水平岩层隧道设计与施工关键技术研究

水平岩层隧道设计与施工关键技术研究

发表时间：2019-04-08T10:36:42.677Z 来源：《建筑模拟》2019年第3期作者：黄春

[导读] 本文通过对水平岩层隧道主要地质特点、工程特点和结构受力特点进行分析，结合传统的理论方法和现场工程实践经验，总结出针对水平岩层隧道设计和施工关键性技术，可有效保障水平岩层隧道施工质量、运营安全，控制隧道超欠挖和减少工程投资。

黄春

中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司贵州省贵阳市 550002

摘要：本文通过对水平岩层隧道主要地质特点、工程特点和结构受力特点进行分析，结合传统的理论方法和现场工程实践经验，总结出针对水平岩层隧道设计和施工关键性技术，可有效保障水平岩层隧道施工质量、运营安全，控制隧道超欠挖和减少工程投资。

关键词：隧道；水平围岩；设计；施工

一、水平岩层隧道设计与施工关键技术的研究意义

我国大约四分之三的国土是山地，近年来，隧道建设在逐年增加。在交通基础设施建设中发挥着越来越重要的作用。我国水平岩层分布广泛，水平岩层隧道爆破开挖断面成型困难，拱顶部位极易发生超挖和塌方，危及施工、运营安全，影响施工进度，增加工程投资。因此，水平层状围岩设计与施工的成败是决定水平岩层隧道工程成果好坏的一个关键性问题。研究水平岩层隧道的设计与施工方法是十分必要的，它对于减少隧道投资，保证隧道的顺利建设和安全运营具有重要意义。

二、水平岩层隧道事故原因分析

1、地质因素

水平岩层一般为沉积岩，岩层间存在软弱夹层，而软弱夹层一般为泥质岩，粘结力差，遇水软化成泥，形成完全脱离的板状结构，若岩层节理裂隙发育或受到外力扰动，极易形成碎块结构。在该地层开挖形成临空的隧道，岩体与空气及水汽接触，岩体自承力会迅速下降，造成超挖、落顶或塌方。

2、爆破技术

在上述地层中进行隧道施工，爆破过程中极易对隧道围岩造成扰动，爆破技术优劣对隧道爆破效果影响较大，隧道爆破技术主要包括爆破方法、爆破器材、爆破参数及装药方法等。爆破进尺、周边眼间距、钻眼精度、孔位偏差及装药量等对爆破效果影响较大，如参数选择不当会造成超挖、落顶和塌方等现象。

3、支护技术

水平岩层隧道施工时，应根据围岩地质和水文情况及时调整支护及超前支护方式。如III级围岩拱顶呈水平薄层石灰岩且层间结合较差时，就应增设拱架支撑。否则，若超前支护不足，很有可能造成拱顶超挖、平顶现象，若初支不足，很有可能由于掌子面爆破震动等原因造成后方拱顶整体落顶现象。

4、施工组织管理

完善的质量保证体系对于隧道开挖和支护作业尤为重要。现场管理包括材料供应、人员组织、工序管理、质量检测、监控量测信息反馈等方面。现场管理水平对隧道爆破效果、隧道施工掘进进度和经济效益都存在着一定的影响。因此，建立一个完善、系统、科学的管理体系非常必要。

三、水平岩层隧道设计要点

通过对水平岩层隧道的地质特点、工程特点和结构应力分析，结合传统的理论方法、水平岩层特点和实践经验，总结出水平岩层隧道一套具有显著成效的设计方法。隧道衬砌仍采用新奥法设计原理，将喷、锚、网、拱架等组合作为初期支护，将混凝土作为二次衬砌的复合式衬砌式的柔性支护体系；同时，根据隧址的地质条件和水文条件等设置强超前支护施工，确保施工和结构安全。具体设计要点如下：（1）水平岩层隧道选取线位和纵坡时，应根据地质资料调整隧道平纵，使隧道从岩层厚、层间结合好、整体性好及岩体富水量小的岩层通过。

（2）水平岩层隧道设计与施工时，应充分发挥锚杆的悬吊、组合梁、挤压紧固等作用，使顶部形成组合梁。

（3）水平岩层隧道在Ⅲ级围岩条件下，侧墙应少布设（或不布设）锚杆，拱腰及拱顶布设少量系统锚杆；在Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，侧墙宜少布设锚杆，拱腰及拱顶布设系统锚杆。充分发挥锚杆的悬吊、挤压紧固等作用，使顶部形成组合梁。

