圍巖隧道頂板圍巖變形特征及機理分析[J].重慶交通大學學報，2011，（30）.

[3] 楊堅.隧道Ⅲ級圍巖水平巖層穩定性及施工方法研究[J].鐵道建筑技術，2010，（3）.

作者簡介：馬龍（1979-），男，四川南充人，供職于中鐵九局集團有限公司，中級職稱，研究方向：黃土隧道沉降

控制。

（責任編輯：秦遜玉）