高速铁路隧道薄板状近水平岩层的稳定性分析及施工控制

2020-12-07黄昌富张帅龙王艳辉张永超

铁道建筑 2020年11期

黄昌富张帅龙王艳辉张永超

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.中铁十五局集团有限公司，上海 200070；3.北京交通大学交通运输学院，北京 100044；4.中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

具有层状构造的沉积岩占陆地面积的2/3（我国约占77%）［1］。当隧道开挖至层状构造岩层尤其是近水平层状构造岩层时，隧道拱部经常出现掉块、离层甚至坍塌等现象，使得施工安全与工程进度得不到保证。

针对隧道近水平岩层稳定性问题，国内外作了大量研究，主要包括近水平层状岩层破坏机理［2-4］、施工技术［5-6］等，为现场实践提供了有效指导，但对于大断面、长距离高速铁路隧道，其稳定性仍难以满足要求。本文对福建至厦门高速铁路碧峰寺隧道薄板状近水平岩层破裂塌方及超欠挖问题展开研究，并提出控制技术与施工措施，为类似工程提供参考。

1 工程概况

碧峰寺隧道（图1）为单洞双线隧道，全长8 434.27 m，设计速度350 km/h，正洞断面面积为144 m2。隧道最大埋深232 m，最浅埋深约28 m。隧道进口段位于福建省福清市渔溪镇双墩村，出口段位于莆田市江口镇官庄村。碧峰寺隧道穿越的主要岩层包括英安岩、安山岩、英安质晶屑凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩、凝灰质粉砂岩，隧道穿越强富水区断层破碎带和节理密集带，围岩稳定性差。

图1 碧峰寺隧道平面示意

隧道进口DK52+376—DK52+382 标段施工揭示顶板围岩为薄板状近水平层状岩层，倾角小于18°，定为Ⅳ级围岩。该段围岩成拱能力极差，爆破开挖后拱部近水平层状岩体迅速出现局部离层和剥落现象，被迫多次停工。

2 隧道薄板状近水平岩层失稳破坏机理

根据结构力学，将隧道拱顶与拱腰的近水平层状岩体简化为薄板状结构，并将拱顶近水平岩层上部荷载简化为竖直均布荷载［7］。假设拱顶与拱腰近水平岩层为均质、连续的各向同性弹性体，其变形符合小变形理论，岩层变形发生在同一平面。施工现场隧道拱顶与拱腰近水平层状岩层在爆破开挖扰动作用下分别形成悬臂梁和嵌固梁结构。两种梁结构受力如图2所示。将其简化为平面应变问题进行分析。隧道拱顶近水平岩层a上方所受均布荷载

图2 两种梁结构受力示意

设嵌固梁近水平岩层a 跨度为La，厚度为ha，重度为γa，自重qa=γaha。hi与γi分别为岩层 a 上方岩层的厚度和重度。岩层a弯矩如图3所示。

图3 嵌固梁近水平岩层弯矩示意

图3中，岩层a端部极限弯矩Md和中点弯矩Mz分别为q2La2/12和q2La2/24，端部弯矩较大，因此端部承载能力较差。岩层a中任一点的正应力σ0可表示为

式中：M为岩层a 任一点的弯矩；任一点所在横截面对中性轴的惯性矩I=ha3/12；任一点到中性轴的距离y=ha/2。

将Md代入式（1）可得嵌固梁端部近水平岩层正应力σa为

由式（2）可知，ha与σa成反比，即厚度越大正应力越小，嵌固梁近水平岩层越不容易被破坏。La与σa成正比，即跨度越大正应力越大，嵌固梁近水平岩层越容易被破坏。

图4 悬臂梁结构近水平岩层弯矩示意

设悬臂梁近水平岩层b 跨度为Lb，厚度为hb，重度为γb，自重qb=γbhb，其弯矩如图 4 所示。其中岩层 b端部极限弯矩′和自由端弯矩分别为q3Lb2/8 和0。端部弯矩较大，因此端部承载能力较差。将=代入式（1）可得悬臂梁端部正应力σb为

式中，q3=q1+qa+qb。

由式（3）可知，hb与σb成反比，即厚度越大正应力越小，嵌固梁近水平岩层越不容易失稳破坏。Lb与σb成正比，即跨度越大正应力越大，悬臂梁近水平岩层越容易失稳破坏。

由上述分析可知，薄板状近水平岩层的厚度及跨度是其稳定性的控制参数。因此，提前采取能够控制岩层厚度和跨度的工程措施，设计出能够控制隧道顶板岩层暴露面积、弱化爆破施工扰动的开挖方法，是解决隧道薄板状近水平岩层失稳破坏的有效途径。

3 隧道薄板状近水平岩层失稳控制

3.1 综合超前地质预报

结合DK52+382 处围岩等级、地质条件，参考Q/CR 9604—2015《高速铁路隧道工程施工技术规程》［8］，决定采用隧道地质预报（Tunnel Seismic Prediction，TSP）和地质雷达（Ground Penetrating Radar）相结合的方法进行综合预报。

