近水平软弱岩层隧道施工研究进展

2011-04-14缪成银彭雪峰

四川建筑 2011年6期

缪成银，彭雪峰，郑宏

(四川公路桥梁建设集团有限公司公路三分公司，四川成都610200)

近水平软弱岩层是隧道工程作业经常遇到的一种地质构造，如果施工方法或支护参数不当，在开挖过程中，隧道的拱顶会出现大面积平顶、落石、塌顶等现象。这不仅直接影响隧道的光面爆破效果，还会影响毛洞的围岩稳定性、初期支护的数量和永久支护的混凝土工程量，增加工程投资。

另外在软弱水平岩层中，岩体通常都较为破碎，节理发育，粘着性差，完整程度不高，围岩稳定性较差，施工中极易形成严重超欠挖。超欠挖问题的发生不仅增加附加工作量，还将严重影响洞室稳定，也关系到初期支护和二次衬砌的质量［1］。分析影响水平岩层中围岩的稳定性的因素，确定防止围岩失稳垮塌的措施，对于水平岩层条件下隧道的顺利施工具有积极意义。

截至目前，针对近水平软弱岩层隧道修建的研究还不是很多。研究的手段主要包括理论分析、模型试验和数值计算三种方法，研究重点则集中在隧道稳定性研究、光面爆破技术研究、施工方案及支护技术等方面。

1 近水平软弱岩层隧道稳定性研究

近水平岩层隧道施工过程中，围岩的稳定性对于隧道施工期及营运期的安全至关重要。对于近水平岩层而言，隧道开挖对其围岩产生卸载效应，围岩产生向隧道内的位移，由于层间节理粘结力弱，不能承受或只能承受很小的拉应力，导致层间节理逐渐张开并产生破裂，围岩各层之间处于离层状态;随着时间推移，节理之间的层状岩层在重分布应力作用下受到围岩压力的剪切作用而发生断裂，整个岩体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变形，向开挖空间挤进而造成失稳。通常，隧道开挖后拱部和底板容易产生松动和松弛，是超欠挖和局部失稳易发生部位;隧道失稳形态一般可分为顶板弯折和底板鼓起两种情况。

刘鹏等人以东兴场隧道为工程依托，采用相似模型试验方法对隧道开挖后围岩变形各阶段进行模拟，得出了该隧道开挖后围岩的变形过程分为弯曲内鼓－拉裂－折断塌落3个阶段［2］。李德海用连续介质力学的方法，分析开采煤层上覆近水平层状结构岩体受开采的影响，在其自身重力作用下的移动机理，并定量地解释了岩层的移动现象，得出了岩层中下沉盆地剖面方程式［3］。何军等人以广元至巴中高速公路东兴场隧道穿越水平岩层为工程依托，采用离散单元法对隧道变形破坏的主要因素进行模拟，得出了岩层厚度、隧道埋深等因素对围岩稳定性的影响规律［4］。晏莉等人运用数值模拟方法研究了围岩塑性区及中间岩柱的稳定性，分析了不同间距条件和不同围岩互层类型对中间岩柱稳定性的影响，并提出了改进的双孔隧道中间岩柱稳定安全系数计算方法［5］。杨峰等人针对水平层状岩体火麻冲连拱隧道，利用数值模拟手段和现场实测，探讨了水平层状岩体条件下连拱隧道围岩与支护结构变形受力特点，指出了连拱隧道结构设计与施工过程的薄弱环节［6］。关惠平等人依托广巴高速公路某近水平岩层隧道，基于监测结果，分析了近水平岩层隧道围岩变形特点、变形原因，划分了围岩变形阶段。通过监测数据的回归分析，提出利用位移加速度正负的判据来分析评价围岩稳定性［7］。周应麟等人分析了层状岩层围岩隧道受力特点，并提出层状岩层围岩隧道破坏机理及其四种典型失稳模型，结合湖南省常张高速公路关口垭隧道工程，利用有限元程序对不同倾角岩层围岩进一步分析了支护结构受力特点，总结出不同产状围岩的受力特征及相应二衬的最不利受力处，对相似层状岩层隧道设计及施工具有一定的参考价值和指导意义［8］。高磊等人运用离散元数值模拟研究了隧道围岩变形破坏机制，认为受层面与节理面切割形成的块体在重力作用下极易发生掉落，在拱顶和拱肩部位易造成超挖，而边墙和拱底部位围岩较为稳定［9］。寇智勇等人根据广元至巴中高速公路某隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段典型监测断面初期变形数据的数理统计和分析，给出了该隧道近水平沉积岩层隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩总收敛的均值及满足二次衬砌要求的时间均值［10］。汶文钊认为水平岩层的结构构造特征对隧道围岩的稳定性有很大的影响，依托横山隧道对水平岩层的稳定性进行了分析，提出了水平岩层隧道施工中应采取的措施［11］。

由以上研究内容可知，目前针对近水平软弱岩层隧道稳定性的研究数量较多，但是大多数都是采用数值模拟方法进行简单的计算，其评价大多也只停留在半定量半定性的水平。揭示近水平软弱岩层隧道失稳机理及围岩与支护结构相互作用机理的研究尚少。

