鐵路隧道施工階段圍巖級(jí)別的劃分

張江衛(wèi)

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030000)

鐵路隧道施工階段圍巖級(jí)別的劃分

張江衛(wèi)

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030000)

由于工程地質(zhì)工作受到自然環(huán)境等因素影響的原因，在勘探階段，用以地面測(cè)繪資料為主做出的地質(zhì)預(yù)報(bào)來指導(dǎo)施工，其精度是不夠的。文章結(jié)合某鐵路隧道在施工階段結(jié)合圍巖級(jí)別的影響因素開展圍巖分級(jí)的研究，用以指導(dǎo)該隧道的設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)為類似工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

隧道； 圍巖； 級(jí)別； 劃分

由于工程地質(zhì)工作受到自然環(huán)境等因素影響的原因，在勘探階段，用以地面測(cè)繪資料為主做出的地質(zhì)預(yù)報(bào)來指導(dǎo)施工，其精度是不夠的。如美國(guó)科羅拉多州羅伯特隧道地面測(cè)繪確定的斷層和巖脈是隧道開挖中遇到的斷層和巖脈的1%～9%，即使是較大的斷層和巖脈，測(cè)繪確定的也僅是開挖遇到的12%～47%。在隧道施工中，不但要了解宏觀的地質(zhì)構(gòu)造，還要了解巖體的結(jié)構(gòu)以及地下水的發(fā)育情況等。

為此，文章結(jié)合張集線舊堡鐵路隧道對(duì)施工階段圍巖分級(jí)的影響因素和分級(jí)方法進(jìn)行了研究。

1 工程概況

舊堡隧道起訖里程DK25+270～DK34+855，全長(zhǎng)9 585 m，是張集線最長(zhǎng)的隧道和重點(diǎn)控制工程。隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，通過的主要地層巖性為古老的太古界變質(zhì)巖(麻粒巖、淺粒巖)，因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，隧道通過1條大斷裂(F3)和12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈。由于受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，圍巖完整性狀況遠(yuǎn)比鉆孔資料揭示的圍巖完整性狀況要差，再加上地下水的發(fā)育，多數(shù)地段隧道圍巖都比設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別低，處于斷層破碎帶的圍巖條件更加惡化。進(jìn)口段為新黃土夾砂礫石，長(zhǎng)度466 m，埋深7～18 m；其余地段為麻粒巖、磁鐵石英巖、淺粒巖，均為變質(zhì)巖，最大埋深約為493 m。設(shè)計(jì)階段圍巖基本分級(jí)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)長(zhǎng)度分別為2 770 m、4 115 m、1 785 m、915 m，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖占71.8%，見表1所示。

表1 設(shè)計(jì)階段隧道圍巖基本分級(jí)

為確保隧道施工安全和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，對(duì)受復(fù)雜多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的變質(zhì)巖隧道圍巖在施工階段必須根據(jù)實(shí)際揭露的圍巖特征和地下水發(fā)育情況、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行綜合分析，對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行調(diào)整，并引入動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理念，加強(qiáng)對(duì)施工過程的監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，反饋隧道設(shè)計(jì)施工，以確保隧道安全施工。

2 隧道施工階段的圍巖分級(jí)

2.1 隧道施工階段圍巖分級(jí)影響因素

隧道圍巖等級(jí)的判定受多種因素的影響，主要有巖性、巖體結(jié)構(gòu)以及地下水巖層產(chǎn)狀與洞軸線的關(guān)系、地應(yīng)力等地質(zhì)方面的修正因素[1]。鑒于此，舊堡隧道進(jìn)行了施工階段的圍巖調(diào)整，主要原因有：

(1)舊堡隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，通過的主要地層巖性為古老的太古界變質(zhì)巖(麻粒巖、淺粒巖)，因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，隧道通過1條大斷裂(F3)和12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈。

(2)施工揭示地層普遍發(fā)育小斷層糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶、三組以上結(jié)構(gòu)面，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動(dòng)力變質(zhì)礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物。在普遍發(fā)育的具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面充填物極易軟化流失，誘發(fā)圍巖變形失穩(wěn)。處于斷層構(gòu)造帶內(nèi)巖體極破碎松軟，斷層泥遇水具有膨脹性，地下水豐富，呈股狀水流出。

(3)由于隧道開挖擾動(dòng)的影響，地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致圍巖條件惡化。因此，隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)是施工階段圍巖級(jí)別發(fā)生變化的重要因素。

2.2 施工階段圍巖分級(jí)方法

鐵路隧道由于其所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，初步設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確可靠地獲取分級(jí)中一些定量參數(shù)有困難。因此，圍巖級(jí)別的劃分可分為施工前圍巖級(jí)別的判定和施工階段圍巖級(jí)別的修正兩步進(jìn)行。通過施工前地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察，填寫施工前圍巖級(jí)別判定卡，對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行初步劃分；施工階段再根據(jù)開挖圍巖地質(zhì)素描對(duì)圍巖分級(jí)進(jìn)一步校正和修正[2]。