（4）在对地面沉降有严格要求或隧道围岩地质条件和水文条件较差时，可考虑初期支护采用半拱架或全拱架（见图1和图2）。

图1 半拱架示意图图2 全拱架示意图

（5）水平岩层隧道地质条件较差时，宜设置超前支护和钢拱架。

（6）水平岩层隧道且围岩破碎段，可采用超前小导管注浆加固前方围岩。

（7）岩体破碎、成孔困难的围岩，宜采用自钻式锚杆。

上述设计理念已在新老寨隧道（3.117km）和磨槽石隧道（2.422km）等项目得到充分验证，并取得良好的成果。

四、水平岩层隧道施工要点

对于一个优良项目，优秀的设计是基础。精细施工和强硬的质量是关键。工程是通过施工来实现的。质量是项目的真实生命，施工过程是形成产品最终质量的关键阶段，施工阶段是工程成败非常重要的阶段。水平岩层隧道施工的关键技术如下。

（1）水平岩层一般情况是透水层和不透水层交叠存在，在隧道施工时，应加强隧道超前地质预报及监控量测工作，根据预报结果对施工方案作详细的调查分析研究，制定出合理的施工方案，做好应对突涌水时的紧急预案和准备工作。

（2）施工时，应在可能进入滞水带前20～30m布置超前钻孔，以作预探和排水；钻孔数目、钻孔深度、位置和方向应根据地质、水文条件和现场情况综合确定。钻孔需穿入透水层，防止水囊、暗河、高压涌水等危害。

（3）水平岩层隧道的边墙稳定性较好，隧道拱腰以上稳定性与岩层厚度、层间水及层间结合情况的关系较大，对于含水量大、层间结合差或薄层岩，稳定性较差，开挖时易超挖和塌方。隧道开挖时应采用弱爆破等对围岩扰动小的开挖方式，水平岩层隧道拱顶扰动后易发生掉块和塌方，开挖后应及时完成初期支护作业，及时发挥初期支护的作用。

（4）水平岩层隧道爆破开挖时，应采用短进尺，减小周边眼间距，多钻孔，少装药，严格控制单响药量；同时根据隧道爆破效果及时总结经验，同时调整爆破参数，逐步使爆破效果达到最佳。

（5）水平岩层隧道爆破时，可将掏槽眼外围的辅助眼整体往隧道内部偏移适当距离，使靠隧道内侧的辅助眼抵抗距减小，使爆轰波向隧道内侧移动，有效的挤压并粉碎内侧岩石，使岩石崩落。同时，增加周边眼的外侧抵抗距，有效减小辅助眼爆炸对隧道洞壁的影响，改善光爆效果。

（6）对于水平岩层隧道，清除松动岩块时宜轻柔，避免过分找顶和长时间放置，影响围岩自稳能力，应及时进行支护作业。

（7）水平岩层隧道对于围岩情况稍好，拱部掉块较轻的段落，可适当增设局部砂浆锚杆和钢筋网片；对于拱部及两侧掉块较严重段落，可增设超前锚杆或小导管注浆。

（8）水平岩层一般为沉积岩，常见为泥岩与灰岩或砂岩互层，层间水对围岩稳定性影响较大，水平岩层隧道施工必须做好地下水和施工用水的管控，及时做好排水系统，完善防排水措施。

（9）岩面有集中渗水出露应先引排、妥善处理，避免因洞内积水恶化工程环境。

结束语

本文通过对水平岩层隧道主要地质特点、工程特点和结构受力特点进行分析，结合传统的理论方法和现场工程实践经验，总结出针对水平岩层隧道设计和施工关键性技术，并经实际工程验证，取得良好成效的设计和施工方法。能有效控制了水平岩层隧道超欠挖，避免了因大量超挖所引起的增加经济投资和工程质量等问题，是具体的工程项目在工程质量、安全、造价和进度上均取得了良好的成绩。

有效和可靠的水平岩层隧道设计和施工技术将大大提高水平岩层隧道设计和施工质量，有效保障隧道顺利施工和安全运营，加快施工进度，降低工程造价。

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