齊萬鵬，張德華，嚴(yán)競雄，史振宇

(1．北京交通大學(xué)，北京 100044;2．中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024)

1 前言

隧道圍巖分級是評定圍巖的性質(zhì)、判斷隧道圍巖穩(wěn)定性、選擇隧道施工方法及支護(hù)參數(shù)的前提。傳統(tǒng)的鐵路、公路隧道圍巖分級采用經(jīng)驗(yàn)類比法，依據(jù)隧道圍巖分級表，并同時考慮圍巖地下水和地應(yīng)力特征進(jìn)行。

包家山隧道穿越的千枚巖地層工程地質(zhì)復(fù)雜，斷層多，巖體性質(zhì)變化大，圍巖穩(wěn)定性差，遇水極易軟化。依據(jù)現(xiàn)有圍巖分級的施工方法進(jìn)行施工，施工中多次出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象。傳統(tǒng)的圍巖分級方法已難以滿足包家山隧道千變?nèi)f化的千枚巖地層情況。因此，在確定包家山隧道千枚巖基本水理性質(zhì)基礎(chǔ)上，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003－2005)基礎(chǔ)上，運(yùn)用國標(biāo)《工程巖體分極標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)中巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)，對隧道IV、V級千枚巖進(jìn)行了較為細(xì)致的分級，將IV、V級圍巖分為兩個亞級，建立了千枚巖圍巖施工階段亞級分級方法，獲得了不同亞級的包家山千枚巖隧道施工方法，并運(yùn)用該亞分級對應(yīng)的施工方法進(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)度達(dá)到3．75 m，保證了施工安全和施工進(jìn)度。

2 包家山隧道工程概況

2．1 工程概況

包家山特長隧道位于包茂線(陜西境)小河—安康高速公路的咽喉部位，全長11．2 km，是全國第三長公路隧道，也是國家規(guī)劃的包頭至茂名公路大通道的控制性工程，其所處區(qū)域工程地質(zhì)以千枚巖為主，屬南羊山斷裂和石泉—安康斷裂之間，地段斷層、褶皺發(fā)育影響全隧道的較大規(guī)模斷層有37條。斷層帶周邊常見強(qiáng)構(gòu)造混雜帶、強(qiáng)糜棱巖化、片理化等，斷層兩側(cè)及褶皺軸部裂隙發(fā)育巖石破碎，圍巖穩(wěn)定性差，破碎帶多，地下水豐富。

隧道為單向行駛雙車道隧道，開挖面積106．4 m2。隧道凈寬10．25 m，凈高5．0 m，除洞口段結(jié)合地形、地質(zhì)條件設(shè)置明洞外，其余地段均按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌，見表1。

表1 包家山隧道支護(hù)設(shè)計(jì)情況Table 1 Supporting system of Baojiashan tunnel

初期支護(hù):洞口段采用徑向系統(tǒng)錨桿、超前管棚周壁預(yù)注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅴ級圍巖段采用徑向系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅳ級圍巖段采用徑向系統(tǒng)錨桿、超前錨桿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅲ級圍巖段采用徑向系統(tǒng)錨桿配合噴射混凝土形成整體。

二次襯砌:明洞、洞口淺埋段、涌水段、塑性變形段、交叉段及設(shè)備洞室均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余地段采用素混凝土結(jié)構(gòu)。對Ⅳ、Ⅴ級圍巖均采用帶仰拱襯砌，Ⅲ級圍巖不帶仰拱，但對于2#斜井與主洞交叉處采用帶仰拱襯砌。在二次襯砌墻腳下采用加厚曲邊墻型式，確保墻腳外側(cè)縱向排水管不侵入邊墻內(nèi)。

防排水設(shè)計(jì):隧道的防排水遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。要求排水通暢、防水可靠、施工方便，保證運(yùn)營期間隧道內(nèi)不滲不漏，達(dá)到基本干燥要求，保證襯砌結(jié)構(gòu)和洞內(nèi)設(shè)備的正常使用以及行車安全。隧道明洞段采用粘土隔水層作為第一道防水線防止地表水滲漏，明洞襯砌外鋪設(shè)土工布及防水板作為第二道防水措施;暗洞隧道在初期支護(hù)和二次襯砌間敷設(shè)土工布及防水板;二次襯砌沉降縫采用中埋式橡膠止水帶止水，施工縫采用P－201止水膏。在初期支護(hù)中根據(jù)地下水量大小按規(guī)定間距設(shè)置排水半管將匯水引入襯砌兩側(cè)墻腳外側(cè)縱向排水花管中，沿隧道全長在行車道中心下設(shè)置中心排水管，縱向排水花管中的水通過橫向連接引入中心排水管，通過中心排水溝將水排出洞外?？v向排水花管、中心排水溝及路面兩側(cè)邊溝間隔適當(dāng)距離設(shè)置檢查井及沉淀池，方便維修及利用高壓水沖洗疏通。

