关于川东红层近水平岩层隧道选线与围岩级别划分的探讨

卢爱民

（中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600）

1 区域概况

红层是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层,岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩等为主。

随着经济发展, 我国山区的铁路建设项目数量正在快速增长,川东红层近水平岩层地区的工程建设势必日趋增加;汉巴南铁路南充至巴中段位于川东丘陵区, 地貌以丘陵区为主,构造不发育,褶皱宽缓,岩层近乎水平,因此,山丘多呈桌状顶,地层岩性成就了区内典型的地貌特征, 陡坎峭壁处以强度稍高的砂岩地层为主,平缓地形多为泥岩、粉砂岩地层[1],见图1。

图1 典型地貌照片

川东红层基本为静水海相沉积而成[2],粉砂岩泥质胶结物含量相对较高,胶结性差,岩石属于软质岩类别,水稳性差,易风化、崩解,工程地质性能相对较差,岩体易风化、崩解的主要原因为岩土体中的可溶成份在水的作用下,容易发生溶解等化学稳定性问题。砂岩泥质胶结物含量少,钙质胶结物含量较高,虽属软质岩类,但其水稳性、抗风化能力稍强,工程性质相对较好。四川盆地内从山地边缘向盆地中心,岩性由粗粒向细粒转变,由于沉积条件逐渐发生变化,盆地中部的红层产状平缓,受构造影响轻微,岩体较完整,但陡坎出露部位,软硬岩层差异风化明显,常在工程中引起边坡的崩塌破坏[3],隧道工程多遇软硬互层围岩,支护措施不当,或出现浪费,或工程安全质量受到影响。

2 选线问题探讨

基于区内典型的岩性分布特征,隧道工程早进晚出可避免崩塌、危岩落石的影响,但隧道洞身穿越粉砂岩、泥岩地层,围岩较差,虽减少了崩塌、危岩落石的处理措施费用,但将增加围岩支护措施费用,故选线时应做好工程、经济比选,长大隧道应尽量晚进早出,接长明洞,在陡坎处入洞,将洞顶置于围岩条件较好的厚砂岩层中,大段落好的围岩地质条件直接有利于工程投资和施工安全,见图2。

图2 地质选线分析照片

3 坍塌、掉块破坏机理探讨

汉巴南铁路隧道施工过程中,出现多次拱顶坍塌、掉块现象,隧道边墙稳定,结合隧道水平岩层变形破坏机制的模拟研究成果,岩体变形可分为三阶段,即弯曲内鼓、拉裂和折断塌落阶段[4],发生坍塌、掉块的原因为顶部岩体强度不足、软硬不均、垂直节理存在、且层薄很难形成自然拱[5],分析认为设计施工过程中应重点对拱腰以上部分加固防护。

4 围岩级别划分探讨

4.1 铁路隧道围岩级别划分标准

《铁路工程地质勘察规范》TB 10012-2019 规定,隧道围岩分级应采用定性分析及定量分析相结合的方法综合确定。定性分析是根据岩土体的岩性、完整程度及结构类型、岩石的坚硬程度、开挖后的稳定状态确定分析；定量分析是根据岩体基本质量分级指标确定分析,隧道围岩分级应先确定基本围岩分级,再根据隧道地下水出水状态、初始地应力状态、主要结构面产状状态等因素进行修正。BQ=100+3Rc+250Kv；[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）。

当隧道基岩出露较好,通过大量调查分析获得岩体完整程度,且钻探与物探判释成果能够相互印证时,以定性分析为主。当二者分析结果差异较大时,则应进行补充勘察工作。隧道围岩分级的修正与地下水,应力状态及主要软弱结构面产状有关,同样须采用定性分析与定量分析相结合的方式综合考虑,当采用定性分析为主的方法确定围岩基本分级时,围岩分级修正采用定性方法修正为主,反之则采用定量修正方法为主[6]。

