浅谈水平岩层隧道施工技术

2017-11-22王国丰

绿色环保建材 2017年8期

关键词：岩层岩体锚杆

王国丰

贵州路桥集团有限公司

浅谈水平岩层隧道施工技术

王国丰

贵州路桥集团有限公司

文章以实际工程为例，从水平层状围岩施工分析入手，介绍了水平岩层隧道施工的关键技术，以期对于实际工程实践具有一定的指导作用。

水平岩层；隧道；施工技术

1 引言

水平岩层隧道即为隧道围岩产状呈水平或近水平的隧道工程，施工过程中开挖工序可能造成围岩卸荷，并引发围岩结构中应力以及地下水的重新分配，并依隧道轮廓沿径向扩展，围岩应力重分布图示见下图1，松动圈的形成引发应力的重新分配，隧道边缘及深处分别形成应力释放及应力集中区，如图中的1、2两区域，3区域为初始应力区域，因此隧道施工过程中易发生拱顶塌落事故，影响着工程总体施工安全性及施工效率。而层状围岩破坏形式也与岩层结构及岩性息息相关。

图1 松动圈形成后围岩应力重分布

2 工程概况

本水平岩层隧道施工工程为某区域高速公路隧道，该隧道总长2300米，隧道埋深50米～245米，线路纵坡1.3%，该地域地层岩性为第四系冲洪积层，围岩主要为砂岩夹页岩，隧道施工段地下水为基岩裂隙水。

3 水平层状围岩施工分析

3.1 施工重点难点

水平岩层隧道施工过程洞室的开挖对岩体原相对平衡状态造成破坏，促使着隧道周围岩体应力的重新分配。由于开挖爆破及支护施工（锚杆与加强钢筋网）易造成岩层掉块事故的发生，甚至出现岩层裂缝及坍塌事故，为实现岩层变形裂缝的有效控制，需做二次支护作业，对于围岩支护常运用混凝土喷射（围岩加固、防风化、承载组织结构）、锚杆（悬吊、加固）及刚拱架的施工支护工艺，以维持原有岩层结构发挥岩层支撑作用，防止过大松弛压力。

3.2 稳定性分析

隧道施工过程中结构面及开挖临空面的存在使得隧道区域内岩石受到不同程度的切割作用，然后在岩体结构力学作用下，产生岩块系统运动，因而引发岩体塌方。岩层中层理结构面由于片状矿物及泥质层的存在造成层间结合力的急剧降低，围岩的整体稳定性能也受到影响。而水平层状岩层隧道施工过程中不稳定性更加明显，水平岩层本身具有岩层结合力差的缺陷，在开挖作业的切割作用下，岩层结构稳定性较差，易发生掉块事故。本工程所处位置水平岩层居多，且层间结合性差的砂页岩分布较广，进一步影响着隧道拱顶稳定性及施工质量。

另一方面，隧道开挖施工破坏了围岩原有的三轴应力平衡状态，促使应力重新分配，这就造成隧道边缘岩层的活动，此时水平岩层层理构造将使得围岩体向开挖临空面活动，产生岩层裂缝甚至坍塌事故。在该工程施工中，受地形影响，水平岩层的影响甚大，对于施工质量及效益造成更为恶劣的影响。在水平岩层的作用下，隧道拱部极易形成矩形轮廓，影响到施工质量及效率。

4 水平岩层隧道施工的关键技术

4.1 锚喷及钢架支护对水平围岩的加固作用

受水平围岩层状结构影响，水平围岩的锚喷支护加固需考虑围岩块的脱落问题，一般采取混凝土喷射法对开挖面做封闭处理，避免应力分配不均造成围岩的裂缝及移动。对于本工程特殊地质结构条件下，薄层围岩锚杆施工需保持垂直于岩面施工以取得最佳加固效果，而水平岩层多采用台架进行隧道施工，拱部锚杆多沿顺层或小角度锚入,需采用混凝土喷射法以保障其正常支护作用的有效发挥，因此支护优化方案可以从改进台架及锚杆角度、加强混凝土喷射等方面入手以提升锚固力。由于页岩拱部整体结构较差，需采用钢架支护，目前应用较多的为拱部三脚格栅钢架支护，为优化成本控制，需在边墙与拱部的接缝处加装连接板，有利于边墙拱架循环利用。

4.2 调整施工工序

为保障施工效益，水平岩层隧道施工需遵循一定的施工工序，实际施工中应避免赶进度而忽略对于开挖岩面的封闭工作，防止围岩自稳力下降而造成岩层松弛变形。现场施工多采用以下工序进行：爆破开挖→出砟→初期支护→施工锚杆→喷射混凝土，此类工序极易引发初期支护发挥作用的滞后性，对于水平薄岩层而言，结构面的切削易产生危岩体系，需对其及时采取支护工作，实际施工中需给予危石系以足够的支护力。伴随岩层中应力的重新分布，由于外部岩石力的作用，给予的岩石支护力需保证整个危岩体的支护需求，避免应力释放、支护力不够造成的变形甚至塌方事故。因此实际工程中需在开挖后及时初喷混凝土给开挖后暴露的围岩以支护力，进而确保围岩稳定性，具体工序及工艺：爆破后收拢洞砟→初喷混凝土基于砟堆高度进行→开挖拱腰部分轮廓→局部支护锚杆→出砟→钢架架设→喷锚初期支护至设计厚度，以保证围岩支护力。

4.3 避免过分找顶，及时进行初喷封闭

找顶工作对于水平薄岩层开挖后的围岩体镶嵌平衡结构会造成一定的破坏作用，因此在开挖工作完毕后应避免过分找顶，支护工程的关键在于对围岩进行混凝土喷射以达封闭状态，并封锁关键块体。混凝土喷射可提升岩体结构面的结合力，有利于水平岩层自承力的提升。

4.4 优化钻爆设计

水平中厚岩层的层间结合性较差，为避免开挖爆破工程中裂隙对水平岩层的切削，需做好光面爆破的优化工作，降低爆破的扰动性，主要从以下几方面入手：首先是优化周边眼间距，一般取为30～40 cm，亦可在有裂隙的部位加导向孔以保证切割效果；其次，控制周边眼的药量，一般采用小药卷间隔装药方式以避免对围岩的破坏，同时采用小药卷间隔装药方式，并堵塞周边眼以提升全孔爆破效果。