2．2 工程及水文地質(zhì)概況

隧道工程地質(zhì)以粉砂質(zhì)絹云母千枚巖夾炭質(zhì)板巖為主，千枚巖含量占45%左右。圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育——很發(fā)育，呈薄層狀角礫結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，圍巖破碎，局部結(jié)構(gòu)充填泥質(zhì)物，面光滑，穩(wěn)定性差。

區(qū)內(nèi)巖體均為淺變質(zhì)巖類，根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)不同分為千枚狀軟質(zhì)巖類、片狀半堅(jiān)硬巖類和板狀、層狀硬質(zhì)巖類。

1)千枚狀、片狀軟質(zhì)巖類(ⅡB):片巖、千枚巖或以千枚巖為主夾板巖等地層，主要分布在隧道YK151+665～YK156+910、YK157+870～YK159+270、YK159+517 ～ YK161+900、YK162+260 ～YK162+840，占隧道長度的89．10%。巖石質(zhì)軟，強(qiáng)度較低，抗風(fēng)化能力差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc為2．9～28．9 Mpa。

2)硬質(zhì)巖類(ⅡA):以層狀灰?guī)r或板巖為主，主要有灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r，白云巖、碳質(zhì)板巖、鈣質(zhì)粉砂質(zhì)板巖等，主要分布在隧道中部和南部地段，里程樁號為 YK156+910～YK157+870，YK159+270～YK159+517，YK161+900～YK162+260，占隧道總長的10．9%，細(xì)晶或微晶結(jié)構(gòu)，巖石致密、堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，飽和抗壓強(qiáng)度Rc在11．3～72．0 Mpa。部分地段溶蝕強(qiáng)烈，可見直徑1～4 m的溶洞和0．10～0．20 m寬的溶蝕裂縫，地震勘探測得深部有直徑5～100 m不等的巖溶異常區(qū)。圖1給出了包家山隧道右線巖體分布圖。

圖1 包家山隧道右線巖體分布圖Fig．1 Distribution picture of rock mass in right line of Baojiashan tunnel

隧道經(jīng)過地段地下水埋藏分布極不均勻，受巖性構(gòu)造及巖溶發(fā)育程度等因素控制。根據(jù)巖性的差異分成3個富水地段，綜合考慮基巖裂隙水的極不均勻性質(zhì)和隧道施工運(yùn)營安全，隧道總涌水量取斷面流量法和滲渠法的平均值1188．61m3/h，即左、右線均為28512 m3/d。

2．3 原設(shè)計(jì)圍巖分級概況

依據(jù)圍巖的主要特征和圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ將包家山隧道圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，以軟巖至較堅(jiān)硬巖為主，BQ在251～450之間，少數(shù)地段為Ⅴ級圍巖，屬全、強(qiáng)風(fēng)化的軟巖，巖體破碎，BQ≤250，見表2。

表2 包家山隧道圍巖分級情況Table 2 Condition of rock classificationin Baojianshan tunnel

2．4 原施工方案設(shè)計(jì)

包家山隧道洞口段采用徑向系統(tǒng)錨桿、超前管棚周壁預(yù)注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;洞身Ⅴ級圍巖段采用徑向系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅳ級圍巖段采用徑向系統(tǒng)錨桿、超前錨桿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅲ級圍巖段采用徑向系統(tǒng)錨桿配合噴射混凝土形成整體。

運(yùn)用上述施工方案，在隧道開挖過程中，多次出現(xiàn)中型及小型塌方現(xiàn)象，施工極為困難。因此項(xiàng)目部下決心針對不同涌水量，不同完整程度的千枚巖進(jìn)行專項(xiàng)研究，確定更為細(xì)致的適合包家山隧道的千枚巖圍巖亞分級方法及相應(yīng)的施工方法，保證工程安全及順利實(shí)施。

隧道進(jìn)出口明洞均采用分層小切口明挖，進(jìn)行錨噴混凝土的加固。明洞采用就地模筑全斷面整體式鋼筋混凝土襯砌，明洞回填時，對稱回填土石并分層夯實(shí)，每層厚度不得大于50 cm。

