浅析平岩层隧道的设计与施工

陈海军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

包西铁路大保当至张桥段,北起神延铁路的大保当车站,南至西延线的张桥车站,线路纵贯陕西省北部和关中地区。该段线路全长 561.6km,共有隧道 94座,总延长约 152km,全部分布在鱼河峁至庆兴村之间的陕北黄土高原梁峁沟壑区。其中绥德至延安段增建二线,速度目标值 160km/h,共有单线隧道 29座,总延长约 50km;延安至张桥段,速度目标值 200km/h,为新建双线隧道,共计 65座,总延长约 102km。

隧道穿越地层岩性主要为近水平状沉积的碎屑岩类的砂岩和黏土岩类的页岩、泥岩,其中又以砂岩夹页岩、页岩夹砂岩和砂岩夹泥岩为主。线路穿越中朝准地台的陕甘宁台坳和汾渭地堑二个二级构造单元,地下水类型主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。出露水平岩层及基岩裂隙水如图1所示。

图1 出露水平岩层及基岩裂隙水

隧道穿越的水平岩层围岩划分主要为Ⅲ级和Ⅳ级,其中Ⅲ级围岩约占单线隧道总长的 48%,Ⅳ级围岩约占单线隧道总长的 18%;Ⅲ级围岩约占双线隧道总长的 65%,Ⅳ级围岩约占双线隧道总长的 17%,Ⅲ级围岩所占比例较大。

2 施工中平层围岩坍塌掉块情况

自 2007年 11月开工以来,所有的石质隧道均遇到水平岩层坍塌掉块问题,尤其以Ⅲ级围岩地段为重。

从施工反馈的信息看,由于单线隧道跨度较小,断面小,爆破振动易控制,且大部所处地区降雨频率及雨量较小,地下水的地表补给少,拱部掉块坍塌问题不是很普遍,局限于个别隧道;而双线隧道跨度大,断面也大,爆破振动不易控制,所处的地理位置降雨频率及雨量均较大,地下水的地表补给充分,拱部坍塌掉块的几率较大,问题比较突出。

隧道施工的监测资料反映,一般拱部局部坍塌掉块滞后隧道掌子面开挖距离 2～3倍洞径,30～50m或更长,即发生掉块时,该段初期支护施工已完成一段时间,并且是分次逐步坍塌,开始规模较小,慢慢牵引临近地段,坍塌规模逐渐扩大,段落逐渐加长,最长的达 50m。一般双线隧道拱部坍塌宽度为 5～8m,高度为 1～5m,最大的可达 8m,呈倒漏斗状或箱形状。坍塌地段拱部出露地质情况主要为薄层页岩、页岩夹薄层砂岩或薄层砂页岩互层,垂直节理发育,岩层完整性较差,局部有渗水,易随时间的推移而失稳。单线及双线隧道拱部掉块情况如图2、图3所示。

图2 单线隧道拱部掉块情况

图3 双线隧道拱部掉块情况

3 平层围岩掉块机理特征和原因分析

水平岩层是在开阔台地或平静泻湖中沉积形成的近水平层状沉积岩,老岩层在下,新岩层在上,其后期未受大的地质应力作用。在地形地质图上,岩层的地质界线与地形等高线平行或重合;在山顶或孤立山丘上的地质界线呈封闭的曲线;在沟谷中呈尖齿状条带,其尖端指向上游。岩层顶、底面之间的垂直距离是岩层的厚度,岩层出露宽度是其顶、底面出露线之间的水平距离。

3.1 掉块机理特征

水平岩层隧道在开挖并支护一段时间后,拱部围岩失稳坍塌的过程可概括为:隧道开挖后,周边临空面岩体失去支撑并产生向隧道内的位移,由于沉积岩互层,节理裂隙发育,层间黏结力弱,竖向不能承受或只能承受很小的拉应力,因此在岩体压力和自重作用下,层间节理逐渐张开,并产生破裂,从而使层状岩层的各层之间处于离层状态,致使隧道拱部产生松动和松弛;随着时间的推移,节理之间的层状岩层在应力重分布作用下受到围岩的压力作用而发生断裂,整个岩体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪切变形,向隧道内部挤进而失稳。

