孙晋锋
(中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 400000)
1 概况
山西中南部铁路通道设计速度120 km/h，设计轴重30 t，为路内首条按重载标准建设的重载铁路运煤通道。标段内隧道共18座，25.2 km，其中石楼隧道全长12807 m，为单洞双线隧道，线间距为4.0 m，为高风险隧道，全线控制工程之一，设计辅助坑道有4座斜井，10个工作面同时采用无轨运输、大型机械配套作业，开挖方式采用台阶法施工。
1.1 工程地质
石楼隧道地处山西省吕梁地区石楼县，为黄土峁梁地带，冲沟发育，隧道最大埋深为252 m，最小埋深为1.5 m;隧道Ⅲ级围岩占20%。主要在石楼隧道2号斜井和3号斜井，洞身通过的水平层为泥质砂岩、泥岩、砂质泥岩互层，薄层～中厚层，其中在2号斜井大里程和3号斜井段为弱风化，呈大块状结构，节理裂隙比较发育;在2号斜井小里程段为强风化，呈压碎结构，节理裂隙发育。
1.2 水文地质
石楼隧道水平岩层段地下水赋存以基岩裂隙水为主，局部水量较大。
2 变形的原因和形态
2.1 变形原因
围岩的稳定性取决于围岩的应力状态和围岩的力学性质。隧道开挖后应力重新分布，当二次应力较低，达不到围岩的弹性极限时，围岩处于弹性状态，无需支护就可以保持稳定;当围岩应力较高时，强度较低时，就会产生塑性变形和断裂破坏，此外，在节理、裂隙等结构面切割时，有可能在隧道的拱顶和边墙产生不稳定的楔形块体。因此在隧道开挖后需要对围岩应力进行分析，对围岩的稳定性进行评价，以便采取合理的开挖方式和支护形式。
2.2 失稳形态
石楼隧道开挖后，边墙的失稳形态主要有以下几种形式:
1)沿岩层层面平面滑移。
由于地层水平，地下水下伏泥岩接触带，使泥岩接触带相对富水，促使泥岩风化、泥化速度加快，形成软弱夹层，与砂岩底部形成滑移边界，特别是在雨季情况下，软弱夹层力学强度指标大大降低，在自重作用下使围岩发生结构面控制型的变形破坏，主要表现为边墙不稳定块体沿软弱结构面或夹层的剪切错位、拉裂坠落。
2)悬臂式倾倒。
水平岩层的控制爆破要求比较高，边墙开挖后容易出现岩腔(泥岩)上部临空的厚层状砂岩，在重力作用下沿底部支撑点发生反转倾倒。
3)流塑拉裂。
在砂泥岩互层的边墙，由于砂岩发育有部分竖向节理，构成水的良好通道从而使水能够到达泥岩使其软化并发生流塑，泥岩的流塑又导致上部砂岩体已有的裂隙被拉开，从而使砂岩发生崩塌。
3 对隧道开挖的影响
石楼隧道的水平层围岩主要以薄层～中厚层砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，层间结合差，隧道开挖前，各种结构面一般紧密闭合，开挖后，随着应力重新分布，隧道周围的岩体将向临空面位移，由于水平层理的特殊构造，围岩体将会被挤出，从而出现鼓胀、脱落。在石楼隧道施工中，由于断面跨度比较大，隧道开挖后，在节理的影响下，应力逐步释放，拱部容易形成矩形状，给后续施工带来很大安全质量隐患。
4 裂隙水对围岩的影响
石楼隧道水平层段地下水以基岩裂隙水为主，隧道开挖后，地下水力梯度重新分布，地下水慢慢向临空面渗流。开挖后边墙的地下水一般以点状或面状渗水，未发现股状涌水，但这些渗水会逐渐软化围岩，致使层间结合力降低，进而影响边墙的稳定，极易发生拉裂坠落，进而引起大的塌方。
5 主要施工措施
5.1 三台阶法施工
石楼隧道水平层围岩段按照“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，采用三台阶法施工。
三台阶七步法分上中下三个台阶七个作业面，三台阶七步法的特点:一是施工空间大，可以多个作业面平行作业;二是中下台阶左右错开开挖，有利于作业面的稳定;三是当围岩有变形时，可以很快调整闭合时间。