3.1.1 TSP观测

采用TSP203 Plus 仪器对DK52+384 处掌子面前方100 m 范围进行观测和预报。首先在碧峰寺隧道进口段DK52+329 处左右边墙各布置1 个地震波信息接收孔，孔径50 mm，孔深1.8 m，接收孔向上倾斜5°。然后在DK52+349—DK52+384 段隧道右边墙按1.5 m的间距布置24 个炮孔用以激发地震波，孔径40 mm，孔深1.4 m，每个炮孔向下倾斜约10°。1号—24号炮孔平均装药量约75 g。最后，按照设计要求引爆炮孔炸药，激发地震波，接收孔收集地震波反射信号，为后续信息处理工作提供数据。TSP观测系统布置如图5所示。

图5 TSP观测系统布置（单位：m）

信号采集仪采样间隔0.062 5 ms，采样点数8 192，地震波采样记录长度512 ms。爆破后观测系统实时显示采集到的所有数据，计算机系统实时显示爆破信号的质量和传感器与岩石之间的耦合状况。

TSP 探测成果见图6。其中方块、圆、三角形分别代表横波SV，SH和纵波P。红色、蓝色图形分别为1号、2号检波器检测到的波。

图6 TSP探测成果图

由图6可见：DK52+406附近（隧道掌子面正前方）2 号检波器检测到横波与纵波密集出现并交错汇集，表明前方存在不良地质构造。

3.1.2 地质雷达预报

为提高预报结果的准确性，在TSP 观测之后采用地球物理测量系统公司生产的TerraSIRch SIR-4000型测试系统开展观测预报工作。天线中心频率为100 MHz的GPR，采样点数1 024个，记录长度为600 ns，64次/s。定点完成数据采集。应用RANAN7.0 雷达处理软件按照编辑轨迹、静校正、能量衰减、减去平均值、背景去除、运行平均值等步骤对采集的数据进行处理。

在DK52+384 处开展地质雷达测量工作，先后分别沿着掌子面测线1 和测线2 进行测量，两条测线长度均为6 m，如图7（a）所示。测线2 的地质雷达剖面如图7（b）所示。图中显示在深度约22.5 m 处波形明显畸变，表明可能存在一些异常地质构造。之后隧道开挖至DK52+405 处时发现，掌子面拱部近水平岩层节理裂隙发育，部分岩体风化严重且有裂隙水渗出（见图7（c）），判定为Ⅳ级围岩。因此，图7（b）中的波形畸变与上述构造有关。地质雷达测量到的风化近水平岩层所在里程与TSP测量到的不良地质构造里程近似一致，验证了综合超前地质预报的准确性和可靠性。

图7 地质雷达测量结果及现场实况

3.2 超前小导管注浆

为加固围岩及时止水，控制结构性超欠挖，防止近水平岩层离层，决定在掌子面前方采用超前小导管注浆加固。

技术要点：掌子面用C25 喷射混凝土封闭，采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的小导管超前支护，型钢拱架沿隧道开挖轮廓线环向布置并向外倾斜。导管环向间距45 cm，外插角13°。注浆浆液采用水泥单液浆，水灰比1∶1，注浆压力0.8 MPa。导管上钻φ10 mm注浆孔，间距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于30 cm 作为不钻孔的止浆段。注浆后要密实堵塞注浆孔4 h后方可开挖。为充分发挥机械效能，加快注浆进度，在小导管前安设分浆器，可外接3～5 根小导管同时注浆。

注浆措施实施后，围岩裂隙得以填充，围岩强度和整体稳定性得到加强，保证了隧道开挖的安全性。

3.3 三台阶临时仰拱法

在超前支护的基础上采用三台阶临时仰拱法对DK52+382—DK52+430 标段进行开挖，开挖横断面见图8，并且严格按照“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则施工。

图8 三台阶临时仰拱法开挖横断面

参照图8严格按照以下步骤对掌子面进行开挖：

1）首先采用风钻钻孔弱爆破开挖台阶Ⅰ，施作上台阶周边的初期支护。初喷厚4 cm 混凝土，铺设钢筋网，架立钢架，钻设径向锚杆、锁脚锚管，复喷混凝土至设计厚度，底部喷厚10 cm混凝土封底。

近水平岩层多集中于隧道拱部，且对该区域影响较大，因此对于台阶Ⅰ应及时喷射混凝土固结关键岩体，避免过分开挖。一方面，三台阶临时仰拱法降低了各台阶围岩暴露于临空面的相对面积，使得围岩稳定性得以提升；另一方面，及时喷射混凝土填充、封堵岩石裂隙，使拱部围岩结构面结合力得到提高，围岩自稳能力得到发挥。

2）弱爆破开挖台阶Ⅱ，底部架设临时钢架后喷射混凝土及时封闭。开挖台阶Ⅲ，及时封闭初期支护。灌筑仰拱，待仰拱混凝土初凝后，灌筑①部填充至设计高度。

3）利用衬砌模板台车一次性灌筑②部二次衬砌（拱墙衬砌一次施作），尽快加固围岩。

4）开挖施工过程中，对每一阶段的超欠挖数据实时收集和整理。

经实施，采用以上施工方法后，将超欠挖量控制在10～22 mm。

3.4 监控量测

根据Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》［9］与TB 10108—2002《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》［10］，监控量测隧道拱顶沉降和周边收敛。拱顶沉降监测采用徕卡TCRA1201 型全站仪和铟钢尺，周边收敛监测采用JSS30A型坑道周边收敛计，初读数均在开挖后11 h读取。拱顶沉降与周边收敛测点分别布置在隧道拱顶和拱腰。拱顶沉降与周边收敛量测频率相同，见表1。