水平岩层条件下高速公路隧道控制超挖施工技术

公路三分公司 广南高速公路GN10合同段 郑宏

1、前言

在隧道工程中,如何控制超挖一直是隧道工程师经常面对的问题。虽然光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术日益成熟，且已成为山岭隧道开挖爆破的常规方法，但我国由于地域辽阔、工程地质复杂多变，而且随着新一轮交通工程建设高峰期的到来，交通隧道的建设需求越来越大，这需要大量的钻爆人员从事隧道开挖工作。由于钻爆人员技术水平参差不齐，以及施工管理不善等其他因素，在实际隧道施工中“光爆不光”、超挖过大等现象仍普遍存在。

水平岩层是隧道工程作业经常遇到的一种地质构造,在隧道开挖过程中，水平岩层的光面爆破一直是一项技术难题.如果处理不好，隧道的拱顶会出现大面积平顶、落石、塌顶等现象，不仅直接影响隧道的光面爆破效果，还会影响毛洞的围岩稳定性、增加初期支护的数量和永久支护的混凝土工程量，增加工程投资.过去施工中,因为水平岩层引发安全事故且增加工程造价的事例很多，所以水平岩层超挖控制施工技术对隧道建设而言意义重大。

另外在软弱水平岩层中，岩体通常都较为破碎，节理发育,粘着性差，完整程度不高，围岩稳定性较差。在隧道开挖施工时易造成拱顶落石、片帮、崩塌等现象，给施工安全带来极大的隐患和困难.分析影响水平岩层中围岩的稳定性的因素，确定防止围岩失稳垮塌的措施，对于水平岩层条件下隧道的顺利施工具有积极意义。

2、栾家岩隧道工程地质概况

2。1 栾家岩隧道工程概况

栾家岩隧道左洞起止桩号为ZK78+010- ZK81+275，长3265 m，右洞起止桩号为K78+010—K81+273,长3263 m，为分离式特长隧道。该隧道主洞建筑限界为：10。25m（宽)×5。0m(高),内轮廓尺寸：11。06m（宽)×7.15m（高）；紧急停车带建筑限界为13。00m（宽)×5.0m（高），内轮廓尺寸：13。81m(宽）×7。72m(高）；车行横通道限界为4m(宽）×5m（高)，内轮廓尺寸：4。5m（宽）×6m(高）；人行横通道为内轮廓尺寸:2.5m（宽）×3m（高）。进口洞门采用环框式洞门，出口洞门采

用削竹式洞门。栾家岩隧道围岩情况如下表所示。 栾家岩隧道围岩分布表

位置 左线 左线 左线 右线 右线 右线 桩号 K78+010—K78+108 K78+108-K81+126 K81+126—K81+275 K78+010-K78+120 K78+120-K81+140 K81+140-K81+273 长度 98 3018 149 110 3020 133 围岩级别 V级 IV级 V级 V级 IV级 V级 进口浅埋段采用V（C）型衬砌，左线长108米，右线长113米，中段采用IV型衬砌，左线长2826米，右线长2840米，IV停型衬砌各长160米，出口段覆盖层较薄,采用V浅、V浅(H）、V加强三种类型衬砌，左线长144米,右线长128米，栾家岩隧道修建四个车型横通道，五个人行横通道.左线明洞长27米，进口长12米，出口长15米；右线明洞长22米，进口长7米,出口长15米。

栾家岩隧道在K79+230设立变坡点，广元端为0.5%的上坡,南充端为1。6％的下坡，隧道设计最高点在K79+230,设计高程为652.516米，最大埋深为右线K80+410处，埋深185米.隧道进出口都位于曲线上，进口左线曲线半径为3200m，曲线段长553.201米,进口右线曲线半径为2600米，曲线段长353。263米；隧道出口左线曲线半径为3500米，曲线段长324。656米，出口右线半径为4300米，曲线段长514。403米，隧道中段为直线段.洞口开挖0.78万m3，洞身开挖67.3万m3。 2。2 隧址区岩性情况

场内出露、揭露的地层有新生界第四系全新统松散层和中生界白垩系下统剑门关组，各地层描述如下：

(1）第四系崩坡积层

粉质粘土：褐黄～黄灰色，以粉、粘粒为主，含约10%－20％的粉砂岩、砂岩质角砾及块石，硬塑状，结构不均。主要分布于缓坡、沟谷，厚度约1－5。0m.

