王國豐

貴州路橋集團(tuán)有限公司

淺談水平巖層隧道施工技術(shù)

王國豐

貴州路橋集團(tuán)有限公司

文章以實(shí)際工程為例，從水平層狀圍巖施工分析入手，介紹了水平巖層隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)，以期對于實(shí)際工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。

水平巖層；隧道；施工技術(shù)

1 引言

水平巖層隧道即為隧道圍巖產(chǎn)狀呈水平或近水平的隧道工程，施工過程中開挖工序可能造成圍巖卸荷，并引發(fā)圍巖結(jié)構(gòu)中應(yīng)力以及地下水的重新分配，并依隧道輪廓沿徑向擴(kuò)展，圍巖應(yīng)力重分布圖示見下圖1，松動(dòng)圈的形成引發(fā)應(yīng)力的重新分配，隧道邊緣及深處分別形成應(yīng)力釋放及應(yīng)力集中區(qū)，如圖中的1、2兩區(qū)域，3區(qū)域?yàn)槌跏紤?yīng)力區(qū)域，因此隧道施工過程中易發(fā)生拱頂塌落事故，影響著工程總體施工安全性及施工效率。而層狀圍巖破壞形式也與巖層結(jié)構(gòu)及巖性息息相關(guān)。

圖1 松動(dòng)圈形成后圍巖應(yīng)力重分布

2 工程概況

本水平巖層隧道施工工程為某區(qū)域高速公路隧道，該隧道總長2300米，隧道埋深50米～245米，線路縱坡1.3%，該地域地層巖性為第四系沖洪積層，圍巖主要為砂巖夾頁巖，隧道施工段地下水為基巖裂隙水。

3 水平層狀圍巖施工分析

3.1 施工重點(diǎn)難點(diǎn)

水平巖層隧道施工過程洞室的開挖對巖體原相對平衡狀態(tài)造成破壞，促使著隧道周圍巖體應(yīng)力的重新分配。由于開挖爆破及支護(hù)施工（錨桿與加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)）易造成巖層掉塊事故的發(fā)生，甚至出現(xiàn)巖層裂縫及坍塌事故，為實(shí)現(xiàn)巖層變形裂縫的有效控制，需做二次支護(hù)作業(yè)，對于圍巖支護(hù)常運(yùn)用混凝土噴射（圍巖加固、防風(fēng)化、承載組織結(jié)構(gòu)）、錨桿（懸吊、加固）及剛拱架的施工支護(hù)工藝，以維持原有巖層結(jié)構(gòu)發(fā)揮巖層支撐作用，防止過大松弛壓力。

3.2 穩(wěn)定性分析

隧道施工過程中結(jié)構(gòu)面及開挖臨空面的存在使得隧道區(qū)域內(nèi)巖石受到不同程度的切割作用，然后在巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)作用下，產(chǎn)生巖塊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，因而引發(fā)巖體塌方。巖層中層理結(jié)構(gòu)面由于片狀礦物及泥質(zhì)層的存在造成層間結(jié)合力的急劇降低，圍巖的整體穩(wěn)定性能也受到影響。而水平層狀巖層隧道施工過程中不穩(wěn)定性更加明顯，水平巖層本身具有巖層結(jié)合力差的缺陷，在開挖作業(yè)的切割作用下，巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，易發(fā)生掉塊事故。本工程所處位置水平巖層居多，且層間結(jié)合性差的砂頁巖分布較廣，進(jìn)一步影響著隧道拱頂穩(wěn)定性及施工質(zhì)量。

另一方面，隧道開挖施工破壞了圍巖原有的三軸應(yīng)力平衡狀態(tài)，促使應(yīng)力重新分配，這就造成隧道邊緣巖層的活動(dòng)，此時(shí)水平巖層層理構(gòu)造將使得圍巖體向開挖臨空面活動(dòng)，產(chǎn)生巖層裂縫甚至坍塌事故。在該工程施工中，受地形影響，水平巖層的影響甚大，對于施工質(zhì)量及效益造成更為惡劣的影響。在水平巖層的作用下，隧道拱部極易形成矩形輪廓，影響到施工質(zhì)量及效率。

4 水平巖層隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 錨噴及鋼架支護(hù)對水平圍巖的加固作用

