摘要：本文以某隧道施工為例,分析了水平巖層在修建隧道所產生的現象，介紹了在實際施工中所采用的施工技術及經驗體會。
　　關鍵詞：隧道；水平巖層；施工技術
　　一、工程概況
　　該隧道是全線重點工程、控制工期工程，隧道通過黃土淺埋段、土石分界及不整合接觸帶和圓礫土段、膨脹（巖）土段、近水平巖層段、黃土地段及黃土陷穴段、突涌水段等不良地質地段，出口緊臨銀武高速。左線DK95+607～DK112+765，長17160.76m，右線DK95+591～DK112+750，長17154.92m，單線隧道，一次建成雙線。設計輔助坑道有4座斜井和1座橫洞，安排6個作業工點16個工作面同時采用無軌運輸、大型機械化配套作業，實現“長隧短打”。全隧以Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主，采用正臺階法、全斷面法、臺階法（必要時設臨時仰拱）、環形開挖預留核心土法等施工工法。某隧道富水條件為貧水區-中等富水區，局部可能有涌水現象，單管隧道正常涌水量19825.5m3/d左右，最大涌水量46957.0m3/d左右。
　　二、水平層圍巖變形失穩的原因
　　泥巖和泥質砂巖均屬于彈塑性軟質巖，巖體中含有大量的粘土礦物。隧道洞室開挖后，改變了巖體的應力條件，在應力釋放過程中產生卸荷膨脹，使圍巖變形破壞，主要表現為軟質圍巖的膨脹。此外，洞壁應力降低區的形成促使少量水分從高應力區向洞壁轉移，洞壁巖體中的粘土等親水礦物吸水也是圍巖膨脹的主要原因，造成洞室頂部軟質圍巖的軟化以及夾層的泥化，在重力作用下易發生坍塌現象。在隧道開挖后的應力調整過程中，由于軟弱結構面和夾層的抗剪強度較低，在自重作用下使圍巖發生結構面控制型的變形破壞，主要表現為拱部不穩定塊體沿軟弱結構面或夾層的剪切錯位、拉裂墜落。正是由于軟質砂泥巖的以上物理特性，再加上該地區砂泥巖成巖結構屬于典型的水平層理，兩種巖層呈不等厚狀相互交錯；且又屬于新建雙線大跨度隧道，選線受穿越高程因素限制，使隧道恰好處于拱部圍巖層理發育，對隧道施工極為不利的薄～厚層處，因在施工中極易產生掉塊、坍塌現象。對此，則應采取分部施工，重點增強拱部圍巖支護，減少拱部圍巖的擾動，快速封閉。
　　三、采取的主要施工措施
　　遵循軟巖隧道施工“短進尺、弱爆破、勤量測、強支護、早封閉”的原則，結合隧道雙線大斷面的結構形式及圍巖結構層理組成、變形等特點，在施工過程中，不斷摸索、研究，認為三臺階是適合雙線大斷面砂、泥巖水平層理圍巖的好方法。
　　（一）三臺階法施工。整個斷面結構為三心圓，軌面以上為單心圓；以Ⅲ級圍巖為例：開挖總高度為11.48m，寬度13.04m，開挖面積120.53m2。隧道開挖采用三臺階法施工：上臺階高度3.5～4.5m左右，下臺階4～5m左右，隧底部開挖高度保持在2.0m左右。上臺階長度保持在5.0m范圍，上臺階距離二次襯砌工序30m左右，縮短各工序的步長關系，便于及時初期支護和二次襯砌工序緊跟。施做時，上下臺階同時鉆眼起爆，而后挖掘機扒上部石碴至下臺階處，上臺階隨之進行初期支護，下臺階出碴，待下臺階出碴完畢，上下臺階同時噴射混凝土封閉圍巖面，完成初期支護后，則進入下一個循環，上下兩個臺階的掌子面又可以同時鉆眼開挖。三臺階法在水平巖層施工中的優點：1、重點突出，有的放矢。減少上部開挖高度，縮小上部開挖斷面，減少上部開挖、出碴工作量，達到及時封閉、支護拱部圍巖的目的，同時也利于拱部初期支護能夠保質保量的施做到位；成功抑制了拱部圍巖變形、掉塊現象。2、多工序平行作業能力強，節約循環時間。