繆成銀，彭雪峰，鄭 宏

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公路三分公司，四川成都610200)

近水平軟弱巖層是隧道工程作業(yè)經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，如果施工方法或支護(hù)參數(shù)不當(dāng)，在開挖過(guò)程中，隧道的拱頂會(huì)出現(xiàn)大面積平頂、落石、塌頂?shù)痊F(xiàn)象。這不僅直接影響隧道的光面爆破效果，還會(huì)影響毛洞的圍巖穩(wěn)定性、初期支護(hù)的數(shù)量和永久支護(hù)的混凝土工程量，增加工程投資。

另外在軟弱水平巖層中，巖體通常都較為破碎，節(jié)理發(fā)育，粘著性差，完整程度不高，圍巖穩(wěn)定性較差，施工中極易形成嚴(yán)重超欠挖。超欠挖問(wèn)題的發(fā)生不僅增加附加工作量，還將嚴(yán)重影響洞室穩(wěn)定，也關(guān)系到初期支護(hù)和二次襯砌的質(zhì)量［1］。分析影響水平巖層中圍巖的穩(wěn)定性的因素，確定防止圍巖失穩(wěn)垮塌的措施，對(duì)于水平巖層條件下隧道的順利施工具有積極意義。

截至目前，針對(duì)近水平軟弱巖層隧道修建的研究還不是很多。研究的手段主要包括理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算三種方法，研究重點(diǎn)則集中在隧道穩(wěn)定性研究、光面爆破技術(shù)研究、施工方案及支護(hù)技術(shù)等方面。

1 近水平軟弱巖層隧道穩(wěn)定性研究

近水平巖層隧道施工過(guò)程中，圍巖的穩(wěn)定性對(duì)于隧道施工期及營(yíng)運(yùn)期的安全至關(guān)重要。對(duì)于近水平巖層而言，隧道開挖對(duì)其圍巖產(chǎn)生卸載效應(yīng)，圍巖產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，由于層間節(jié)理粘結(jié)力弱，不能承受或只能承受很小的拉應(yīng)力，導(dǎo)致層間節(jié)理逐漸張開并產(chǎn)生破裂，圍巖各層之間處于離層狀態(tài);隨著時(shí)間推移，節(jié)理之間的層狀巖層在重分布應(yīng)力作用下受到圍巖壓力的剪切作用而發(fā)生斷裂，整個(gè)巖體沿原生和新生破裂面產(chǎn)生滑移、錯(cuò)動(dòng)、剪脹變形，向開挖空間擠進(jìn)而造成失穩(wěn)。通常，隧道開挖后拱部和底板容易產(chǎn)生松動(dòng)和松弛，是超欠挖和局部失穩(wěn)易發(fā)生部位;隧道失穩(wěn)形態(tài)一般可分為頂板彎折和底板鼓起兩種情況。

劉鵬等人以東興場(chǎng)隧道為工程依托，采用相似模型試驗(yàn)方法對(duì)隧道開挖后圍巖變形各階段進(jìn)行模擬，得出了該隧道開挖后圍巖的變形過(guò)程分為彎曲內(nèi)鼓－拉裂－折斷塌落3個(gè)階段［2］。李德海用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，分析開采煤層上覆近水平層狀結(jié)構(gòu)巖體受開采的影響，在其自身重力作用下的移動(dòng)機(jī)理，并定量地解釋了巖層的移動(dòng)現(xiàn)象，得出了巖層中下沉盆地剖面方程式［3］。何軍等人以廣元至巴中高速公路東興場(chǎng)隧道穿越水平巖層為工程依托，采用離散單元法對(duì)隧道變形破壞的主要因素進(jìn)行模擬，得出了巖層厚度、隧道埋深等因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律［4］。晏莉等人運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了圍巖塑性區(qū)及中間巖柱的穩(wěn)定性，分析了不同間距條件和不同圍巖互層類型對(duì)中間巖柱穩(wěn)定性的影響，并提出了改進(jìn)的雙孔隧道中間巖柱穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法［5］。楊峰等人針對(duì)水平層狀巖體火麻沖連拱隧道，利用數(shù)值模擬手段和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，探討了水平層狀巖體條件下連拱隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形受力特點(diǎn)，指出了連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)［6］。關(guān)惠平等人依托廣巴高速公路某近水平巖層隧道，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了近水平巖層隧道圍巖變形特點(diǎn)、變形原因，劃分了圍巖變形階段。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析，提出利用位移加速度正負(fù)的判據(jù)來(lái)分析評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性［7］。周應(yīng)麟等人分析了層狀巖層圍巖隧道受力特點(diǎn)，并提出層狀巖層圍巖隧道破壞機(jī)理及其四種典型失穩(wěn)模型，結(jié)合湖南省常張高速公路關(guān)口埡隧道工程，利用有限元程序?qū)Σ煌瑑A角巖層圍巖進(jìn)一步分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，總結(jié)出不同產(chǎn)狀圍巖的受力特征及相應(yīng)二襯的最不利受力處，對(duì)相似層狀巖層隧道設(shè)計(jì)及施工具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義［8］。高磊等人運(yùn)用離散元數(shù)值模擬研究了隧道圍巖變形破壞機(jī)制，認(rèn)為受層面與節(jié)理面切割形成的塊體在重力作用下極易發(fā)生掉落，在拱頂和拱肩部位易造成超挖，而邊墻和拱底部位圍巖較為穩(wěn)定［9］?？苤怯碌热烁鶕?jù)廣元至巴中高速公路某隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段典型監(jiān)測(cè)斷面初期變形數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析，給出了該隧道近水平沉積巖層隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖總收斂的均值及滿足二次襯砌要求的時(shí)間均值［10］。汶文釗認(rèn)為水平巖層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性有很大的影響，依托橫山隧道對(duì)水平巖層的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了水平巖層隧道施工中應(yīng)采取的措施［11］。