舊堡隧道在多數(shù)地段施工時(shí)，在隧道開挖時(shí)巖面無水或少量滲水，7～21 d后初期支護(hù)噴射混凝土表面出現(xiàn)滲水或股水，壓力高，短期內(nèi)急速造成初期支護(hù)噴射混凝土開裂、崩落，鋼架扭曲大變形甚至銼斷。通過施工中不斷加深認(rèn)識(shí)，逐漸明確了構(gòu)造交匯區(qū)古老變質(zhì)巖巖體特征和地下水特征，地下水是造成隧道初期支護(hù)變形甚至坍塌的主要原因。因此在隧道施工階段應(yīng)根據(jù)開挖揭示的巖體特征及地下水賦存狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整圍巖級(jí)別和采取加強(qiáng)措施對(duì)保證施工安全是非常必要的。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](TB 1003-2005)中關(guān)于地下水影響的修正見表2所示。

表2 考慮地下水影響后的級(jí)別修正

根據(jù)表2可知：舊堡隧道地下水狀態(tài)的分級(jí)應(yīng)為Ⅲ級(jí)。對(duì)于Ⅱ級(jí)和Ⅲ圍巖，在地下水的影響下，圍巖級(jí)別只相應(yīng)地降低1個(gè)級(jí)別。這顯然與本隧道施工揭示的圍巖有明顯的差異。本隧道位于構(gòu)造交匯區(qū)，隧道巖體為碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部夾有糜粒巖泥質(zhì)膠結(jié)充填物，由于多次壓扭，巖體已變得細(xì)密隔水，導(dǎo)致舊堡隧道普遍發(fā)育承壓水。而現(xiàn)行的規(guī)范對(duì)高水壓條件下的圍巖如何修正未給出明確的說明，既然地下水的影響在鐵路隧道圍巖分級(jí)中所占的權(quán)重較大，對(duì)此類隧道在施工階段圍巖分級(jí)時(shí)應(yīng)一步調(diào)整到位。

2.3 圍巖級(jí)別實(shí)例分析

以DK28+665～DK29+160段為例，對(duì)施工階段圍巖級(jí)別的調(diào)整進(jìn)行分析。

舊堡隧道DK28+665～DK29+000段335 m范圍內(nèi)原設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)圍巖，實(shí)際圍巖因受多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，發(fā)育小斷層糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶、三組以上結(jié)構(gòu)面，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動(dòng)力變質(zhì)礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物，圍巖自穩(wěn)性差。在普遍發(fā)育的具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面充填物極易軟化流失，誘發(fā)圍巖變形失穩(wěn)，在施工中連續(xù)發(fā)生大變形、鋼架變形扭斷、初支侵入限界。為了確保施工質(zhì)量和安全，該段全部變更為Ⅴ級(jí)圍巖，并采取了加強(qiáng)支護(hù)加強(qiáng)和加大預(yù)留變形量等措施。

舊堡隧道DK29+000～DK29+160段160 m設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，實(shí)際圍巖為斷層破碎帶及影響帶，巖體極破碎，呈角礫碎狀松散結(jié)構(gòu)，有少量構(gòu)造裂隙水，在裂隙水的作用下，巖體易軟化，圍巖自穩(wěn)能力差，洞身收斂變形大，收斂變形量最大達(dá)47.8 cm，平均每天變形量為28 mm，最大每天變形量達(dá)123 mm。在施工過程中連續(xù)長(zhǎng)段落發(fā)生變形侵限，為了避免初支變形侵限，采取了加強(qiáng)支護(hù)和加大預(yù)留變形量等措施，鋼架由Ⅰ20b變?yōu)棰?2b，甚至變?yōu)棰?5b，在變形侵限段進(jìn)行了二次換拱。

為此，采用前述方法對(duì)圍巖進(jìn)行了調(diào)整，見表3。

表3 DK28+665～29+160段圍巖分級(jí)統(tǒng)計(jì)[5]

經(jīng)過調(diào)整以后，施工中極大的提高了安全保障，對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量等都有很好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

(1)開展施工前和施工期兩階段的隧道圍巖分級(jí)是有必要的。

(2)對(duì)隧道施工階段的圍巖分級(jí)，除了應(yīng)考慮巖石的強(qiáng)度、巖體完整性等因素外，還應(yīng)綜合隧道所處的地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)考慮地下水的影響。

(3)舊堡隧道開挖初期無滲水，開挖擾動(dòng)在隧道周圍形成一定范圍的松動(dòng)區(qū)與塑性區(qū)，隔水層因強(qiáng)度破壞而斷裂，產(chǎn)生溝通含水層的新裂隙，導(dǎo)致地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致圍巖條件惡化。因此，隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)是施工階段圍巖級(jí)別發(fā)生變化的重要因素。

[1] 于麗，王明年，房敦敏，等.巖質(zhì)圍巖施工階段亞級(jí)分級(jí)的數(shù)量化理論研究[J].2009，30(12):3847-3850

[2] 王明年，何林生.建立公路隧道施工階段圍巖分級(jí)的思考[J].廣東公路交通.1998，(S1):125-127

[3] TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

張江衛(wèi)(1982～)，男，大學(xué)畢業(yè)，工程師，主要從事隧道工程建設(shè)和管理工作。

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