水平岩层条件下高速公路隧道控制超挖施工技术

水平岩层条件下高速公路隧道施工技术

公路三分公司广南高速公路GN1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）x 5.0m（高），内轮廓尺寸：11.06m （宽）x 7.15m（高）；紧急停车带建筑限界为13.00m （宽）x 5.0m（高），内轮廓尺寸：13.81m （宽）x 7.72m（高）；车行横通

道限界为4m （宽）x 5m（高），内轮廓尺寸：4.5m （宽）x 6m（高）;人行横通道为内轮廓尺寸：2.5m （宽）x 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

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+23Q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m,洞身开挖67.3万m。

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° 1 3°，优势产状为315 3 , 隧道出口段产状为90 ~150 1~3 ，优势产状110 3 。

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20MP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