3.2 原因分析

通过对全线平层围岩隧道未开挖段落的分析以及对已开挖段落的归类和总结,经过对发生坍塌和没有坍塌的地段所对应的不同地质情况的大量、认真研究,并结合洞外踏勘后,认为本区隧道水平岩层砂岩相对较硬,而泥岩、页岩岩质相对较软,软硬不均,风化差异较大,软质岩石易风化,在垂直发育的两组主要节理切割下容易失稳,继而坍塌掉块。

(1)地质原因

①层理水平,倾角较小

本区在地质构造上主要表现为自中生代晚期开始大面积的缓慢抬升为主。因此沿线隧道工程涉及的侏罗系、二叠系、三叠系、石炭系砂岩、页岩、泥岩及其互层地层平缓,呈微倾向北和北西的单斜地层,倾角北段一般为 3°～7°,南段 5°～10°,这是拱部稳定性较差的物质因素。

②垂直节理,裂隙发育

本区岩体主要发育两组构造垂直节理,大致为东西向和南北向,东西向节理间距 0.5～1.5m,连通性较好,南北向较稀,间距 2～3m。这两组节理对岩体切割,隧道开挖下部临空后应力调整,当节理密闭,结合紧密时,应力调整时间较长,在隧道掌子面后方易产生塌方,当节理微张或张开,节理结合较差时,应力调整时间短,往往在掌子面开挖后很快出现掉块现象。

③岩层互层,软硬相间

本区发育的岩层一般以砂岩夹页岩、砂岩夹泥岩、泥岩夹砂岩、页岩夹砂岩为主,泥岩及页岩一般以砂质为主,岩质相对较软,砂岩以钙质为主,岩质相对较硬,岩性软硬相间,岩体风化不均,层间结合相对较差,是拱部坍塌的原因之一。

④偶有渗水,软化围岩

隧道洞身通过地层大部分地下水不发育,根据隧道开挖揭示的实际情况,隧道内地下水一般为点状或面状渗水,但这些少量的地下水致使围岩层间或结构面结合力降低,进而影响拱部围岩的稳定。

⑤拱顶覆盖的水平岩层厚度较薄

部分隧道拱部处在页岩、泥岩中,层厚较薄,光面爆破效果很差,隧道拱部很难形成自然拱,在其上部较厚的黄土荷载压力下,造成拱部局部坍塌。

⑥平层围岩临近断层及其影响带

个别隧道处于断裂褶皱带上,区域地质比较复杂,拱顶局部坍塌地段距离断层很近,最大距离不到 100m,受爆破振动影响等不利因素,拱顶坍塌频频发生。

(2)其他原因

①设计标准

参照现行隧道设计的相关规范,并类比已建成和在建的相关工程,我国隧道Ⅲ级围岩初期支护,双线以锚、喷、网为主,单线以喷、锚支护为主,具体参数可根据实际情况略做调整,但均没有考虑设置钢架,隧道抗坍塌能力较差。

②开挖放炮振动

由于Ⅲ级围岩大都采用全断面施工,一次装药量大,爆破振动大,超欠挖普遍且严重,欠挖处应力集中,岩石慢慢剥落。临近掌子面喷射混凝土的早期强度,受爆破振动影响大。

③施工工序不甚合理

施工工序拉的相对较长,仰拱和二衬均相对滞后,不能早日封闭成环参与受力,也是导致坍塌掉块的原因之一。

4 建议处理方案

水平岩层开挖后,一般边墙的稳定性较好,不易出现边墙内挤侧移、变形侵限等情况,而拱部尤其是两侧拱脚超挖比较严重,受后续爆破振动的影响,已经支护的段落拱部容易出现掉块,甚至坍塌现象,威胁作业人员的安全。