上下臺階響炮后，利用挖掘機將上部剩余虛碴扒到下臺階，上部就能較快地創造出新的工作面，在下部出碴的同時就可以進行上部拱部圍巖的支護工作，拱部支護工序和出碴工序形成平行作業場面，縮短了整個循環的工作時間，工作效率高。3、工序步長更加緊湊，有利于支護結構及時封閉成環。短臺階法開挖，上臺階的長度一般均保持在5.0m左右，中臺階長度維持在保證出碴車輛運轉長度20m左右，仰拱就可以緊隨下臺階，達到初期支護及時封閉，下部結構及早成型，有利于圍巖整體穩定。4、應急情況處理靈活便利，有助于及時采取強支護措施。由于上下臺階同時掘進，仰拱緊隨下臺階，二次襯砌也就可以及時跟進，一旦前方圍巖出現變形較大或者初期支護發生開裂、剝落、掉塊等危及生產安全的異常情況發生時，則可以及時采取二次襯砌等強支護手段，確保圍巖不出現坍塌現象。
　　（二）拱部增設格柵鋼架，加強拱部圍巖支護強度。對于圍巖整體性好，自穩能力較強的水平圍巖地段，其初期支護采用錨噴工藝，即拱部打設長2.5mφ25CD反循環中空注漿錨桿，錨桿間距1.2m(環向)×1.2m（縱向），邊墻打設長度為2.5m的普通砂漿錨桿，錨桿間距1.2m(環向)×1.2m（縱向）；拱墻均掛設φ8鋼筋網，網格間距25cm×25cm，噴射C25混凝土12cm厚。對于拱部圍巖整體性差，薄層易風化、掉塊地段則針對性的采取僅在拱部145o范圍架設大拱腳格柵鋼架的措施，加強拱部支護，增強圍巖自穩能力。其具體的支護參數如下：格柵拱架規格16cm厚，20cm寬，架設間距1榀/1.2m，拱部用長L=3.5m的φ25CD反循環中空注漿錨桿，間距1.2m(環向)×1.0m（縱向），邊墻打設長L=3.0m的普通砂漿錨桿，錨桿間距1.2m(環向)×1.0m（縱向），每邊3根；拱墻均掛設φ8鋼筋網，網格間距20cm×20cm，噴射C25混凝土拱部23cm厚，邊墻10cm。
　　（三）根據圍巖變形的時間效應，制定嚴格的步長控制制度。根據監控量測數據、現場實際觀測及前期施工中總結的水平巖層變形特點和規律，圍巖在初期支護完成后15天左右，會出現初期支護開裂、剝落、甚至掉塊現象，初期支護完成20天左右后，變形較大地段就會出現嚴重掉塊，甚至突然發生大面積的圍巖失穩坍塌現象；為此，在施工過程中，結合實際的施工進度，制定仰拱工序距離上部掌子面不得超過50m，二次襯砌工序距離掌子面不得超過90m的內控標準，縮短了圍巖暴露時間，及時封閉、支護，確保隧道施工安全。
　　（四）施工要點。1、鉆爆采取弱爆破，盡可能減少對拱部圍巖的擾動。在施工過程中，應根據圍巖情況不斷地優化鉆爆方案，拱部周邊眼間距嚴格控制在45cm以內，且盡可能少裝藥，采用φ25的小直徑藥卷；二圈眼與周邊眼的距離保持在60～80cm以內，掏槽眼易布置在開挖斷面中下部，且掏槽眼到周邊眼采取微差分段起爆，減少一次起爆震波大，對周邊圍巖尤其是拱部圍巖擾動、破壞大的作用。2、錨桿要嚴格按設計施做到位。拱部錨桿打設角度應為大角度，至少保持60o以上。錨桿打設角度過小，會直接減弱錨桿懸掛長度范圍；同時錨桿安裝時，砂漿應飽滿，否則將嚴重影響錨固質量。3、初期支護應及時，且噴射密實，不得在支護與圍巖間留有空隙。砂質泥巖、泥巖開挖暴露后遇到空氣極易風化、剝落、掉塊，因此，對這種圍巖則要及時的采取噴射混凝土進行封閉，尤其為拱部圍巖。在采取掛設鋼筋網或者拱部架設格柵鋼架支護部位，噴射混凝土時，一定要先將鋼筋網與圍巖面之間或者格柵拱架與圍巖之間的空隙噴射密實，不得留有空隙。4、鎖腳錨管必須按要求施做到位。鎖腳錨桿的作用主要是為了防止拱部格柵鋼架下沉，其作用至關重要。