块石：色杂，以青灰色为主，石质成分以细砂岩、粉砂岩为主,结构松散透水性

好，主要分布于隧道出口，下卧于粉质粘土之下，厚度约4。0—5。0m。

（2）白垩系下统剑门关组

粉砂质泥岩:以粘土矿物为主，钙泥质胶结，粉粒质结构，薄—厚层状构造，岩质极软-软，具有饱水软化，脱水开裂风化特征，一般单一岩性，层厚5。0—40m。

粉砂岩：矿物成分以长石、石英为主，钙泥质胶结，粉粒结构,中厚层状构造,岩质软-较软，一般单一岩性，厚2.0-5。0m。

细砂岩：矿物成分以石英为主，泥钙质-钙质胶结,细粒结构，中厚—巨厚层状构造,局部水平及斜层理发育,结构不均,局部夹泥岩，岩质较坚硬-坚硬,一般单一岩性层后2。0-15m，该层分布于整个场地，出露于山顶、陡软,伏于松散层下，厚度大于300m。

2。3 隧址区围岩产状

隧址区位于新华夏系四川沉降带川中褶皱带，构造形迹以北东向宽缓褶皱为主，未见断层，场地在k79+560附近通过九龙山背斜轴部。九龙山背斜长20km，两翼基本对称，倾角1—5度,出露均为白垩系下统剑门关组地层。

场内岩层平缓，其中进口段岩层产状：280—320°,优势产状为315，隧道出口段产状为，优势产状。

场地岩层产状虽平缓,但因隧道穿越九龙山背斜核部，除背斜核部受构造稍微强烈外,其余段受构造运动影响轻微，节理大多垂直于层面发育，与岩性、构造关系密切,在厚层砂岩中，节理延伸好，间距大，薄—中层状泥质粉砂岩、粉砂岩中节理发育较密集,延伸性差，间距小.

可以看出,栾家岩隧道围岩具有软弱水平状岩层的特点.

3、水平岩层围岩稳定性分析及其对隧道施工的影响

3。1 水平层状围岩的稳定性分析

1）水平岩层的各种结构面影响围岩稳定性

在隧道施工中，由结构面（如断层、节理、层理、片理等裂隙）和开挖临空面把隧道通过区的岩石切割成不同形状岩体。在适当的岩体结构和力学条件下，岩体内部的这些岩块或岩块系统会发生运动,导致岩体整体失稳，形成塌方.在沉积岩中，

由于特殊的成岩机理,层理作为一个重要的结构面，层理面由于存在片状矿物和泥质岩，层间结合力大大降低，对围岩的稳定性有很大的影响。对层状岩石而言，水平岩层最不利于隧道开挖围岩的稳定.水平岩层层间结合力差,由于节理和开挖临空面的切割，极易形成不稳定的块体。

2)隧道开挖引起的应力释放影响围岩稳定性

隧道开挖前，围岩一般处于三轴受力平衡的应力状态，由于隧道埋深的影响,地层存在较高的应力，结构面一般紧密闭合，隧道开挖后，随着应力的重新分布，隧道周围的岩体将向隧道临空面运动,由于水平岩层特殊的水平层理构造,围岩体将会被挤出，从而向隧道临空面产生位移，出现鼓胀、破裂、折断而脱落。在高速公路隧道施工中，开挖跨径相对较大，水平层理对其影响更大，水平岩层在拱顶的梁式效应将受到减弱，在节理的影响下容易断裂，使隧道拱部开挖轮廓多成矩形，严重影响了施工质量和施工安全及进度。在隧道爆破开挖后，开挖轮廓圆、光爆效果看起来也很好,但在1～2h后，拱顶岩石逐渐剥落、掉快，直到稳定后形成矩形的拱,这就是一个应力逐渐释放的过程.根据现场观测,厚层围岩要比中厚层围岩稳定,中厚层要比薄层围岩稳定。

3）地下水及其他地质构造影响围岩稳定性

另外，地下水及其他地质构造也会影响隧道围岩的稳定性。隧道开挖后,地下水静止的平衡被打破，由于水力梯度的重新分布,隧道空间的水力梯度将降为0,地下水将向隧道空间移动,从而造成对隧道周围岩体的软化，同时浸润、润滑结构面，使围岩的强度和结构面结合力降低。对于软质、或软硬相间的泥砂岩互层，在地下水的作用下，产生软化,其强度大大降低，同时产生挤出、弯张而脱落造成坍塌.其他地质构造主要是指影响水平围岩稳定性的断层、贯穿性节理对水平岩层的切割，破坏了层状岩层的整体性，易和开挖轮廓线共同切割围岩,形成掉快、坍塌甚至大的塌方。