结合目前施工的整体水平,考虑结构要求及确保施工和运营安全,建议根据隧道拱部水平围岩不同的地质情况采取针对性的处理措施。

4.1 Ⅲ级水平岩层初期支护加强

(1)中厚层 -厚层砂岩

隧道拱部围岩为砂岩,中厚层 -厚层,节理较发育或不发育,呈大块状结构,岩体完整,围岩稳定性较好。基岩裂隙水不发育,或偶有渗水,可采用常规支护进行。支护措施为:单线水平岩层隧道Ⅲ级围岩初期支护为湿喷 C25混凝土 7cm,拱部局部设系统锚杆,长2.0m,间距 1.2m×1.5m;双线水平岩层隧道Ⅲ级围岩初期支护为湿喷 C25混凝土 10cm,拱部喷混凝土中设置钢筋网,网格间距 25cm×25cm(下同),拱部设系统锚杆,长 2.5m,间距 1.2m×1.5m呈梅花形布置。

(2)中厚层砂岩、砂岩夹页岩(泥岩)

隧道拱部围岩为砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),砂岩与泥岩中厚层状,节理较发育,岩体较完整,呈块状结构,边墙稳定,受节理切割拱部时有掉块发生,高度一般小于 1m,基岩裂隙水不发育,局部湿润或偶有渗水,采用加强喷锚的支护措施。

单线隧道拱部锚杆增长至 3m,间距 1.2m×1.5 m,适当增加拱部喷层厚度,以不超过 15cm为宜,其强度等级不应低于 C25,拱部喷混凝土中设置钢筋网,网格间距 25cm×25cm;双线隧道拱部锚杆可增长至4m,间距 1.2m×1.5m,适当增加拱部喷层厚度,以不超过 18cm控制,拱部喷混凝土中设置钢筋网。

(3)薄层砂岩、砂岩夹页岩(泥岩)

隧道拱部围岩为砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),薄层状,节理发育,岩体完整性较差,层间结合差,多有分离现象;边墙稳定性较好,受节理切割拱部掉块塌落严重,高度一般 1～3m,且掉块塌落一般没有预兆,发生突然。基岩裂隙水不发育,局部偶有渗水,这种情况采用拱部增设钢架的措施加强,钢架的设置范围可视情况而定,结合掌子面的地质岩性分为 120°、150°和 180°。

单线隧道拱部设置钢架,间距为 1.2～1.5m,设钢架范围喷射混凝土厚度与钢架喷平即可,一般不超过 15cm,边墙喷射混凝土厚度不变。钢架的断面可以采用平面钢架或三角钢架,喷射混凝土的强度等级不应低于 C25,拱部喷混凝土中设置钢筋网。

双线隧道拱部设置钢架,间距为 1.2～1.5m,设钢架范围喷射混凝土厚度一般不超过 18cm,边墙喷混凝土厚度不变。钢架的断面可以采用三角钢架或四边形格栅钢架,喷射混凝土的强度等级不应低于 C25,拱部设置钢筋网。

(4)薄层有水砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),或砂泥岩、砂页岩互层

隧道拱部围岩为砂岩、砂岩夹页岩(泥岩),或砂泥岩、砂页岩互层,薄层状,节理发育,岩体完整性较差,层间结合差,多有分离现象;边墙由于软岩有风化现象,稳定性相对较差,受节理切割拱部掉块塌落严重,高度一般 2～4m,且掉块塌落一般在开挖后距离掌子面一定距离处,发生突然。基岩裂隙水较发育,局部有水,采用拱墙增设钢架的措施予以加强。

单线隧道拱部锚杆增长至 3m,间距 1.2m×1.5 m,梅花形布置。拱墙设置格栅钢架,间距为 1.2～1.5 m,喷射混凝土厚度一般不超过 18cm。其强度等级不应低于 C25,拱部设置 φ6mm钢筋网。

