本文以某隧道施工为例,分析了水平岩层在修建隧道所产生的现象，介绍了在实际施工中所采用的施工技术及经验体会。
摘要：本文以某隧道施工为例,分析了水平岩层在修建隧道所产生的现象，介绍了在实际施工中所采用的施工技术及经验体会。
关键词：隧道；水平岩层；施工技术
一、工程概况
该隧道是全线重点工程、控制工期工程，隧道通过黄土浅埋段、土石分界及不整合接触带和圆砾土段、膨胀（岩）土段、近水平岩层段、黄土地段及黄土陷穴段、突涌水段等不良地质地段，出口紧临银武高速。左线DK95+607～DK112+765，长17160.76m，右线DK95+591～DK112+750，长17154.92m，单线隧道，一次建成双线。设计辅助坑道有4座斜井和1座横洞，安排6个作业工点16个工作面同时采用无轨运输、大型机械化配套作业，实现“长隧短打”。全隧以Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主，采用正台阶法、全断面法、台阶法（必要时设临时仰拱）、环形开挖预留核心土法等施工工法。某隧道富水条件为贫水区-中等富水区，局部可能有涌水现象，单管隧道正常涌水量19825.5m3/d左右，最大涌水量46957.0m3/d左右。
二、水平层围岩变形失稳的原因
泥岩和泥质砂岩均属于弹塑性软质岩，岩体中含有大量的粘土矿物。隧道洞室开挖后，改变了岩体的应力条件，在应力释放过程中产生卸荷膨胀，使围岩变形破坏，主要表现为软质围岩的膨胀。此外，洞壁应力降低区的形成促使少量水分从高应力区向洞壁转移，洞壁岩体中的粘土等亲水矿物吸水也是围岩膨胀的主要原因，造成洞室顶部软质围岩的软化以及夹层的泥化，在重力作用下易发生坍塌现象。在隧道开挖后的应力调整过程中，由于软弱结构面和夹层的抗剪强度较低，在自重作用下使围岩发生结构面控制型的变形破坏，主要表现为拱部不稳定块体沿软弱结构面或夹层的剪切错位、拉裂坠落。正是由于软质砂泥岩的以上物理特性，再加上该地区砂泥岩成岩结构属于典型的水平层理，两种岩层呈不等厚状相互交错；且又属于新建双线大跨度隧道，选线受穿越高程因素限制，使隧道恰好处于拱部围岩层理发育，对隧道施工极为不利的薄～厚层处，因在施工中极易产生掉块、坍塌现象。对此，则应采取分部施工，重点增强拱部围岩支护，减少拱部围岩的扰动，快速封闭。
三、采取的主要施工措施
遵循软岩隧道施工“短进尺、弱爆破、勤量测、强支护、早封闭”的原则，结合隧道双线大断面的结构形式及围岩结构层理组成、变形等特点，在施工过程中，不断摸索、研究，认为三台阶是适合双线大断面砂、泥岩水平层理围岩的好方法。
（一）三台阶法施工。整个断面结构为三心圆，轨面以上为单心圆；以Ⅲ级围岩为例：开挖总高度为11.48m，宽度13.04m，开挖面积120.53m2。隧道开挖采用三台阶法施工：上台阶高度3.5～4.5m左右，下台阶4～5m左右，隧底部开挖高度保持在2.0m左右。上台阶长度保持在5.0m范围，上台阶距离二次衬砌工序30m左右，缩短各工序的步长关系，便于及时初期支护和二次衬砌工序紧跟。施做时，上下台阶同时钻眼起爆，而后挖掘机扒上部石碴至下台阶处，上台阶随之进行初期支护，下台阶出碴，待下台阶出碴完毕，上下台阶同时喷射混凝土封闭围岩面，完成初期支护后，则进入下一个循环，上下两个台阶的掌子面又可以同时钻眼开挖。三台阶法在水平岩层施工中的优点：1、重点突出，有的放矢。减少上部开挖高度，缩小上部开挖断面，减少上部开挖、出碴工作量，达到及时封闭、支护拱部围岩的目的，同时也利于拱部初期支护能够保质保量的施做到位；成功抑制了拱部围岩变形、掉块现象。2、多工序平行作业能力强，节约循环时间。