Ⅱ级围岩薄板状水平岩层隧道施工技术研究及应用

摘要：文章针对某隧道施工过程中水平岩层段在隧道开挖过程中出现的平拱、顶板变形过大、易坍塌等现象，对产生这些危害的原因及机理进行了分析。根据分析结果，在施工过程中针对容易产生危害的区域，通过调整爆破参数和炮眼布置、加强初期支护措施等技术手段，确保隧道施工安全。对于水平岩层隧道，在控制顶板坍塌和变形方面，前期控制预防相对于后期被动控制效果要好。

关键词：Ⅱ级围岩薄板；水平岩层隧道；薄板状岩石；施工技术；隧道施工 文献标识码：A

中图分类号：TU74 文章编号：1009-2374（2015）03-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0220

随着国家基础建设的不断发展，铁路建设也在如火如荼地大力跟进，为国家经济发展提供强有力的运输保障。目前国内关于水平岩层隧道的研究及施工技术报告也有不少，采用的研究方法也有多种，涉及水平岩层隧道控制的角度也各有不同。在理论研究方面，采用数值模拟技术，对水平岩层隧道围岩变形机理进行研究，郝文广认为水平岩层上覆岩层存在组合梁结构，在组合梁的弯曲下沉过程中，上位岩层的抗弯刚度大于下位岩层的抗弯刚度时，离层将会产生。闫永杰等人通过研究提出了水平层状围岩在隧道顶板薄弱带附近由于不同步弯曲形成离层，隧道开挖后拱顶容易失稳坍塌。

在现场实际施工技术方面，杨坚从水平岩层的多种指标进行综合分析，包括岩石的力学强度、风化程度、节理、层厚、水文等，最后对围岩的稳定性进行判断，以确定相应的施工方法。在水平岩层控制爆破方面，张运良等人通过现场试验确定了水平岩层隧道光面爆破周边眼的内移量、合理的线装药密度等参数，保证了光面爆破效果。方俊波等薄水平围岩中，破碎带附近采用隧道拱肩处加密炮眼，利用空孔导向来控制拱肩处断面成型等技术，保证光面爆破效果。

1 工程概况

承建的某隧道进口端工程中，累计有11.33km的正洞地质设计为Ⅱ级围岩，Ⅱ级围岩地段隧道埋深大，地应力偏高，局部地段存在不同程度的岩爆现象，地下水普遍发育。Ⅱ级围岩地段基本上都处于水平薄板状灰岩中，局部夹泥质页岩，竹叶状灰岩，层状、块石状结构地质。局部地段处于泥、灰岩互层，节理发育，泥质（黄色流塑状）填充，泥包石状，地下水发育，呈现出股状涌水，围岩节理面有错动迹象的断层中。受以上水文地质因素影响，该段围岩成拱能力极差，爆破开挖后迅速剥落，呈片状坍塌，致使隧道开挖实际轮廓形成平拱或者尖顶状，施工中时有险情出现，实为安全生产中的一大隐患。

2 薄板状水平岩层的破坏机理分析

正如上述诸多研究成果所述，隧道在开挖实施爆破开挖过程中是围岩应力重新分布的过程，拱部围岩由原来的三轴应力状态转变为二维状态，拱顶层状岩层很容易沿着每层岩石的分界面发生分离，其主要原因可归纳为拱顶薄状层状岩层，顶板以梁（或板）的形式支撑着上覆岩体的重力作用，保持着应力场的平衡，此时覆岩的力学结构属于典型的梁（或板）式平衡结构。当爆破开挖跨度达到上覆岩层的极限长度后，层状岩梁在上部荷载和两侧水平应力及爆破振动荷载的作用下，发生断裂、离层，当顶板岩层经历过一次断裂后，该层岩梁应力即转化为两侧，同时，在该岩层上方的岩层又转换为梁板结构，重复发生断裂、破坏，直至形成压力拱，最终实现应力平衡。

在薄板状层状岩石围岩隧道中，由于岩层属于薄板状，薄板状截面相对于中性轴z方向的惯性距较小，梁发生弯曲致使其层面上产生的剪应力较大，因此，同样的岩性层状围岩，薄板状岩石更容易发生剪切断裂

