陕北地区隧道施工遇水平岩层预防塌方施工方法

陕北地区隧道施工遇水平岩层预防塌方施工方法探讨摘要：根据陕北地区山体水平围岩特点，分析隧道遇水平岩层易产生塌方原因及塌方特点，介绍了预防塌方的加强措施。该方法可为陕北地区隧道遇水平岩层施工预防塌方提供借鉴。

【关键词】隧道水平岩层预防塌方施工方法

0引言

西北地区，尤其是陕北黄土地区，隧道掘进施工时遇水平岩层极为常见，陕北地区山体水平岩层主要以砂岩夹页岩、页岩夹砂岩、砂岩夹泥岩为主，设计一般将围岩级别定为ⅲ级、ⅳ级。对于ⅳ级水平围岩，初期支护一般采用钢架、锚杆、喷射混凝土，开挖安全基本有保证；但对于ⅲ级水平围岩，设计初期支护一般为锚杆、喷射混凝土，开挖后经常发生拱顶掉块或塌方现象，给施工、人身安全带来较大风险。包西铁路施工期间，遇陕北地区水平岩层地质，隧道掘进施工时发生了大量坍塌现象，后进行了专题研究，采取了加强措施，效果较好。

1地质特点及设计支护参数

包西铁路沿线隧道穿越的岩层主要为侏罗系（j）、三叠系（t）、二叠系（p）的砂岩夹页岩、页岩夹砂岩、砂岩夹泥岩，砂岩相对较硬，而泥岩、页岩岩质相对较软，软硬不均，风化差异较大，软质岩石易风化，在垂直发育的两组主要节理切割下容易失稳。

双线隧道ⅲ级水平围岩设计初期支护为湿喷c25混凝土10㎝，拱部喷c25混凝土中设置φ6钢筋网，网格间距25×25cm，拱部设

系统锚杆，长2.5m，1.2×1.5m呈梅花形布置。

2塌方特征

沿线隧道遇水平围岩塌方主要存在以下五个特征：

2.1 边墙稳定，一般为拱顶塌方。

2.2 规模不大，发生塌方的随机性和偶然性较大，预见及防护困难。

2.3 直接掌子面塌方不多，大部分为掌子面后方与仰拱之间塌方，形成关门，危险性较大。

2.4 塌穴多为上小下大三角形腔体叠置悬臂结构。

2.5 拱顶掉块后形成第二通道，加快坍塌进度。

3 塌方原因分析

多次塌方后邀请铁道部、建设、设计、施工、监理等单位有关隧道、地质专家进行现场勘察，对塌方原因进行分析、讨论，最后形成一致意见：水平围岩隧道塌方主要受地层岩性、地质构造、地下水等多种因素影响造成。

3.1 水平岩层

沿线涉及的侏罗系、二叠系、三叠系石炭系砂岩、页岩、泥岩及及其互层地层平缓，呈微倾向北和北西的单斜地层，倾角一般为3°～10°，导致隧道拱部稳定性较差。

3.2 垂直节理

岩体主要发育两组构造垂直节理，大致为东西向和南北向，东西向节理间距0.5～1.5m，连通性较好，南北向较稀，间距2～3m。

两组节理对岩体切割，隧道开挖下部临空后应力调整，当节理密闭，结合紧密时，应力调整时间较长，在隧道掌子面后方易产生塌方，当节理微张或张开，节理结合较差时，应力调整时间短，往往在掌子面开挖后很快产生塌方。

3.3 软硬相间

泥岩及页岩一般以砂质为主，岩质相对较软，砂岩以钙质为主，岩质相对较硬，岩性软硬相间，岩体风化不均，层间结合相对较差，且在隧道开挖后围岩应力调整时间较长，是拱部塌方滞后的原因之一。

3.4 地下水渗透并逐渐形成通道

沿线隧道埋深不大，部分隧道刚开挖时干燥无水，爆破后形成临空面，节理裂隙水沿爆破后形成的纵向裂隙下渗，首先雨水渗入黄土增大了隧道拱顶的荷载，其次下渗到隧道周边，对隧道拱部的页岩和泥岩夹层进行软化，已施工的隧道初期支护受到这两重不利因素影响，造成拱部局部坍塌。

3.5 拱顶覆盖的水平岩层厚度较薄

隧道拱部处在页岩、泥岩中，特别是在薄层页岩、泥岩中，光面爆破效果很差，隧道拱部很难形成自然拱，在其上部较厚的黄土荷载压力下，已经施工的隧道初期支护难以承受，造成拱部局部坍塌。

3.6 水平成层围岩临近断层段及其影响带

部分隧道临近断裂褶皱带，受爆破震动等因素影响，拱顶易坍

塌。

3.7 开挖放炮震动

为赶进度，ⅲ级围岩爆破进尺较大，一次装药量大，爆破振动大，超欠挖严重，欠挖处应力集中，拱部岩石慢慢剥落。喷射混凝土临近掌子面，受爆破震动大，喷射混凝土早期强度受到较大影响。故拱部常出现掉块，隧道施工存在安全隐患。

3.8 设计支护参数不足

对于陕北地区ⅲ级水平围岩，设计仅按普通ⅲ级围岩对待（初期支护采用系统锚杆、拱部钢筋网+喷射混凝土、边墙喷射混凝土），未考虑到该围岩开挖后边墙稳定、拱部不稳的特殊性，未对拱部采用专门加强措施。

4 初期支护针对性措施

综合包西铁路沿线隧道塌方特点及原因分析，塌方主要集中在薄层砂、页、泥岩夹杂地段，因此，为预防隧道拱顶掉块、塌方，针对ⅲ级水平围岩隧道拱部围岩特点，初期支护建议采取以下针对性措施。

各类围岩建议采用初期支护

序号隧道拱部围岩特点初期支护

1 砂岩，中厚层－厚层湿喷c25混凝土，拱部喷c25混凝

土中设置φ6钢筋网，拱部设系统锚杆，梅花形布置。

2 砂岩、砂岩夹页岩（泥岩），砂岩与泥岩中厚层状拱部锚杆较“1”增长，适当增加拱部喷层厚度（设置φ6钢筋网）并提高喷射混凝土早期强度（24小时强度不应低于4mpa）。

3 砂岩、砂岩夹页岩（泥岩），薄层状拱部锚杆较“1”增长。拱部设置钢支架，间距为 1.2～1.5m，钢支架的断面可以采用三角钢支架或四边形格栅支架，支架脚可采用大拱脚。喷射混凝土的强度等级不应低于c25（拱部设置φ6钢筋网），24小时强度不应低于4mpa。

4 砂岩、砂岩夹页岩（泥岩），或砂泥岩、砂页岩互层，薄层状拱部锚杆较“1”增长。拱墙采用格栅或工16型钢钢架，间距为 1.2～1.5m，支架脚可采用大拱脚。喷射混凝土的强度等级不应低于c25（拱部设置φ6钢筋网），24小时强度不应低于4mpa。

5 ⅲ级水平成层围岩临近断层及影响带或ⅲ级水平成层围岩

渗水量大于10l/min.10m 提高围岩级别，按高一级别支护参数执行

5 其他预防性措施

5.1 采用短进尺浅孔爆破，有效减少超欠挖，同时采用小直径药包连续装药，采用“等差”雷管、控制相邻段位炮孔起爆时差不小于50ms，避免爆破振动波叠加，控制爆破振动速度小于50cm/s，减少对喷混凝土早期强度的影响，达到安全经济的合理要求。

5.2 由于爆破后开挖面的不平整，喷混凝土厚度的离散性非常