盧愛(ài)民

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600）

1 區(qū)域概況

紅層是紅色陸相沉積為主的碎屑沉積巖層,巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖和頁(yè)巖等為主。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 我國(guó)山區(qū)的鐵路建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量正在快速增長(zhǎng),川東紅層近水平巖層地區(qū)的工程建設(shè)勢(shì)必日趨增加;漢巴南鐵路南充至巴中段位于川東丘陵區(qū), 地貌以丘陵區(qū)為主,構(gòu)造不發(fā)育,褶皺寬緩,巖層近乎水平,因此,山丘多呈桌狀頂,地層巖性成就了區(qū)內(nèi)典型的地貌特征, 陡坎峭壁處以強(qiáng)度稍高的砂巖地層為主,平緩地形多為泥巖、粉砂巖地層[1],見(jiàn)圖1。

圖1 典型地貌照片

川東紅層基本為靜水海相沉積而成[2],粉砂巖泥質(zhì)膠結(jié)物含量相對(duì)較高,膠結(jié)性差,巖石屬于軟質(zhì)巖類別,水穩(wěn)性差,易風(fēng)化、崩解,工程地質(zhì)性能相對(duì)較差,巖體易風(fēng)化、崩解的主要原因?yàn)閹r土體中的可溶成份在水的作用下,容易發(fā)生溶解等化學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題。砂巖泥質(zhì)膠結(jié)物含量少,鈣質(zhì)膠結(jié)物含量較高,雖屬軟質(zhì)巖類,但其水穩(wěn)性、抗風(fēng)化能力稍強(qiáng),工程性質(zhì)相對(duì)較好。四川盆地內(nèi)從山地邊緣向盆地中心,巖性由粗粒向細(xì)粒轉(zhuǎn)變,由于沉積條件逐漸發(fā)生變化,盆地中部的紅層產(chǎn)狀平緩,受構(gòu)造影響輕微,巖體較完整,但陡坎出露部位,軟硬巖層差異風(fēng)化明顯,常在工程中引起邊坡的崩塌破壞[3],隧道工程多遇軟硬互層圍巖,支護(hù)措施不當(dāng),或出現(xiàn)浪費(fèi),或工程安全質(zhì)量受到影響。

2 選線問(wèn)題探討

基于區(qū)內(nèi)典型的巖性分布特征,隧道工程早進(jìn)晚出可避免崩塌、危巖落石的影響,但隧道洞身穿越粉砂巖、泥巖地層,圍巖較差,雖減少了崩塌、危巖落石的處理措施費(fèi)用,但將增加圍巖支護(hù)措施費(fèi)用,故選線時(shí)應(yīng)做好工程、經(jīng)濟(jì)比選,長(zhǎng)大隧道應(yīng)盡量晚進(jìn)早出,接長(zhǎng)明洞,在陡坎處入洞,將洞頂置于圍巖條件較好的厚砂巖層中,大段落好的圍巖地質(zhì)條件直接有利于工程投資和施工安全,見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)選線分析照片

3 坍塌、掉塊破壞機(jī)理探討

漢巴南鐵路隧道施工過(guò)程中,出現(xiàn)多次拱頂坍塌、掉塊現(xiàn)象,隧道邊墻穩(wěn)定,結(jié)合隧道水平巖層變形破壞機(jī)制的模擬研究成果,巖體變形可分為三階段,即彎曲內(nèi)鼓、拉裂和折斷塌落階段[4],發(fā)生坍塌、掉塊的原因?yàn)轫敳繋r體強(qiáng)度不足、軟硬不均、垂直節(jié)理存在、且層薄很難形成自然拱[5],分析認(rèn)為設(shè)計(jì)施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)拱腰以上部分加固防護(hù)。

4 圍巖級(jí)別劃分探討

4.1 鐵路隧道圍巖級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》TB 10012-2019 規(guī)定,隧道圍巖分級(jí)應(yīng)采用定性分析及定量分析相結(jié)合的方法綜合確定。定性分析是根據(jù)巖土體的巖性、完整程度及結(jié)構(gòu)類型、巖石的堅(jiān)硬程度、開(kāi)挖后的穩(wěn)定狀態(tài)確定分析；定量分析是根據(jù)巖體基本質(zhì)量分級(jí)指標(biāo)確定分析,隧道圍巖分級(jí)應(yīng)先確定基本圍巖分級(jí),再根據(jù)隧道地下水出水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀狀態(tài)等因素進(jìn)行修正。BQ=100+3Rc+250Kv；[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）。

當(dāng)隧道基巖出露較好,通過(guò)大量調(diào)查分析獲得巖體完整程度,且鉆探與物探判釋成果能夠相互印證時(shí),以定性分析為主。當(dāng)二者分析結(jié)果差異較大時(shí),則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充勘察工作。隧道圍巖分級(jí)的修正與地下水,應(yīng)力狀態(tài)及主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀有關(guān),同樣須采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方式綜合考慮,當(dāng)采用定性分析為主的方法確定圍巖基本分級(jí)時(shí),圍巖分級(jí)修正采用定性方法修正為主,反之則采用定量修正方法為主[6]。

4.2 實(shí)際開(kāi)挖圍巖等級(jí)劃分探討

4.2.1 隧道圍巖組別現(xiàn)場(chǎng)劃分標(biāo)準(zhǔn)