双线隧道拱墙设置格栅钢架或 I16型钢钢架,间距为 1.2～1.5m,喷射混凝土厚度以与钢架喷平即可,一般不超过 20cm,其强度等级不应低于 C25,拱部设置钢筋网。

4.2 水平岩层围岩级别的调整

如果水平岩层地段围岩整体较差,软弱夹层对围岩稳定性影响突出定Ⅲ级围岩,则应调整为Ⅳ级,按Ⅳ级围岩的支护措施进行支护,以保证安全。

5 建议施工方法

5.1 施工方法

(1)加强喷锚支护时,建议采用全断面开挖,进尺以不超过 2.5m为宜,及时施作初期支护。

(2)拱部增设钢架时,建议采用台阶法施作,台阶的高度应根据钢架的设置范围而定,钢架落脚处需设台阶,并扩大拱脚,确保钢架基础稳定。

(3)拱墙增设钢架时,应参照Ⅳ级围岩的施工方法进行,采用台阶法施作,确保安全。

5.2 注意事项

(1)优化每循环进尺,合理确定炮眼深度,采用短进尺浅孔爆破,有效减少超挖。

(2)提高装药质量和爆破技术,采用小直径药包连续装药,采用“等差”雷管、控制相邻段位炮孔起爆时差不小于 50ms,避免爆破振动波叠加,控制爆破振动速度小于 50cm/s,减少对喷混凝土早期强度的影响。

(3)由于爆破后开挖面的不平整,喷混凝土厚度的离散性非常大,必须进行湿喷,确保喷层早期强度及厚度。

(4)严格锚杆施工,确保有效锚固长度,必须设置垫板。

(5)根据现场施工情况,仰拱紧跟地段,石质隧道很少出现塌方。建议严格控制施工工序,仰拱距开挖面距离应控制在 50～60m,二次衬砌距开挖面的距离控制在 120m以内。

(6)做好超前地质预报工作,尤其是拱部围岩岩层厚度的测试工作。

经过 2008年 10月专家论证会的论证和施工实践的检验,上述措施是合理和可行的,并取得了较好的效果。该设计理念在后续兰渝线、兰新二线、黄韩侯线等不同设计时速、不同跨度隧道设计中得到广泛采用和推广。

6 结语

Ⅲ级围岩水平岩层拱部的稳定性与地层岩性、施工工序和后续支护时间密切相关。解决该问题,首先要弄清楚围岩的岩性构成及层理组成,然后采取针对性的措施,该加强支护的地段务必加强。施工中应“快支护、快封闭”,“快支护”要求开挖后及时封闭岩面,尽快施作初期支护,防止暴露时间长,围岩大幅松弛、松动;“快封闭”则要求支护结构在最短的时间发挥最有效的作用,尤其是仰拱紧跟。

拱部掉块、坍塌是水平岩层隧道经常遇到的一个问题,尤其是Ⅲ级围岩地段,该问题尤为突出。虽然许多工程在建设过程中对该问题作了一些研究,而且采用各种手段也都能解决所遇到的问题,但是缺乏一个系统、完善处理类似问题的措施或指导意见。究其原因,一是设计阶段受相关规范和常规理论的制约,加上不同岩层岩性的预测具有很大的不确定性,难以有针对性地采取措施,并考虑相应的费用;其次是施工初期,开挖后围岩能够稳定一段时间,易给施工人员造成假象,不能引起重视;第三是各个工程因地质条件的差异性,岩层表现出不同的构成和形式,且地下工程的隐蔽性,给现场处理造成一定的困难。因此,建议在今后的设计和施工中,应系统分析岩层的特征,对施工技术进行研究,以便形成隧道勘察、设计、施工成套技术,达到降低成本,减小施工风险的目的。

[1]TB10003— 2005,铁路隧道设计规范[S].

[2]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1998.

[3]铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册(隧道)[M].北京:中国铁道出版社,1995.