3。2 软弱水平岩层对隧道施工的影响

根据栾家岩隧道弹性波速测试的结果,围岩的单轴抗压强度20MPa左右，属软质岩范畴。软弱水平岩层对于隧道的开挖及支护具有重要影响。

（1)根据掌子面地质观察的结果，栾家岩隧道隧址处岩性主要为泥岩、泥质砂

岩等，产状近似水平，节理发育，岩体破碎，岩块间咬合力差，完整程度不高，在隧道开挖施工时易造成拱顶落石、片帮、崩塌等现象,给施工安全带来极大的隐患和困难。

（2）由于软弱水平岩层的破碎性、层理性，在开挖爆破时易造成拱部围岩的牵动、扩展性松动和脱落,边墙局部围岩留有根坎、欠挖现象，从而使隧道开挖轮廓不易控制，超、欠挖现象严重，并且破坏了围岩自然拱的受力状态，从而使围岩开挖后的变形速度加快，自稳能力减弱。若处理措施不及时，或针对性不强，容易造成拱顶塌方等现象.

(3）软弱水平岩层的破碎程度和层理面的产状，对开挖时的爆破参数选择、爆破效果的实现均有较大影响。层理面与药包的最小抵抗线平行、垂直或斜交时，爆破效果存在显著不同，从而与原定爆破轮廓大相径庭，造成严重的超欠挖。 3。3 水平岩层超挖原因分析

水平岩层的层理、节理对隧道的超挖起着重要作用。岩体节理愈发育，抵抗爆破的能力就愈弱，超挖现象就愈严重.在水平或微倾斜岩层中，水平炮孔的最小抵抗线方向垂直于水平岩层，其爆轰波除直接压缩破碎炮孔附近的岩层外,其应力波还将向外传播.当遇有裂隙、层理面时，应力波就会被该面反射，形成反射拉伸波。又因为岩体抗压能力远大于抗拉能力，于是位于两水平层理之间的岩体被反射拉伸波拉下来,形成了平顶超挖现象。当岩体节理、裂隙不发育时， 该应力波被反射的几率减少，或被较远处裂隙面反射后所形成拉伸波的能力不足以“拉下”某二层理面之间的岩体。因此，控制水平岩层拱顶超挖现象，除避免周边炮孔直接破碎岩体外，还应设法减少反射拉伸波对隧道轮廓线外水平层状岩体的拉伸破坏,也就是需要增大周边眼与轮廓线外水平岩层的距离。

4、水平岩层隧道施工技术

4.1 水平岩层超欠挖控制施工技术

根据以上分析及以前施工经验，水平岩层控制超欠挖施工主要采用以下关键技术。

1）根据平均线超挖量控制拱顶周边眼内移距离及装药参数.由于岩体的性质在

一定距离内具有相似性，例如，裂隙的多少、节理的方向等，如果作用力、作用距离基本相等，拱顶平均线超挖量应该为一个常数。也就是对相同的岩体，可以用减少作用力、增大作用距离来减弱爆轰波对需保留岩体的破坏,从而达到控制超挖的目的。在实际施工中，以隧道断面起拱线以上部位的平均线超挖量测量来调整周边眼炮孔内移的距离，并在小范围内调整周边眼装药系数.

2）拱肩处加密炮眼，并利用空孔导向来控制水平层理对断面成形的影响.当岩体节理较为发育，并伴有竖向裂隙时，拱部将产生较大范围超挖,此时最大点超挖量将位于拱肩处。伴有竖向裂隙的水平岩层,节理密度更大，除采取拱顶眼内移距离及控制装药量外,更多的是对拱肩处周边眼进行加密并隔孔装药。

3) 采用特殊掏槽形式，减轻岩体振动。根据水平岩层特性,将型掏槽眼成上下两排侧布置，上排炮孔方向向下倾斜，下排掏槽炮孔向上倾斜。该掏槽区位于断面底部,尽量减少掏槽区药量直接对拱部的破坏。掏槽区上部掘进眼弃用弧形布置，亦改用与层理方向一致的水平线性布置，以减少掘进眼耗药量，进一步减轻地振动。 4。2 水平岩层下防止围岩失稳垮塌的施工措施