由以上研究?jī)?nèi)容可知，目前針對(duì)近水平軟弱巖層隧道穩(wěn)定性的研究數(shù)量較多，但是大多數(shù)都是采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，其評(píng)價(jià)大多也只停留在半定量半定性的水平。揭示近水平軟弱巖層隧道失穩(wěn)機(jī)理及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理的研究尚少。

2 隧道光面爆破技術(shù)研究

目前山嶺隧道施工方法仍以新奧法為主，光面爆破作為新奧法的重要元素，其爆破效果對(duì)隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響顯著。在結(jié)構(gòu)完整、節(jié)理、裂隙不發(fā)育的圍巖中進(jìn)行光面爆破，爆破質(zhì)量容易控制。然而近水平巖層中往往存在大量的裂隙、節(jié)理以及夾層，水平方向節(jié)理發(fā)育，在這種情況下進(jìn)行光面爆破遇到了很大的困難，超爆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，優(yōu)化爆破方案，提高光面爆破質(zhì)量，改善爆破效果，對(duì)于近水平軟弱巖層隧道施工尤為重要。

周宴成以太(原)中(衛(wèi))銀(川)鐵路柳林隧道為工程背景，在分析隧道施工地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，探討了影響水平巖層隧道光面爆破效果的因素，對(duì)隧道水平巖層鉆爆施工技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了減小爆破震動(dòng)的措施［12］。方俊波等人以小浪底東苗家滑坡體排水洞施工為例，分析了在薄水平巖層、破碎圍巖中修建隧道所產(chǎn)生的超挖現(xiàn)象，提出了包括楔形掏槽、控制周邊眼裝藥參數(shù)、空孔導(dǎo)向、減震爆破等在內(nèi)的一套針對(duì)薄水平及破碎圍巖的爆破控制技術(shù)，取得良好的效果，有效減小了超欠挖的比例［13］。楊峰等人從炸藥破巖機(jī)理以及應(yīng)力波通過(guò)節(jié)理、夾層傳播規(guī)律來(lái)分析產(chǎn)生超、欠挖現(xiàn)象的原因，認(rèn)為實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，對(duì)隧道輪廓線的不同部位，采取不同的調(diào)整措施，可以有效的減少超挖現(xiàn)象［14］。楊宗華以客運(yùn)專線小坡山隧道作為依托工程，針對(duì)不同軟硬互層圍巖，施工中采用了小間距光爆技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷地修正爆破參數(shù)，以減小爆破對(duì)層狀巖層擾動(dòng)，減小施工超欠挖量，確保了開挖質(zhì)量和圍巖穩(wěn)定［1］。

目前，為了控制隧道的超欠挖問(wèn)題，針對(duì)施工過(guò)程中的光面爆破技術(shù)的研究較為充分，也取得了一定的經(jīng)驗(yàn)積累。但是由于水平巖層的產(chǎn)狀及其巖性等在不同的工程中存在其各自的特殊性，因此，實(shí)際工程中在借鑒已有經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還應(yīng)注意結(jié)合工程實(shí)際，不斷對(duì)光面爆破技術(shù)在近水平破碎巖層中的應(yīng)用予以完善。

3 隧道施工方案及支護(hù)技術(shù)研究

施工方案及支護(hù)方法的確定直接影響到施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度及加固效果。由于近水平軟弱巖層的力學(xué)特性顯示出強(qiáng)烈的各向異性，所以更應(yīng)對(duì)其進(jìn)行深入研究。