受水平圍巖層狀結(jié)構(gòu)影響，水平圍巖的錨噴支護(hù)加固需考慮圍巖塊的脫落問題，一般采取混凝土噴射法對開挖面做封閉處理，避免應(yīng)力分配不均造成圍巖的裂縫及移動(dòng)。對于本工程特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，薄層圍巖錨桿施工需保持垂直于巖面施工以取得最佳加固效果，而水平巖層多采用臺(tái)架進(jìn)行隧道施工，拱部錨桿多沿順層或小角度錨入,需采用混凝土噴射法以保障其正常支護(hù)作用的有效發(fā)揮，因此支護(hù)優(yōu)化方案可以從改進(jìn)臺(tái)架及錨桿角度、加強(qiáng)混凝土噴射等方面入手以提升錨固力。由于頁巖拱部整體結(jié)構(gòu)較差，需采用鋼架支護(hù)，目前應(yīng)用較多的為拱部三腳格柵鋼架支護(hù)，為優(yōu)化成本控制，需在邊墻與拱部的接縫處加裝連接板，有利于邊墻拱架循環(huán)利用。

4.2 調(diào)整施工工序

為保障施工效益，水平巖層隧道施工需遵循一定的施工工序，實(shí)際施工中應(yīng)避免趕進(jìn)度而忽略對于開挖巖面的封閉工作，防止圍巖自穩(wěn)力下降而造成巖層松弛變形?，F(xiàn)場施工多采用以下工序進(jìn)行：爆破開挖→出砟→初期支護(hù)→施工錨桿→噴射混凝土，此類工序極易引發(fā)初期支護(hù)發(fā)揮作用的滯后性，對于水平薄巖層而言，結(jié)構(gòu)面的切削易產(chǎn)生危巖體系，需對其及時(shí)采取支護(hù)工作，實(shí)際施工中需給予危石系以足夠的支護(hù)力。伴隨巖層中應(yīng)力的重新分布，由于外部巖石力的作用，給予的巖石支護(hù)力需保證整個(gè)危巖體的支護(hù)需求，避免應(yīng)力釋放、支護(hù)力不夠造成的變形甚至塌方事故。因此實(shí)際工程中需在開挖后及時(shí)初噴混凝土給開挖后暴露的圍巖以支護(hù)力，進(jìn)而確保圍巖穩(wěn)定性，具體工序及工藝：爆破后收攏洞砟→初噴混凝土基于砟堆高度進(jìn)行→開挖拱腰部分輪廓→局部支護(hù)錨桿→出砟→鋼架架設(shè)→噴錨初期支護(hù)至設(shè)計(jì)厚度，以保證圍巖支護(hù)力。

4.3 避免過分找頂，及時(shí)進(jìn)行初噴封閉

找頂工作對于水平薄巖層開挖后的圍巖體鑲嵌平衡結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的破壞作用，因此在開挖工作完畢后應(yīng)避免過分找頂，支護(hù)工程的關(guān)鍵在于對圍巖進(jìn)行混凝土噴射以達(dá)封閉狀態(tài)，并封鎖關(guān)鍵塊體。混凝土噴射可提升巖體結(jié)構(gòu)面的結(jié)合力，有利于水平巖層自承力的提升。

4.4 優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)

水平中厚巖層的層間結(jié)合性較差，為避免開挖爆破工程中裂隙對水平巖層的切削，需做好光面爆破的優(yōu)化工作，降低爆破的擾動(dòng)性，主要從以下幾方面入手：首先是優(yōu)化周邊眼間距，一般取為30～40 cm，亦可在有裂隙的部位加導(dǎo)向孔以保證切割效果；其次，控制周邊眼的藥量，一般采用小藥卷間隔裝藥方式以避免對圍巖的破壞，同時(shí)采用小藥卷間隔裝藥方式，并堵塞周邊眼以提升全孔爆破效果。

5 結(jié)語

水平巖層隧道施工過程中，由于開挖爆破施工或初期加強(qiáng)支護(hù)施工易造成巖層掉塊事故的發(fā)生，甚至出現(xiàn)巖層裂縫及坍塌事故，因此需做好工程施工重點(diǎn)難點(diǎn)及穩(wěn)定性的有效分析，在此基礎(chǔ)上，做好水平巖層隧道施工關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，以不斷提升施工質(zhì)量及安全性能。

[1]孔憲立.巖體工程地質(zhì)及其災(zāi)害[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1993.

[2]張倬元.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1981.

[3]鐵道部第二工程局主編.鐵路工程施工技術(shù)手冊(隧道)[M].北京:中國鐵道出版社,2003.