鎖腳錨桿格柵拱架拱腳上30cm高度處左右兩側打設，錨管打設角度與水平面的夾角不得大于30o，錨管端頭采用φ22螺紋鋼加工制成U型筋與鋼拱架焊接牢固。5、仰拱一次施做長度不宜過長。隧道施工的一個重要環節則是仰拱施做，要求短開挖、快成環，及時澆注混凝土封閉隧道底部。對于水平巖層雖然邊墻圍巖相對穩定，但仰拱的開挖勢必造成邊墻圍巖的松弛變形，進而影響到拱部支護結構的安全，故仰拱開挖一次施做的長度不宜過長，應保持在6～9m為宜。6、監控量測工作常抓不懈。從現場的量測情況反饋，拱部沉降明顯大于水平收斂值，通過現場的監控量測數據以及日常的初期支護狀態觀察，發現異常現象后，及時采取相應的加固措施，同時也為支護參數調整提供了有力的技術參數。7、加強地質超前預報工作。水平巖層的特點掌子面前方地質情況一般沒有較大的突變現象，但其地質分布的特點為：巖層層理分布不均勻，薄厚不一，變化較大；巖層巖性變化較大，砂巖、泥質砂巖、泥巖交替出現，尤其在拱部位置，很難完全掌握其分布規律；拱部開挖線以上部位，巖層分布情況復雜，在砂、泥巖層中含有夾土層，且土層的分布長度和高度都不易掌握。現場施工中沿隧道縱向采取TSP-203等地質探測儀器進行預報，對于隧道拱部圍巖巖層層理分布則要求，在開挖的同時，在隧道拱部采用鉆機打設3～5個徑向鉆孔，探知巖層層理分布及厚度，據此預測前方拱部圍巖分布情況，發現巖石覆蓋層厚度減小等異常則可及時調整施工方案及支護措施，確保施工安全。
　　四．解決辦法
　　隧道開挖斷面是典型的水平層狀，多層薄厚不均的“石板”層層疊加，形成砂巖、泥巖，甚至煤層的互層結構，狀似“肉加饃”似的巖層與泥土的松散夾層。隧道開挖后裂隙水滲出，泥巖遇水軟化，夾層間結合較差，拱部開挖后易發生大面積剝落、掉塊、以致坍塌，隧道成型差，不能形成自然拱形，容易形成“門型”結構。該隧道又是長度超過萬米、開挖斷面超過150平方米的特長雙線隧道，隧道是個大上坡，進口與出口的高程相差183米，以“長隧短打”的施工方法共劃分為五個工區、八個工作面組織施工，施工組織管理難度非常大。
　　圍巖穩定是隧道安全施工的基本條件，水平互層圍巖的隧道開挖后穩定性極差。針對這個罕見的施工難題，技術人員從建立水平互層圍巖隧道的工程力學特性模型入手，通過三維彈性力學有限元分析、二維彈塑性有限元分析和二維結構動力學有限元分析技術，對水平互層圍巖隧道施工中所采用的臺階法進行施工力學和爆破力學的模擬分析，為水平巖層隧道的施工提供了強有力的理論支持，并通過現場不斷優化，形成了一套適合于大跨度水平巖層施工的工藝、工法。在施工中，對大斷面、水平層中經常夾帶黃泥的特殊地質，采用地質雷達和TSP進行超前地質預報，每茬炮前在隧道拱部打入超前探孔，并聯合高校開展了“水平巖層特長隧道的特性及其施工技術研究”的科研攻關活動，確保了隧道施工安全。
　　隧道采用臺階法施工，嚴格實施隧道施工“步長控制”規范，初期支護緊跟隧道開挖掌子面，上臺階施工長度控制在35～50米之間，下臺階施工長度保持在15米以內，仰拱距離開挖掌子面相距70米，二次襯砌距離掌子面的距離相距90米。各工序之間緊密銜接，支護措施緊隨，形成安全、有序、整體、快速向前循環施工的運行體系。
　　根據研究掌握的水平巖層的變形機理規律，針對不同的巖層層理構造和巖性特征，遵循“石變我變，石強我弱，石弱我強”的原則，采取了多種形式的支護結構類型，摸索出成套的科學支護參數，既科學又經濟，確保了隧道施工安全。
　　五．結束語
　　安全是隧道工程的重中之重。在遵循“短進尺、弱爆破、勤量測、強支護、早封閉”原則同時，要加強人員的安全施工培訓；保證洞內“通風、通電、通水”，安全員跟蹤作業排除隱患！