隧道暗洞施作在明洞施作后進(jìn)行。隧道暗洞加強(qiáng)段、Ⅴ級圍巖采用臺階分步開挖，每環(huán)進(jìn)尺控制在1．0 m，臺階長度不小于6 m，采用弱爆破或機(jī)械開挖，初期支護(hù)及時封閉。下半斷面應(yīng)采用拉中心槽，兩側(cè)留足臺階土，馬口跳槽開挖落地，馬口長度不大于3 m，及時完成初期支護(hù);Ⅳ級圍巖采用正臺階法開挖;最終全斷面模筑二次混凝土襯砌;Ⅲ、Ⅱ級圍巖采用全斷面開挖。

3 包家山隧道千枚巖圍巖亞分級研究

3．1 千枚巖工程特性試驗(yàn)研究

千枚巖除了具有其他軟巖的共性外，還有一些特殊的性質(zhì)。當(dāng)前國內(nèi)外對千枚巖工程特性的研究較少，只在烏鞘嶺等隧道中進(jìn)行過一些千枚巖施工技術(shù)方面的研究，但以往的研究因工期等多種原因限制不夠詳細(xì)，不足以滿足新的工程的需要，所以通過物理力學(xué)試驗(yàn)對千枚巖的工程特性進(jìn)行研究。

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)特征是影響巖石工程性質(zhì)的重要因素，也是設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)［2，3］。本工程對包家山隧道小康段不同里程處的巖石采樣，進(jìn)行了巖石的質(zhì)量指標(biāo)、巖石的水理性質(zhì)指標(biāo)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experiments results of physics and mechanics properties of rock

3．2 分級指標(biāo)體系的選取

影響千枚巖圍巖分級的主要因素可以用圍巖分級的指標(biāo)體系來表達(dá)。當(dāng)前國內(nèi)外主要采用巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整性狀態(tài)和地下水作為最常用的圍巖分級的指標(biāo)，其最高采用率達(dá)100%。關(guān)寶樹等學(xué)者研究認(rèn)為，一般巖質(zhì)圍巖施工階段，圍巖分級指標(biāo)除了包括巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度的基本指標(biāo)外，修正指標(biāo)中影響較大的為地下水狀態(tài)［4，5］。

包家山隧道圍巖亞分級研究中，也采用上述3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行圍巖亞級分級。

3．3 包家山隧道千枚巖亞分級

為了保證《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70－2004)的連續(xù)性，以及更好地滿足工程實(shí)際，本次研究在《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003－2005)基礎(chǔ)上，運(yùn)用國標(biāo)《工程巖體分極標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)中巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)，對隧道IV、V級千枚巖進(jìn)行了較為細(xì)致的分級，將IV、V級圍巖分為兩個亞級。圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)值［BQ］可按公式計(jì)算

［BQ］=BQ －100(K1+K2+K3)。

式中，［BQ］為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值;BQ為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo);K1為地下水影響修正系數(shù);K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù);K3為初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。上述3項(xiàng)修正系數(shù)依據(jù)國標(biāo)《工程巖體分極標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)進(jìn)行取值，見表4～表6。

表4 地下水影響修正系數(shù)K1Table 4 Amendatory influence coefficient K1 of groundwater

表5 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)K2Table 5 Shape influence coefficient K2 of main weak structural plane

表6 初始應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)K3Table 6 Influence coefficient K3 of original stress state

修正后的［BQ］值采用表7的BQ范圍進(jìn)行分級。

表7 包家山隧道千枚巖亞級分級標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Criterion of sub－classification for phyllite in Baojiashan Tunnel

表8 包家山隧道右線圍巖級別表Table 8 Rock classification of right line in Baojiashan tunnel

運(yùn)用上述分級方法，在包家山隧道里程YK151+650～K156+500段，采用施工階段的動態(tài)分級方法對該標(biāo)段進(jìn)行了亞分級。隧道右線YK155+810～K155+890，YK156+350～K156+490段共220 m被劃分為Ⅳ1級，YK151+930～K152+650，YK152+890 ～K153+430，YK153+430 ～K154+090，YK154+090～K155+390段共3220 m被劃分為Ⅳ2級，280 m被劃分為Ⅴ2級。

3．4 包家山隧道千枚巖亞分級后施工方法

通過現(xiàn)場測試記錄及試驗(yàn)對不同亞級別的千枚巖隧道做出相應(yīng)的施工方法總結(jié)，采用亞分級的對應(yīng)的施工方法進(jìn)行施工。

3．4．1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

施工中堅(jiān)持以TSP203預(yù)報(bào)為主、超前鉆探為輔的預(yù)報(bào)方案，用30 in超前鉆探對TSP203預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。綜合運(yùn)用TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)系、超前鉆孔、開挖面巖性前推法等方法和手段預(yù)報(bào)前方工程水文地質(zhì)變化，并及時對巖體進(jìn)行亞分級，調(diào)節(jié)支護(hù)參數(shù)和施工方法，確保安全快速通過該地段。以V2級圍巖段為例，介紹圍巖亞分級后，隧道的施工方法。