4.2 实际开挖围岩等级划分探讨

4.2.1 隧道围岩组别现场划分标准

沿线粉砂岩饱和抗压强度在8～18MPa,属软岩、较软岩,层厚一般属薄层,节理一般不发育,综合评价围岩呈薄层状结构,岩体较破碎范畴,围岩基本分级应为Ⅳ级；砂岩饱和抗压强度在18～30MPa,属较软岩,层厚一般0.5～3m,节理一般不发育,综合评价属中厚～巨厚层状构造,岩体较完整～完整范畴,围岩整体呈厚层、巨厚层状结构,围岩基本分级应为Ⅲ级,区内围岩基本不受地下水、高地应力,不利结构面等影响。

依据现行标准,隧道围岩级别以Ⅲ、Ⅳ级为主,由于岩层互层状分布,隧道围岩存在Ⅲ、Ⅳ级共存问题,在设计阶段通常将岩级别划为Ⅳ级[7]。

4.2.2 开挖揭示围岩分级划分探讨

规范中未把围岩的岩性组合关系作为围岩划分的标准,结合区内地质情况,岩性是川东盆中地区围岩级别划分的主要控制因子,互层存在的围岩对隧道设计、工程投资影响较大,在规范中并未对围岩岩性组合做详细阐述,实际施工中围岩岩性在洞周的分布特征直接影响围岩分级。施工中常见的几种围岩岩性组合关系见表1 常见围岩粉砂岩控制围岩级别结构组合关系表。

表1 常见围岩粉砂岩控制围岩级别结构组合关系表

粉砂岩天然抗压强度在15MPa 以上,结合区内岩层呈近水平状分布,分析认为粉砂岩在顶部分布时（序号1、4）可判定围岩级别为Ⅳ级,其他组合分布情况,可判定围岩级别为Ⅲ级。另外,在砂岩局部呈薄层状,结合现场开挖揭示,认为薄层状砂岩位于上部及拱顶时,可判定围岩级别为Ⅳ级,详见表2 常见围岩薄层状砂岩控制围岩级别结构组合关系表。

表2 常见围岩薄层状砂岩控制围岩级别结构组合关系表

超前支护、初期支护应以防止顶部粉砂岩、薄层状砂岩门框式塌方、成层脱落为主,为节约建设投资,建议区内水平岩层互层分布的地层在施工中动态设计,考虑工程节约、低碳要求,防止塌方的初支措施应重点防护拱腰以上的岩层,必要时配置钢架,钢架锁脚锁入拱腰岩层即可,具体结合计算确定。

4.2.3 开挖工法探讨

经全线调查分析认为,掌子面不存在涌出的可能,整体稳定,Ⅲ级围岩满足全断面开挖条件,建议控制爆破,短进尺全断面开挖；Ⅳ、Ⅴ级围岩受拱部破碎岩体影响,建议台阶法开挖,台阶高度应与初支钢架高度相配合,方便施工[8]。

5 总结及建议

川东红层山丘顶多呈桌状,地层岩性造就了其典型的地貌特征,陡坎峭壁处以强度稍高的砂岩地层为主,平缓地形多为泥岩、粉砂岩地层,选线时应注重工程、经济比选,长大隧道应尽量晚进早出,接长明洞,在陡坎处入洞,将洞身置于围岩条件较好的砂岩层。

拱顶存在坍塌、掉块现象,隧道边墙基本稳定,拱顶岩体完整程度和岩性直接影响着围岩稳定程度,控制着围岩级别。

围岩级别以Ⅲ、Ⅳ级为主,由于岩层互层状分布,隧道围岩存在Ⅲ、Ⅳ级共存问题,超前支护、初期支护应以防止顶部粉砂岩、薄层状砂岩门框式塌方、成层脱落为主。

掌子面不存在坍塌的可能,整体稳定,Ⅲ级围岩满足全断面开挖条件,Ⅳ、Ⅴ级围岩宜采用台阶法开挖。