岩层产状对公路隧道的影响分析
2018-06-22陈人豪唐国军李耀华
周 祥，陈人豪，唐国军，李耀华
(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)
0 引言
广西山区隧道岩性多为灰岩、砂泥岩等沉积岩。沉积岩的岩层产状呈现复杂多变的形态，对隧道结构的稳定性及支护结构的力学反应具有较大的影响。关于隧道岩层产状对隧道的影响，目前国内已做了一些研究，这些研究主要从宏观上研究了岩层产状与隧道开挖稳定性的关系及相应的施工应对措施，关于工程中常见的水平岩层掉块及倾斜岩层偏压作用较少涉及。在实际施工中，水平岩层的掉块现象往往发生在围岩整体稳定性较好的Ⅲ级围岩段落，虽然开挖后围岩稳定性好，但掉块现象会造成施工人员心理压力，不敢进一步施工。倾斜岩层对隧道结构的荷载作用与常规隧道明显不同，倾斜岩层具有明显的偏压作用。本文结合工程经验，分析了Ⅲ级围岩水平岩层掉块及倾斜岩层偏压的机理，并提出了相应的处治对策。
1 Ⅲ级围岩水平岩层掉块机理
普氏理论假设隧道开挖后，松散围岩能形成一个平衡拱，平衡拱以下的松散岩体将滑落作用在衬砌结构上，形成荷载。由于Ⅲ级围岩通常具有一定的强度，其不完全为松散体，但Ⅲ级围岩深埋段也能形成类似于平衡拱的承载体，承载体下的岩体将受到重力作用，并与上部承载体相互作用。在未受到支护时，整体性较好时Ⅲ级围岩承载体下的岩层受力类似于梁，如图1，爆破开挖后承载体下的岩层形成如图所示的受力形态，其破裂段、悬臂段、双向支撑段具有不同的力学反应，分析如下：
(1)破裂段的岩块，除了受到自重作用外，还受到上层双侧支撑段岩块下挠产生的压力。岩块重力作用将使得胶结面受拉，双侧支撑段下挠将使得胶结面受剪，因此胶结面的胶结性质直接关系到破裂段块体的稳定性。
(2)悬臂段岩块，胶结面胶结力较好时，上层双侧支撑与悬臂段形成叠合结构。胶结较差时，由于剪应力的作用，悬臂段和上部双向支撑段之间分开，此时悬臂段除了受到自身重力外还受到上部双侧支撑段下挠造成的压力。在下挠压力和悬臂段自身重力作用下，将产生很大的弯矩、剪力，岩层厚度薄、强度低时，在薄弱点断裂掉块。
(3)双侧支撑段，层间胶结较好时，形成深梁传力体系，其稳定性主要与岩体强度、支撑条件有关。层间胶结较差时，由于剪应力作用造成层间脱离，此时，双侧支撑段受到自身重力和下挠压力，产生较大的弯矩、剪力，岩层厚度薄、强度低时，在薄弱点断裂掉块。
从以上分析可知，Ⅲ级围岩的掉块现象与爆破后的形态，岩层的强度、厚度、胶结面性质、支撑情况等因素有关，其本质为在各种不利应力下，岩体局部破坏。
图1 水平岩层掉块分析示意图
2 倾斜岩层偏压机理
隧道开挖过程是围岩应力重新分布的过程，不同岩层产状的围岩应力调整过程不同。倾斜岩层开挖后，由于岩层界面之间胶结物的物理力学性质往往较差，传力能力不如岩层，因此隧道开挖后围岩的力学反应呈明显的各向异性，由于围岩力学反应的各向异性，围岩形成的承载体的形态明显不同，支护结构的荷载分布不同。为了进一步分析这种各向异性，分别选取倾角为0°、45°、75°、135°四种不同岩层产状的工况，采用地层-结构法进行数值分析。
不同岩层产状的围岩位移形态见下页图2，从中可以明显看出，隧道开挖后不同岩层倾角的围岩的塌落范围明显不同，岩层倾斜时，岩体塌落范围呈现偏压形态。支护内力见下页图3，从中可以看出，岩层倾斜时支护结构的内力明显偏压。