三台阶七步法的施工工艺:第1步:开挖弧形导坑，预留核心土，核心土长度3 m～5 m，长度是指顺隧道方向，宽度为隧道的1/3～1/2，隧道开挖宽度12 m，核心土的宽度是4 m～6 m，当然是根据围岩情况进行调整，每循环开挖1榀，留个工作空间也就是1.5 m，开挖太大，有两个坏处，一是如果开挖太大就会降低自稳能力，二是开挖面封闭时间会长一点。开挖好以后立即初喷3 cm～5 cm的混凝土，增强围岩自稳能力，避免产生掉块。然后进行打锚杆挂，立拱架。在拱脚以上30 cm处紧贴拱架打锁脚锚杆，角度控制在30°左右，最后再复喷混凝土到设计厚度。第2步～第5步就是开挖中下台阶，要注意的就是挖机开挖后预留30 cm人工挖，以防止挖机扰动拱架。另外还要注意左右两边要错开开挖，防止拱架悬空，造成初支下沉，其他同第1步。第6步就是开挖核心土，当然核心土也不能开挖太长，最好和循环进尺一样。第7步仰拱开挖。一次开挖控制在2 m～3 m。这样就达到了封闭成环的目的，见图1。
图1 三台阶法施工示意图（单位：m）
5.2 增设格栅钢架加强拱部围岩支护强度
在水平层状岩层中开挖大跨度隧道时，拱顶问题往往比较严重。因为水平岩层在洞顶形成类似组合梁结构，如果层间的结合比较弱，特别是当有软弱夹层发育时，层间剪切强度锐减，组合梁可能演化成叠合梁，顶板的强度与刚度就会大为削弱，在这种条件下易发生弯折变形。
因此，在石楼隧道Ⅲ级围岩地段，采取拱部145°范围内增设格栅钢架的措施，加强拱部支护，具体参数见表1。
表1 石楼隧道Ⅲ水平岩层拱部围岩支护参数
5.3 优化钻爆设计
在水平岩层段开工前进行爆破设计，在施工过程中，根据围岩情况不断地优化钻爆方案，采取弱爆破，尽可能减少对拱部围岩的扰动。拱部周边眼间距严格控制在45 cm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45 cm～50 cm以内，掏槽眼易布置在开挖断面中下部。此外在石楼隧道施工中还选用了水压爆破技术，取得了很好的效果。
5.4 高度重视初喷工序
隧道施工中，一般为了赶进度，都比较忽视初喷工序封闭岩面，失去了封闭岩面的最佳时期，造成裂隙的进一步扩张和裂隙水的渗流，降低了层间结合力，使围岩产生了松弛变形，未能很好发挥围岩的自承力。在石楼隧道Ⅲ级围岩水平层施工中，一直很重视初喷工序。
5.5 几点体会
1)应最大限度的利用围岩的自承能力。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。通过前人的研究成果，结合石楼隧道的实际地质情况，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，不断优化钻爆设计，特别是水压爆破技术的推广应用为水平岩层隧道的施工提供了强有力的理论支持。
2)应充分发挥支护以及围岩的共同作用，高度重视隧道锚杆的施工，锚杆加固的作用不仅仅是悬吊作用，更主要的是使围岩内的应力条件得到改善，同时还能提高围岩的整体强度，使强度得到提高的岩体环绕隧道形成加固拱，主动的加固围岩与围岩共同作用。
3)基于监控量测、施工地质调查与施工方法。
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;现场施工中沿隧道纵向采取TRT6000地震波超前地质预报，结合掌子面地质素描和设计图纸，确定前方裂隙节理发育密集带，提前做好工序的转换，减小进尺，加强支护。
4)高度重视围岩变形破坏的累进性发展。在进行围岩稳定性的分析、评价时，必须充分考虑围岩累进性破坏的过程和特点。同时针对控制围岩失稳破坏的关键部位采取有效的措施，防止累进性破坏的发生和发展。
［1］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京:地质出版社，2009.
［2］关宝树.隧道力学概论［M］.成都:西南交通大学出版社，1993.
［3］孙广忠.岩体力学基础.［M］.北京:科学出版社，1983.
