水平层状软弱围岩隧道预防拱顶坍塌施工技术

摘要：在隧道施工过程之中，水平层状围岩是一种比较常见的岩体，其稳定性较差，极易导致安全事故的发生，为了确保水平层状围岩隧道施工的质量，杜绝安全事故的发生，需防止其坍塌，基于此，本文论述了如何有效控制其拱顶坍塌，保证隧道工程安全质量。

关键词：水平围岩；隧道；坍塌；施工技术

中图分类号：TU74 文献标识码： A

引言

据统计，截止到2013年底，我国已经建成，正在建设及设计规划将要建设的公路铁路隧道总长度均超过1万千米大关。由此可见我国隧道建设总量已经远远领先世界其它国家，成为名副其实的隧道大国，但是我国隧道修建的技术水平、施工装备、安全质量控制与管理等与发达国家相比还存在较大差距，我们目前还称不上是隧道强国，主要表现在没有形成适合我国国情的隧道技术理论体系.

1.概况

本隧道位于内蒙古鄂尔多斯高原东侧，毛乌素沙漠东南端准格尔旗的梁峁区。该区域地表覆第四系全新统冲洪积层细圆砾土，上更新统风积新黄土，中更新统老黄土，第三系♥上新统（N）粉质粘土，下伏侏罗系中统（J）砂岩夹泥岩。

隧ม址区地势起伏较大，沟壑纵横，下切剧烈，山高谷深。隧道洞身基岩以侏罗系中统（J）砂岩为主，夹薄层～中厚层状泥岩，产状平缓，基本为水平层理，泥岩、砂岩互层分布，频繁交替出现，层厚为0.03～2m不等。砂岩为褐色，泥岩为深红色，有遇空气膨胀，强度低，孔隙率大，胶结程度差，含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层的特性。 抗压强度小于15 Mpa，节理裂隙发育，易产生掉块、坍塌现象。受地形地貌及地层岩性的控制，水文地质简单，隧道地下水以第四系空隙潜水和基岩裂隙水为主，基岩裂隙水主要赋存于侏罗系中统砂岩中，与泥岩的接触部位是其集中分布地带。 图1 水平层状围岩

马石梁隧道岩体破碎，地质条件复杂，穿越软弱围岩、山谷浅埋段及风积砂层等不良地层。在开挖过程中观察发现：水平围岩地段，超挖主要发生在拱部，几乎无炮痕存在，爆破后围岩极易沿拱部某一层理整体脱落下来，形成如案板的平顶现象，（如图2）。

图2 爆破后拱顶坍塌

该层理被滑移体切割成竖向或斜向裂隙时，岩体就会像块砖砌的墙体，拿掉下面的砖块，上面的砖块会因无支撑而落下，遇到该情况时，隧道拱顶的超挖就十分严重。根据实测断面分析（如图3），水平围岩的层理、节理对隧道的超挖控制起着至关重要的作用，岩体节理愈发育，围岩自身稳定性和抵抗爆破的能力就愈弱，超挖现象就愈严重。 图3 实测断面

一般情况下，在水平岩层施工过程中，隧道因开挖引起的超挖不可避免。但施工过程中对超欠挖的控制技术不仅反应施工单位的管理和施工水平，也关系到项目的经济效益。超挖引起的硐碴增多，出碴时间延长，排险难度增加，导致后续工序各环节时间延长，并给初期支护带来很大困难。超挖空间必须用混凝土回填密实，增加了喷射混凝土的用量，同时二衬混凝土用量也巨增，并在拱顶形成应力集中，留下安全隐患。欠挖则要凿除凸出部分，造成人、材、机的巨大消耗，而且处理欠挖容易引起更大的超挖，将严重影响硐室稳定。马石梁隧道在前期施工过程中，由于技术人员和开挖工人初次接触水平岩层隧道，毫无经验，隧道开挖效果很不理想，超欠挖严重，给初期支护造成很大困难（如图4）。

图4 拱顶坍塌情况

2.施工中采取的措施

2.2 及时初喷，封闭暴露围岩。喷射混凝土覆盖整个围岩表面，防止围岩风化。由于喷射混凝土有较高的喷射速度和压力，可以阻止围岩节理裂隙面内填充物的流出，填充围岩张开的裂隙，加固了围岩，增加了围岩稳定性。喷射混凝土与围岩大面积紧密接触，能与围岩一起协调变形，改善围岩的应力状态，避免围岩出现过ห大的变形和松弛，能充分发挥围岩的自稳能力。马石梁隧道采用爆破完，找顶排险，略微清理炮堆后，暂缓出碴，立即对掌子面进行初喷，封闭围岩，喷射混凝土厚度为20mm～40mm。如果局部存在欠挖则在立钢拱架之前采用人工风镐凿除，目的是减少围岩暴露的时间，缩小围岩松弛变形量，避免围岩遇空气膨胀、风化，导致拱顶掉块坍塌。

2.3 增强锁脚锚管，弱化系统锚杆。锚杆的主要作用为悬吊、组合拱、减跨和挤压加固。对软弱水平岩层而言，锚杆的这些作用基本发挥不了，施作过多反而会破坏围岩自身现有的承载力，亦会对超前小导管的注浆效果产生破坏。

图 5 小导管支护效果

2.5 控制施工循环进尺。原设计要求Ⅴ级围岩进尺为一榀格栅钢架间距（0.8m），Ⅳ和Ⅲ级围岩为两榀格栅钢架间距（2.0m，2.4m），如此循环进尺在施工中拱顶经常发生坍塌及掉块。经过我们反复试验，缩短了各级围岩的进尺，Ⅴ级围岩进尺采用0.6m，Ⅳ级围岩进尺采用0.8m， Ⅲ级围岩进尺采用2.0m，有效的控制了拱顶坍塌掉块。施工效果如图6。

2.6 加快循环施工速度。

2.6.1 加快开挖支护各工序施工步骤。合理调配施工机械和人员，加强各工序作业衔接，协调好各工种之间的配合，缩短围岩暴露时间。施工中将每循环施工时间由原来的16小时，缩短至13.5小时，有效的遏制了拱顶坍塌掉块现象，保证了工程安全和质量。

2.7 施工设计动态管理。隧道的施工图设计其实为预设计和类比设计，在施工过程中依据隧道暴露出的围岩真实状态，支护方式采用动态设计。原设计格栅钢架在立架及喷射混凝土时，拱顶掉块容易导致格栅钢架变形损坏，引发换拱和安全事故，根据围岩的实际状态，加强拱部支护，变更原设计主筋为Ф18格栅钢架为I18工字钢拱架，拱架的强度和刚度得到增强，提高了初支的支撑力，围岩变形后钢拱架和超前小导管在锁脚锚管的辅助下能有效承受围岩压力，保证了施ก工安全（如图6）。

图6 变更后循环进尺及钢拱架

3¿.取得的成果

通过对水平层软弱围岩的一系列综合管理，严格遵循“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护、勤量测”的施工原则，本着“岩变施工方法变”的理念，马石梁隧道水平层软弱围岩拱顶坍塌的问题基本解决，施工进度、安全质量得到有效控制，作为全线控制性的重难点工程顺利按期完成。

4.结语

针对水平层状围岩的变形和破坏特征，建议施工图设计时在掌子面的拱顶处设置超前小导管或全环型钢拱架，对拱顶进行及时预支护，以防止拱顶逐步变形、开裂而引起岩块塌落。