上下台阶响炮后，利用挖掘机将上部剩余虚碴扒到下台阶，上部就能较快地创造出新的工作面，在下部出碴的同时就可以进行上部拱部围岩的支护工作，拱部支护工序和出碴工序形成平行作业场面，缩短了整个循环的工作时间，工作效率高。3、工序步长更加紧凑，有利于支护结构及时封闭成环。短台阶法开挖，上台阶的长度一般均保持在5.0m左右，中台阶长度维持在保证出碴车辆运转长度20m左右，仰拱就可以紧随下台阶，达到初期支护及时封闭，下部结构及早成型，有利于围岩整体稳定。4、应急情况处理灵活便利，有助于及时采取强支护措施。由于上下台阶同时掘进，仰拱紧随下台阶，二次衬砌也就可以及时跟进，一旦前方围岩出现变形较大或者初期支护发生开裂、剥落、掉块等危及生产安全的异常情况发生时，则可以及时采取二次衬砌等强支护手段，确保围岩不出现坍塌现象。
（二）拱部增设格栅钢架，加强拱部围岩支护强度。对于围岩整体性好，自稳能力较强的水平围岩地段，其初期支护采用锚喷工艺，即拱部打设长2.5mφ25CD反循环中空注浆锚杆，锚杆间距1.2m(环向)×1.2m（纵向），边墙打设长度为2.5m的普通砂浆锚杆，锚杆间距1.2m(环向)×1.2m（纵向）；拱墙均挂设φ8钢筋网，网格间距25cm×25cm，喷射C25混凝土12cm厚。对于拱部围岩整体性差，薄层易风化、掉块地段则针对性的采取仅在拱部145o范围架设大拱脚格栅钢架的措施，加强拱部支护，增强围岩自稳能力。其具体的支护参数如下：格栅拱架规格16cm厚，20cm宽，架设间距1榀/1.2m，拱部用长L=3.5m的φ25CD反循环中空注浆锚杆，间距1.2m(环向)×1.0m（纵向），边墙打设长L=3.0m的普通砂浆锚杆，锚杆间距1.2m(环向)×1.0m（纵向），每边3根；拱墙均挂设φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm，喷射C25混凝土拱部23cm厚，边墙10cm。
（三）根据围岩变形的时间效应，制定严格的步长控制制度。根据监控量测数据、现场实际观测及前期施工中总结的水平岩层变形特点和规律，围岩在初期支护完成后15天左右，会出现初期支护开裂、剥落、甚至掉块现象，初期支护完成20天左右后，变形较大地段就会出现严重掉块，甚至突然发生大面积的围岩失稳坍塌现象；为此，在施工过程中，结合实际的施工进度，制定仰拱工序距离上部掌子面不得超过50m，二次衬砌工序距离掌子面不得超过90m的内控标准，缩短了围岩暴露时间，及时封闭、支护，确保隧道施工安全。
（四）施工要点。1、钻爆采取弱爆破，尽可能减少对拱部围岩的扰动。在施工过程中，应根据围岩情况不断地优化钻爆方案，拱部周边眼间距严格控制在45cm以内，且尽可能少装药，采用φ25的小直径药卷；二圈眼与周边眼的距离保持在60～80cm以内，掏槽眼易布置在开挖断面中下部，且掏槽眼到周边眼采取微差分段起爆，减少一次起爆震波大，对周边围岩尤其是拱部围岩扰动、破坏大的作用。2、锚杆要严格按设计施做到位。拱部锚杆打设角度应为大角度，至少保持60o以上。锚杆打设角度过小，会直接减弱锚杆悬挂长度范围；同时锚杆安装时，砂浆应饱满，否则将严重影响锚固质量。3、初期支护应及时，且喷射密实，不得在支护与围岩间留有空隙。砂质泥岩、泥岩开挖暴露后遇到空气极易风化、剥落、掉块，因此，对这种围岩则要及时的采取喷射混凝土进行封闭，尤其为拱部围岩。在采取挂设钢筋网或者拱部架设格栅钢架支护部位，喷射混凝土时，一定要先将钢筋网与围岩面之间或者格栅拱架与围岩之间的空隙喷射密实，不得留有空隙。4、锁脚锚管必须按要求施做到位。锁脚锚杆的作用主要是为了防止拱部格栅钢架下沉，其作用至关重要。