沿線粉砂巖飽和抗壓強(qiáng)度在8～18MPa,屬軟巖、較軟巖,層厚一般屬薄層,節(jié)理一般不發(fā)育,綜合評(píng)價(jià)圍巖呈薄層狀結(jié)構(gòu),巖體較破碎范疇,圍巖基本分級(jí)應(yīng)為Ⅳ級(jí)；砂巖飽和抗壓強(qiáng)度在18～30MPa,屬較軟巖,層厚一般0.5～3m,節(jié)理一般不發(fā)育,綜合評(píng)價(jià)屬中厚～巨厚層狀構(gòu)造,巖體較完整～完整范疇,圍巖整體呈厚層、巨厚層狀結(jié)構(gòu),圍巖基本分級(jí)應(yīng)為Ⅲ級(jí),區(qū)內(nèi)圍巖基本不受地下水、高地應(yīng)力,不利結(jié)構(gòu)面等影響。

依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),隧道圍巖級(jí)別以Ⅲ、Ⅳ級(jí)為主,由于巖層互層狀分布,隧道圍巖存在Ⅲ、Ⅳ級(jí)共存問(wèn)題,在設(shè)計(jì)階段通常將巖級(jí)別劃為Ⅳ級(jí)[7]。

4.2.2 開(kāi)挖揭示圍巖分級(jí)劃分探討

規(guī)范中未把圍巖的巖性組合關(guān)系作為圍巖劃分的標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況,巖性是川東盆中地區(qū)圍巖級(jí)別劃分的主要控制因子,互層存在的圍巖對(duì)隧道設(shè)計(jì)、工程投資影響較大,在規(guī)范中并未對(duì)圍巖巖性組合做詳細(xì)闡述,實(shí)際施工中圍巖巖性在洞周的分布特征直接影響圍巖分級(jí)。施工中常見(jiàn)的幾種圍巖巖性組合關(guān)系見(jiàn)表1 常見(jiàn)圍巖粉砂巖控制圍巖級(jí)別結(jié)構(gòu)組合關(guān)系表。

表1 常見(jiàn)圍巖粉砂巖控制圍巖級(jí)別結(jié)構(gòu)組合關(guān)系表

粉砂巖天然抗壓強(qiáng)度在15MPa 以上,結(jié)合區(qū)內(nèi)巖層呈近水平狀分布,分析認(rèn)為粉砂巖在頂部分布時(shí)（序號(hào)1、4）可判定圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),其他組合分布情況,可判定圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。另外,在砂巖局部呈薄層狀,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示,認(rèn)為薄層狀砂巖位于上部及拱頂時(shí),可判定圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),詳見(jiàn)表2 常見(jiàn)圍巖薄層狀砂巖控制圍巖級(jí)別結(jié)構(gòu)組合關(guān)系表。

表2 常見(jiàn)圍巖薄層狀砂巖控制圍巖級(jí)別結(jié)構(gòu)組合關(guān)系表

超前支護(hù)、初期支護(hù)應(yīng)以防止頂部粉砂巖、薄層狀砂巖門框式塌方、成層脫落為主,為節(jié)約建設(shè)投資,建議區(qū)內(nèi)水平巖層互層分布的地層在施工中動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),考慮工程節(jié)約、低碳要求,防止塌方的初支措施應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)拱腰以上的巖層,必要時(shí)配置鋼架,鋼架鎖腳鎖入拱腰巖層即可,具體結(jié)合計(jì)算確定。

4.2.3 開(kāi)挖工法探討

經(jīng)全線調(diào)查分析認(rèn)為,掌子面不存在涌出的可能,整體穩(wěn)定,Ⅲ級(jí)圍巖滿足全斷面開(kāi)挖條件,建議控制爆破,短進(jìn)尺全斷面開(kāi)挖；Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖受拱部破碎巖體影響,建議臺(tái)階法開(kāi)挖,臺(tái)階高度應(yīng)與初支鋼架高度相配合,方便施工[8]。

5 總結(jié)及建議

川東紅層山丘頂多呈桌狀,地層巖性造就了其典型的地貌特征,陡坎峭壁處以強(qiáng)度稍高的砂巖地層為主,平緩地形多為泥巖、粉砂巖地層,選線時(shí)應(yīng)注重工程、經(jīng)濟(jì)比選,長(zhǎng)大隧道應(yīng)盡量晚進(jìn)早出,接長(zhǎng)明洞,在陡坎處入洞,將洞身置于圍巖條件較好的砂巖層。

拱頂存在坍塌、掉塊現(xiàn)象,隧道邊墻基本穩(wěn)定,拱頂巖體完整程度和巖性直接影響著圍巖穩(wěn)定程度,控制著圍巖級(jí)別。

圍巖級(jí)別以Ⅲ、Ⅳ級(jí)為主,由于巖層互層狀分布,隧道圍巖存在Ⅲ、Ⅳ級(jí)共存問(wèn)題,超前支護(hù)、初期支護(hù)應(yīng)以防止頂部粉砂巖、薄層狀砂巖門框式塌方、成層脫落為主。

掌子面不存在坍塌的可能,整體穩(wěn)定,Ⅲ級(jí)圍巖滿足全斷面開(kāi)挖條件,Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖宜采用臺(tái)階法開(kāi)挖。