根据前面对水平岩层条件下的围岩稳定性分析，结合栾家岩隧道实际施工过程中遇到的问题，现提出以下防止围岩失稳垮塌的一些针对性措施。

（1）施工前应仔细核对围岩的岩性和地质构造特征,以便有针对性地制定一些相应的施工改进措施，做到有准备、有预防、有效果.例如要充分了解围岩的完整性、硬度，层理的倾向和走向，层理间的结合紧密程度，有无软弱夹层，岩层的厚度、含水量是否丰富等情况，为其后的施工参数选择和改进提供有力的依据。

(2）由于栾家岩隧道采用上下台阶法进行分部开挖，考虑到水平岩层的特点，在隧道开挖时台阶不宜过长,并加强支护，快速支护,及时封闭成环是关键，以充分保证施工的安全。若岩层的完整性较好，岩性较硬，岩层较厚，层理间结合紧密,开挖后能基本形成自然拱时，可以在清除岩壁危石后，及时施作拱部超前、径向锚杆，网喷混凝土，其参数选择可参照同类围岩加强布置。反之，若岩层较破碎，岩层薄，层理间有软弱夹层，开挖后不易形成自然拱时, 应加强初期支护,采用格栅钢架或型钢钢架加以支撑,缩小支护间距，锚网喷混凝土及时封闭，与超前锚杆联为一体，形成临时护拱.

(3） 隧道开挖爆破时应坚持少装药、多打眼、弱扰动的原则，根据岩层的地质构造特征,合理地选择爆破参数和改进炮眼布置位置，如将周边眼的位置向内圈移动一些， 炮眼深度控制在2m以内，选择与围岩相匹配的炸药，采用预裂爆破新技术等，从而减少对围岩的扰动，以利安全。

（4）根据监控量测的反馈资料，在围岩、支护的变形基本稳定的情况下，及时地进行二次衬砌、仰拱填充,以尽早形成封闭环，发挥整体结构的受力体系作用.一般情况下，二次衬砌施工时应满足下列要求：水平收敛速率<0。2mm/d，拱顶下沉速率<0.15mm/d.

（5)在围岩地下水丰富的地段，应妥善采取防排水措施，坚持“ 防、排、堵、截\"相结合,因地制宜综合治理的原则,在施工中，根据不同部位的水量大小、出水点的位置等灵活采用钻孔汇流、超前钻孔泄水、安设盲管盲沟、铺设防水板、安设止水条、注浆等治理方法;在隧道浅埋段，还应做好地表水的引流，或将地表进行封闭处理，防止水害侵蚀围岩的稳定。

（6）施工时，应坚持“短进尺,强支护,勤量测，紧衬砌”的原则，抓好各工序的紧凑衔接,尽量缩短衬砌前的工作面的暴露时间，并根据监控量测反馈的信息，及时布置和调整有关环节的施工，特别是围岩软弱破碎地段，衬砌应紧跟。

（7）衬砌背后进行充填压浆，将充填物的空隙进一步封堵，提高围岩松弛圈的整体固结强度和抗渗性，抑制地层变形，并防止围岩裂隙水造成拱部病害,充填压浆的压力可控制在0。2—0。3MPa。

5、结语

 关于水平岩层围岩稳定性：

水平岩层围岩稳定性受岩体结构面的多少、地下水状况及地质构造特点、开挖后的围岩应力释放等多种因素影响。在施工中应注意“短进尺，强支护，勤量测,紧衬砌”的原则，抓好各工序的紧凑衔接，尽量缩短衬砌前的工作面的暴露时间.在必要的情况下对衬砌背后空洞进行充填压浆，提高围岩松弛圈的整体固结强度和抗渗性，保证围岩稳定.

 关于水平岩层超欠挖控制：

水平岩层的超欠挖控制的好坏主要取决于爆破质量的好坏，根据前面的分析，可以通过以下几点来控制超欠挖:

1）拱部平均线超挖量可以作为爆破参数调整的重要指标。 2)隧道拱肩处加密炮眼,利用空孔导向来控制拱肩处断面成型。 3) 规范周边眼装药结构，一般情况下应采用光面爆破技术。 4） 严格控制软岩中周边眼外插角,将外插角控制在2度左右. 5） 有条件的情况下可以采用减震爆破技术.

最后，建议建立各项管理规章制度，包括测量及钻爆， 严格执行超欠挖奖罚制度, 奖优罚劣奖勤罚徽，科学的管理制度往往比技术要求获得更佳的效果。