破坏。

3 施工控制技术重点

3.1 施工总体原则

根据隧道围岩的特点，主要在开挖和初期支护两个阶段进行控制：（1）在隧道进行爆破设计过程中，完善爆破参数，在容易出现坍塌、超挖部位增设空孔，利用空孔的导向作用，提高隧道轮廓线的成形效果；（2）设计单位提出原则性的支护加强措施：“风险因素及对策措施：隧道内大部分地层呈宽缓波状起伏，围岩接近水平，且岩层呈薄至中厚层状，成拱性差，施工中加强爆破控制，适当加长拱部系统锚杆，加强支护，必要时采用注浆预加固等措施，保证隧道拱部开挖的稳定性和安全性。”

3.2 具体技术措施

3.2.1 调整隧道光面爆破参数。水平岩层的节理面对于爆破的抵抗能力有限，尤其是薄板状岩层，岩石的层理分布相对更加密集、裂隙更加发育，因此，在采用爆破开挖过程中极易出现超挖、坍塌等现象。施工过程中主要通过以下措施提高和保证隧道光面爆破效果，保证隧道施工安全：（1）通过增加周边眼与隧道轮廓线水平岩层之间的距离，这样可以降低由于周边眼爆破作用对轮廓线外水平岩层的拉伸破坏，降低隧道爆破超挖尺寸；（2）在起拱线以上部位增加空孔，利用空孔引导形成爆破轮廓线的形成，降低水平岩层的超挖量。

3.2.2 加强支护。按照不良地质段采取“宁强勿弱”的施工原则以及各方现场施工指导意见，实际施工中本着“消除隐患，安全第一”的原则，对隧道支护采取了有效的加强措施——增设钢筋网片和锚杆并加厚喷层（原设计没有钢筋网片，锚杆也为局部设置），并在施工中加强围岩量测及超前地质预报工作。具体参数为：增设Φ25CD反循环锚杆，间距1.0×1.0m，L=3.0m，Φ8钢筋网，间距20×20cm，布设角度为拱部150°范围内。

3.3 有益效果

通过采用以上主要技术措施以后，隧道内的超挖现象得到了明显改善，光面爆破效果得到提高，围岩的自稳能力得到提升，同时由于超挖现象得到改善，回填混凝土量得到有效控制，隧道施工成本降低，经济效益明显。在爆破开挖拱顶易坍塌地段，由于采用了加强支护措施，有效控制了隧道内坍塌事故的发生，施工安全得以保证，同时由于暴露围岩的变形及位移得到控制，提高了围岩的整体性，有效发挥了围岩自身的自稳能力，取得了提高围岩自身稳定能力和经济效益的双赢。

4 结语

通过对Ⅱ级薄板状水平围岩隧道施工过程中拱顶出现平拱、局部坍塌等问题产生的机理进行了分析，并采取了针对性的技术措施，达到了较好的施工效果。形成了以下主要心得和结论：（1）薄板状水平围岩相对于层厚较大的水平围岩，拱顶更容易发生离层和变形，也更容易形成平拱，隧道超挖更不易于控制；（2）在水平岩层隧道爆破施工过程中，通过增加周边眼与隧道轮廓线水平岩层之间的距离，在起拱线以上部位增加空孔等技术措施，可有效提高隧道光面爆破效果；（3）在容易产生拱定坍塌区域，通过采用加强支护措施，可有效控制坍塌范围的发展，改善隧道受力条件，提高隧道自稳能力。

参考文献

[1] 郝文广.水平岩层隧道围岩变形机理研究与有限元分析[J].铁道建筑技术，2013，（6）.

[2] 闫永杰，翁其能，吴秉其.水平层状围岩隧道顶板围岩变形特征及机理分析[J].重庆交通大学学报，2011，（30）.

[3] 杨坚.隧道Ⅲ级围岩水平岩层稳定性及施工方法研究[J].铁道建筑技术，2010，（3）.

作者简介：马龙（1979-），男，四川南充人，供职于中铁九局集团有限公司，中级职称，研究方向：黄土隧道沉降

控制。

（责任编辑：秦逊玉）