楊宗華認(rèn)為近水平巖層隧道開挖邊墻部圍巖穩(wěn)定性較好，一次開挖高度可適當(dāng)加大;為避免爆破振動(dòng)造成頂部巖板層間強(qiáng)度明顯降低，應(yīng)盡量減少開挖擾動(dòng)次數(shù);若掌子面圍巖穩(wěn)定性允許，采用大斷面開挖技術(shù)有利于機(jī)械化作業(yè)。并結(jié)合小坡山隧道的具體情況，確定采用全斷面開挖作業(yè)方式。隧道軌面以上部分一次爆破成形，落底采用跳挖法橫向一次挖成，并搭建棧橋以利出碴，仰拱、鋪底與軌面以下矮邊墻一次澆筑，其余拱墻混凝土采用整體移動(dòng)式模板臺(tái)車、泵送混凝土一次成形，縱向循環(huán)長(zhǎng)度10m［1］。姚云曉根據(jù)亮埡子隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)亮埡子隧道施工方案的比選，以及施工中遇到的具體問(wèn)題的處理措施的論述，針對(duì)軟弱水平巖層段大跨隧道的施工技術(shù)提出了一些積極看法［15］。楊堅(jiān)認(rèn)為隧道Ⅲ級(jí)水平巖層圍巖，易發(fā)生變形破壞引起掉塊、坍塌的是隧道拱部，應(yīng)根據(jù)拱部圍巖不同的情況采取不同的針對(duì)性支護(hù)措施，保障了隧道施工安全和運(yùn)營(yíng)安全［16］。

楊宗華以小坡山隧道為例，從開挖方法、控制爆破以及支護(hù)手段等方面，對(duì)其水平巖層Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段施工技術(shù)進(jìn)行了探討［1］。汶文釗以橫山隧道為例，剖析了水平巖層對(duì)隧道開挖和支護(hù)的影響作用，提出水平巖層隧道施工中應(yīng)采取的措施，并對(duì)施工工藝、施工工序進(jìn)行優(yōu)化［11］。張宗偉針對(duì)位于水平狀灰?guī)r地層的郁山隧道出口段，用了錨網(wǎng)噴相結(jié)合的支護(hù)技術(shù)，使得隧道因水平圍巖破碎而出現(xiàn)拱部大面積剝離掉塊的現(xiàn)象及時(shí)得到了有效控制，確保了隧道施工安全［17］。李長(zhǎng)福針對(duì)軟弱水平巖層的地質(zhì)特性及對(duì)隧道施工的影響，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)隧道在此地質(zhì)條件下施工時(shí)應(yīng)采取的一些施工技術(shù)措施和防范要求進(jìn)行了闡述和分析［18］。鐘放平基于水平層狀圍巖結(jié)構(gòu)特征，提出層狀圍巖中隧道開挖支護(hù)優(yōu)化工況，進(jìn)行桐木灣隧道錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果，分析了錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的錨桿受力和圍巖變形特征［19］。馮文凱等人結(jié)合廣元－巴中高速公路穿越某水平巖層隧道，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查和試驗(yàn)，在對(duì)圍巖巖性、物理力學(xué)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)和變形破壞類型等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，并利用施工后拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證明了支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性［20］。鄧少軍等人針對(duì)水平互層巖體隧道的開挖特點(diǎn)，采用FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了錨桿支護(hù)參數(shù)，降低了支護(hù)成本［21］。

目前，針對(duì)近水平巖層隧道施工方案及支護(hù)技術(shù)的研究仍停留在施工技術(shù)總結(jié)的層面上。尤其是支護(hù)技術(shù)研究，主要以經(jīng)驗(yàn)為主，尚未從近水平軟弱巖層的各向異性受力特征及其破壞失穩(wěn)機(jī)理提出具有針對(duì)性的襯砌支護(hù)形式。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本文對(duì)水平及近水平軟弱巖層隧道施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性、光面爆破技術(shù)、施工方案及支護(hù)技術(shù)等方面進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)析。

從現(xiàn)有研究可以看出，對(duì)于近水平軟弱巖層隧道施工技術(shù)的研究尚不充分，整體上仍停留在經(jīng)驗(yàn)類比的層面上。今后，針對(duì)近水平軟弱巖層隧道施工方面的研究可沿如下幾個(gè)方向進(jìn)行。

(1)對(duì)近水平軟弱巖層的各向異性長(zhǎng)期受力特征及其破壞失穩(wěn)機(jī)理展開深入研究;

(2)開展近水平軟弱巖層隧道施工變形控制基準(zhǔn)研究;

(3)開展近水平軟弱巖層圍巖－支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理研究;

(4)基于近水平軟弱巖層的各向異性受力特征及圍巖－支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理，開展針對(duì)近水平軟弱巖層下隧道的支護(hù)體系研究。

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