為了減小對的圍巖擾動，將支護(hù)及時封閉成環(huán)，使隧道能順利通過V2級千枚巖地段，確定采用“上部弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土，三臺階七步開挖平行流水作業(yè)法”施工。這種方法具有以下施工特點(diǎn):

1)三臺階平行作業(yè)，施工空間較大、可以引入大型施工機(jī)械作業(yè)，施工效率高。

2)施工方法轉(zhuǎn)換較快，進(jìn)度穩(wěn)定，安全和工期有保障。

3)施工工藝簡單，施工投入少。

表9 千枚巖亞分級對應(yīng)施工方法Table 9 Construction method for each sub-classification of phyllite rock

3．4．2 超前注漿

富水千枚巖地段每3 m進(jìn)行一次超前注漿，注漿小導(dǎo)管鉆孔從工作面最后一榀工字鋼拱架上部穿過，打入小導(dǎo)管后，鋼管尾部和工字鋼架焊接成整體。止?jié){墻采用噴射混凝土，掌子面上臺階范圍噴10 cm厚混凝土進(jìn)行封閉，采用兩臺KBY50/70注漿泵進(jìn)行注漿作業(yè)。徑向注漿小導(dǎo)管在進(jìn)行初期支護(hù)時同步打設(shè)，在開挖下一循環(huán)的時候?qū)Ρ狙h(huán)打設(shè)的徑向小導(dǎo)管進(jìn)行注漿。為了節(jié)約時間，徑向注漿管全部用鐵絲綁在預(yù)埋在邊墻的鋼筋上，采用4臺同型號注漿泵注漿。

3．4．3 開挖

上部弧形導(dǎo)坑采用人工風(fēng)鎬開挖，必要時輔以弱爆破;核心土長度同上臺階長度，核心土距拱頂開挖面1．5 m，坡腳距拱腳2．5 m。中下臺階及仰拱采用微震光面爆破開挖，嚴(yán)格掌握炮眼數(shù)量、深度及裝藥量，以減少爆破震動對圍巖的影響。各部開挖后及時初噴3～5cm混凝土封閉掌子面，網(wǎng)噴、錨桿、鋼架聯(lián)合支護(hù)作業(yè)。上導(dǎo)坑拱腳、中下導(dǎo)坑墻角增設(shè)鎖腳錨管，拱架拱腳下方墊槽鋼;仰拱緊跟下臺階施作，按每段4HI開挖及時施作仰拱混凝土，使支護(hù)閉合成環(huán)。上、中臺階開挖后挖掘機(jī)將洞碴扒至下臺階，同時上導(dǎo)坑開始架立鋼架，挖掘機(jī)座于中臺階配合ZI_50C裝載機(jī)裝碴，北方奔馳車出碴。

運(yùn)用上述分級方法及相應(yīng)的施工方法，在包家山隧道工期緊張，工程水文地質(zhì)復(fù)雜，隧道穿越地段有20條斷層，IV、V級圍巖占70%以上的工程背景下，建立了一套能適應(yīng)地質(zhì)變化而迅速過渡的施工方法，充分發(fā)揮了先進(jìn)的大型施工機(jī)具的優(yōu)勢，提高工作效率，取得了最佳的掘進(jìn)速度和經(jīng)濟(jì)效益。包家山千枚巖隧道施工實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)度達(dá)到3．75 m，保證了施工安全和施工進(jìn)度，大大減少了斷層破碎帶富水段的施工風(fēng)險，保證了隧道施工安全、質(zhì)量及工期。

4 結(jié)語

針對包家山千枚巖隧道，通過亞分級法對千枚巖圍巖進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論:

1)在《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003－2005)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用國標(biāo)《工程巖體分極標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)中巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)，對隧道IV、V級千枚巖進(jìn)行了較為細(xì)致的分級，將IV、V級圍巖分為兩個亞級，建立了千枚巖圍巖施工階段亞級分級方法。

2)確定了包家山隧道千枚巖水理性質(zhì)。遇水后，其單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比、黏聚力都急劇下降，水敏感性強(qiáng)，明確了包家山隧道遇水軟化的工程特性。

3)獲得了不同亞級的包家山千枚巖隧道施工方法。

4)運(yùn)用亞分級對應(yīng)施工方法進(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)度達(dá)到3．75 m，保證了施工安全和施工進(jìn)度。

［1］胡月蘭．水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:中國水利水電出版社，2001．

［2］孫廣忠．巖體力學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京:科學(xué)出版社，1983．

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