2 隧道光面爆破技术研究

目前山岭隧道施工方法仍以新奥法为主，光面爆破作为新奥法的重要元素，其爆破效果对隧道围岩、支护结构受力影响显著。在结构完整、节理、裂隙不发育的围岩中进行光面爆破，爆破质量容易控制。然而近水平岩层中往往存在大量的裂隙、节理以及夹层，水平方向节理发育，在这种情况下进行光面爆破遇到了很大的困难，超爆现象时有发生。因此，优化爆破方案，提高光面爆破质量，改善爆破效果，对于近水平软弱岩层隧道施工尤为重要。

周宴成以太(原)中(卫)银(川)铁路柳林隧道为工程背景，在分析隧道施工地质情况的基础上，探讨了影响水平岩层隧道光面爆破效果的因素，对隧道水平岩层钻爆施工技术进行了研究，提出了减小爆破震动的措施［12］。方俊波等人以小浪底东苗家滑坡体排水洞施工为例，分析了在薄水平岩层、破碎围岩中修建隧道所产生的超挖现象，提出了包括楔形掏槽、控制周边眼装药参数、空孔导向、减震爆破等在内的一套针对薄水平及破碎围岩的爆破控制技术，取得良好的效果，有效减小了超欠挖的比例［13］。杨峰等人从炸药破岩机理以及应力波通过节理、夹层传播规律来分析产生超、欠挖现象的原因，认为实际施工中应根据具体地质情况及时调整爆破参数，对隧道轮廓线的不同部位，采取不同的调整措施，可以有效的减少超挖现象［14］。杨宗华以客运专线小坡山隧道作为依托工程，针对不同软硬互层围岩，施工中采用了小间距光爆技术，并在实际应用中不断地修正爆破参数，以减小爆破对层状岩层扰动，减小施工超欠挖量，确保了开挖质量和围岩稳定［1］。

目前，为了控制隧道的超欠挖问题，针对施工过程中的光面爆破技术的研究较为充分，也取得了一定的经验积累。但是由于水平岩层的产状及其岩性等在不同的工程中存在其各自的特殊性，因此，实际工程中在借鉴已有经验的同时，还应注意结合工程实际，不断对光面爆破技术在近水平破碎岩层中的应用予以完善。

3 隧道施工方案及支护技术研究

施工方案及支护方法的确定直接影响到施工对围岩的扰动程度及加固效果。由于近水平软弱岩层的力学特性显示出强烈的各向异性，所以更应对其进行深入研究。

杨宗华认为近水平岩层隧道开挖边墙部围岩稳定性较好，一次开挖高度可适当加大;为避免爆破振动造成顶部岩板层间强度明显降低，应尽量减少开挖扰动次数;若掌子面围岩稳定性允许，采用大断面开挖技术有利于机械化作业。并结合小坡山隧道的具体情况，确定采用全断面开挖作业方式。隧道轨面以上部分一次爆破成形，落底采用跳挖法横向一次挖成，并搭建栈桥以利出碴，仰拱、铺底与轨面以下矮边墙一次浇筑，其余拱墙混凝土采用整体移动式模板台车、泵送混凝土一次成形，纵向循环长度10m［1］。姚云晓根据亮垭子隧道的地质特点，通过对亮垭子隧道施工方案的比选，以及施工中遇到的具体问题的处理措施的论述，针对软弱水平岩层段大跨隧道的施工技术提出了一些积极看法［15］。杨坚认为隧道Ⅲ级水平岩层围岩，易发生变形破坏引起掉块、坍塌的是隧道拱部，应根据拱部围岩不同的情况采取不同的针对性支护措施，保障了隧道施工安全和运营安全［16］。

杨宗华以小坡山隧道为例，从开挖方法、控制爆破以及支护手段等方面，对其水平岩层Ⅲ级围岩区段施工技术进行了探讨［1］。汶文钊以横山隧道为例，剖析了水平岩层对隧道开挖和支护的影响作用，提出水平岩层隧道施工中应采取的措施，并对施工工艺、施工工序进行优化［11］。张宗伟针对位于水平状灰岩地层的郁山隧道出口段，用了锚网喷相结合的支护技术，使得隧道因水平围岩破碎而出现拱部大面积剥离掉块的现象及时得到了有效控制，确保了隧道施工安全［17］。李长福针对软弱水平岩层的地质特性及对隧道施工的影响，结合工程实例，对隧道在此地质条件下施工时应采取的一些施工技术措施和防范要求进行了阐述和分析［18］。钟放平基于水平层状围岩结构特征，提出层状围岩中隧道开挖支护优化工况，进行桐木湾隧道锚喷支护参数优化对比现场试验和数值模拟分析，根据现场测试和数值模拟结果，分析了锚喷支护参数优化前后的锚杆受力和围岩变形特征［19］。冯文凯等人结合广元－巴中高速公路穿越某水平岩层隧道，根据现场跟踪调查和试验，在对围岩岩性、物理力学性质、地层结构和变形破坏类型等进行分析的基础上，对原支护设计方案进行了优化，并利用施工后拱顶下沉及周边收敛监测结果进一步证明了支护优化设计的合理性［20］。邓少军等人针对水平互层岩体隧道的开挖特点，采用FLAC进行数值模拟，优化了锚杆支护参数，降低了支护成本［21］。

目前，针对近水平岩层隧道施工方案及支护技术的研究仍停留在施工技术总结的层面上。尤其是支护技术研究，主要以经验为主，尚未从近水平软弱岩层的各向异性受力特征及其破坏失稳机理提出具有针对性的衬砌支护形式。