从以上分析可知，倾斜岩层偏压机理可总结为本质上就是倾斜岩层具有各向异性的力学反应性质，隧道开挖后，塌落范围偏移，相应作用在支护上的荷载偏压。
3 对策
水平岩层掉块及倾斜岩层偏压，需要从勘察、设计、施工、运营各个环节合理应对，其中勘察、设计、施工过程最为重要。针对Ⅲ级围岩掉块现象及倾斜岩层偏压的对策可采取一些共通的、针对性的措施。
3.1 水平岩层掉块及倾斜岩层偏压的共通性对策
(1)勘察设计过程中，应考虑围岩产状对围岩分级的影响，并据此修正围岩BQ值。隧道勘察中应重视围岩不同段落的产状变化，并考虑其对围岩分级造成的不利影响。
(2)设计过程中，重视超前、系统锚杆及钢筋网的应用，结合围岩修正情况，采取合适的超前、系统锚杆和钢筋网，利于围岩的整体性的形成，保护围岩的自承载能力。
(a)倾角0°总位移
(b)倾角0°水平位移
(c)倾角45°总位移
(d)倾角45°水平位移
(e)倾角75°总位移
(f)倾角75°水平位移
(g)倾角135°总位移
(h)倾角135°水平位移
(a)倾角0°
(b)倾角45°
(c)倾角75°
(d)倾角135°
(3)施工过程中应重视监控量测及动态设计工作，重视岩层产状的不利影响，根据监控量测结果，及时分析是否有必要调整支护参数。
3.2 水平岩层掉块的对策
3.2.1 控制爆破
爆破影响范围内，围岩出现损伤，强度降低。采用控制爆破的方式，尽可能减小爆破振动的影响，保护围岩的强度及界面的粘结力，避免产生破裂段、悬臂段。
3.2.2 清除破裂岩块
隧道爆破完成后应先观察未支护段拱顶围岩的变化，对存在掉块风险的地段应对破裂岩块进行清除，尽可能采用机械进行远距离清除，保障人员安全，无法判断是否破裂块体时，可考虑采用机械臂进行敲击试探。
3.2.3 增设系统锚杆
水平岩层大范围地掉块时，除了普通系统锚杆外，宜增设倾斜锚杆。倾斜锚杆应超前于开挖面，根据掉块的大小范围合理设置其间距及外倾角。为了保障人员安全，倾斜锚杆施工时，施工人员应处于有支护的安全段落。
3.2.4 钢筋网及喷混凝土
钢筋网及喷混凝土能防止可能进一步产生的掉块现象。钢筋网及喷射混凝土能对围岩产生抗力作用，约束破裂段的块体，改善岩层的应力状态，从而避免掉块现象。钢筋网及喷混凝土施工应配合使用，不宜仅采用素喷混凝土。
3.3 倾斜岩层的对策
3.3.1 加强围岩的整体性
在施工过程中，可考虑通过超前锚杆、注浆小导管将岩块之间串联起来，增强岩层产状之间的剪力传递能力，利于围岩的整体性形成，从而改善倾斜岩层的各项异性，减小倾斜岩层的偏压作用。
3.3.2 围岩保护
施工过程中应注意围岩保护，通过控制爆破、及时施工初期支护避免围岩长时间裸露，避免岩体沿层面滑动及由此带来的偏压影响。
3.3.3 合理的施工工序
施工过程中根据围岩情况采取合适的施工方法，控制施工步距，保障施工质量，减小开挖影响范围，保护岩体的整体性，减小倾斜岩层偏压作用。
3.3.4 加强支护
岩层偏压作用明显时，结合监控量测结果，可适当调整支护参数，优先考虑加强初期支护，必要时可考虑二衬配筋。
4 结语
(1)水平岩层存在掉块现象，掉块的范围及程度受到岩石强度、胶结体、支撑条件等多种因素影响，施工中应做好光面爆破，及时施作初期支护。
(2)倾斜岩层对隧道支护会产生偏压作用，其影响的大小与岩层的倾角、形态、胶结体、支撑条件等多种因素有关，施工过程中应采取加强围岩整体性的措施，及时根据监控量测进行动态设计。
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