锁脚锚杆格栅拱架拱脚上30cm高度处左右两侧打设，锚管打设角度与水平面的夹角不得大于30o，锚管端头采用φ22螺纹钢加工制成U型筋与钢拱架焊接牢固。5、仰拱一次施做长度不宜过长。隧道施工的一个重要环节则是仰拱施做，要求短开挖、快成环，及时浇注混凝土封闭隧道底部。对于水平岩层虽然边墙围岩相对稳定，但仰拱的开挖势必造成边墙围岩的松弛变形，进而影响到拱部支护结构的安全，故仰拱开挖一次施做的长度不宜过长，应保持在6～9m为宜。6、监控量测工作常抓不懈。从现场的量测情况反馈，拱部沉降明显大于水平收敛值，通过现场的监控量测数据以及日常的初期支护状态观察，发现异常现象后，及时采取相应的加固措施，同时也为支护参数调整提供了有力的技术参数。7、加强地质超前预报工作。水平岩层的特点掌子面前方地质情况一般没有较大的突变现象，但其地质分布的特点为：岩层层理分布不均匀，薄厚不一，变化较大；岩层岩性变化较大，砂岩、泥质砂岩、泥岩交替出现，尤其在拱部位置，很难完全掌握其分布规律；拱部开挖线以上部位，岩层分布情况复杂，在砂、泥岩层中含有夹土层，且土层的分布长度和高度都不易掌握。现场施工中沿隧道纵向采取TSP-203等地质探测仪器进行预报，对于隧道拱部围岩岩层层理分布则要求，在开挖的同时，在隧道拱部采用钻机打设3～5个径向钻孔，探知岩层层理分布及厚度，据此预测前方拱部围岩分布情况，发现岩石覆盖层厚度减小等异常则可及时调整施工方案及支护措施，确保施工安全。
四．解决办法
隧道开挖断面是典型的水平层状，多层薄厚不均的“石板”层层叠加，形成砂岩、泥岩，甚至煤层的互层结构，状似“肉加馍”似的岩层与泥土的松散夹层。隧道开挖后裂隙水渗出，泥岩遇水软化，夹层间结合较差，拱部开挖后易发生大面积剥落、掉块、以致坍塌，隧道成型差，不能形成自然拱形，容易形成“门型”结构。该隧道又是长度超过万米、开挖断面超过150平方米的特长双线隧道，隧道是个大上坡，进口与出口的高程相差183米，以“长隧短打”的施工方法共划分为五个工区、八个工作面组织施工，施工组织管理难度非常大。
围岩稳定是隧道安全施工的基本条件，水平互层围岩的隧道开挖后稳定性极差。针对这个罕见的施工难题，技术人员从建立水平互层围岩隧道的工程力学特性模型入手，通过三维弹性力学有限元分析、二维弹塑性有限元分析和二维结构动力学有限元分析技术，对水平互层围岩隧道施工中所采用的台阶法进行施工力学和爆破力学的模拟分析，为水平岩层隧道的施工提供了强有力的理论支持，并通过现场不断优化，形成了一套适合于大跨度水平岩层施工的工艺、工法。在施工中，对大断面、水平层中经常夹带黄泥的特殊地质，采用地质雷达和TSP进行超前地质预报，每茬炮前在隧道拱部打入超前探孔，并联合高校开展了“水平岩层特长隧道的特性及其施工技术研究”的科研攻关活动，确保了隧道施工安全。
隧道采用台阶法施工，严格实施隧道施工“步长控制”规范，初期支护紧跟隧道开挖掌子面，上台阶施工长度控制在35～50米之间，下台阶施工长度保持在15米以内，仰拱距离开挖掌子面相距70米，二次衬砌距离掌子面的距离相距90米。各工序之间紧密衔接，支护措施紧随，形成安全、有序、整体、快速向前循环施工的运行体系。
根据研究掌握的水平岩层的变形机理规律，针对不同的岩层层理构造和岩性特征，遵循“石变我变，石强我弱，石弱我强”的原则，采取了多种形式的支护结构类型，摸索出成套的科学支护参数，既科学又经济，确保了隧道施工安全。
五．结束语
安全是隧道工程的重中之重。在遵循“短进尺、弱爆破、勤量测、强支护、早封闭”原则同时，要加强人员的安全施工培训；保证洞内“通风、通电、通水”，安全员跟踪作业排除隐患！