千枚巖隧道變形與應(yīng)對(duì)控制關(guān)鍵技術(shù)探討

張紅平

（新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830001）

石川子隧道包含一條非活動(dòng)性斷層巖層以及一些破碎巖石結(jié)構(gòu)的次級(jí)小斷層，并且部分路段存在滲水的現(xiàn)象，這導(dǎo)致開挖隧道后可能存在大量變形的情況，采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式幾乎沒辦法解決問題，根據(jù)石川子隧道的情況，可以采取雙層初期支護(hù)的方式來(lái)解決問題，雖然雙層支護(hù)方案的理論研究尚不完善，但已經(jīng)有很多實(shí)際案例可供參考。

以下是部分學(xué)者對(duì)千枚巖特性的研究成果：殷曉等[1]主要研究千枚巖的礦物成分、命名以及各成分的具體含量；趙建軍等[2]主要對(duì)千枚巖的水理特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，得到千枚巖各成分吸水率的大小關(guān)系分別為絹云母最大，綠泥石次之，后面依次為石英石、碳質(zhì)，此外千枚巖在遇水時(shí)很可能會(huì)完全崩解；吳永勝等[3]進(jìn)行了單軸和三軸的千枚巖試驗(yàn)，其結(jié)論為千枚巖具有各向異性的特點(diǎn)；王悅月等[4]對(duì)千枚巖的力學(xué)特性和其含最大水量的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行了研究。

千枚巖隧道的變形始終是修建隧道的一大難點(diǎn)問題，因此參與研究的學(xué)者眾多，如今已經(jīng)有大量的研究案例以及有一些應(yīng)對(duì)措施。其中研究者研究的重點(diǎn)對(duì)象主要是圍巖、地表的變形特征，只有先了解圍巖的變形機(jī)理后，才能夠得到準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)受力支護(hù)點(diǎn)，從而采取有效的保護(hù)措施。部分學(xué)者對(duì)千枚巖隧道的研究情況如下：許再良等[5]研究后得知隧道變形需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件，即高地應(yīng)力和圍巖軟弱式；王道遠(yuǎn)等[6]利用現(xiàn)代技術(shù)即數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)軟弱圍巖隧道施工時(shí)發(fā)生變形的各類情況進(jìn)行研究。

目前，國(guó)內(nèi)外雖然已經(jīng)有許多研究者對(duì)千枚巖等有關(guān)特性及部分隧道的變形處理方式進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)千枚巖隧道整個(gè)大工程的研究仍然存在不足。一方面，研究的數(shù)量較少，另一方面，研究的隧道變形問題的種類不足，僅局限于隧道二襯開裂和變形不收斂的分析，并沒提出一些關(guān)于修建千枚巖隧道解決變形問題的科學(xué)技術(shù)。因此，文章通過(guò)結(jié)合石川子隧道的實(shí)際情況進(jìn)行分析，對(duì)一些技術(shù)進(jìn)行探討研究，旨在為后續(xù)的千枚巖隧道的修建提供部分參考。

1 石川子隧道情況分析

石川子隧道屬于左右分離式，起點(diǎn)位于大壩鄉(xiāng)，止點(diǎn)位于樂安寺鄉(xiāng)后壩村，左線全長(zhǎng)4869m，右線全長(zhǎng)4860m，合計(jì)9729m，路面是瀝青類型，隧道洞身段斜坡自然坡度一般在30～45°，隧道最大埋深為523m，設(shè)計(jì)速度為80km/h。石川子隧道管理區(qū)需要綜合解決的路段為L(zhǎng)K0+000～LK0+392.756、HK0+000～HK0+608.017，共長(zhǎng)0.928km，其隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，具體分析如下。

1.1 工程條件分析

根據(jù)工程資料顯示，其山體的復(fù)雜地形有陡崖、曲折的嶺脊、深溝、險(xiǎn)峻的山嶺，由于片理、劈理較發(fā)育，軟硬巖性相間交替，山坡地段常有崩積坡層分布，其厚度不均，隧道巖石主要由絹云千枚巖、砂質(zhì)千枚巖構(gòu)成，少量斷層角礫巖，整體上隧道的巖石屬軟巖，局部受斷層影響的巖石為極軟巖。同時(shí)又因?yàn)樗淼赖纳疃容^深，所承受的重量較高，在挖隧道后，巖石的狀態(tài)會(huì)從高圍壓變?yōu)楦邞?yīng)力差的狀態(tài)，并隨著隧道的挖掘，隧道很可能出現(xiàn)巖石剪切滑移。

同時(shí)隧道所在區(qū)域的地震動(dòng)峰值的加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4s，地震設(shè)防烈度屬于Ⅷ度，因此隧道的區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造次穩(wěn)定區(qū)。此外，隧道還穿越了長(zhǎng)度為4km的非活動(dòng)性斷層，該斷層屬于晚更新世活動(dòng)性斷裂帶，潛在地震能力為7.0級(jí)，隧道于K32+990～K33+020段穿越次級(jí)小斷層，斷層帶內(nèi)巖體完整性差，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，圍巖自穩(wěn)能力較差，地下水呈淋雨?duì)睿⒂型凰?、突泥的可能性，為V級(jí)圍巖。這些的情況均導(dǎo)致隧道面臨變形甚至坍塌的危險(xiǎn)。

綜上所述，石川子隧道的變形主要原因如下：（1）隧道圍巖主要由絹云、砂質(zhì)千枚巖軟巖組成，局部存在極軟巖，同時(shí)較大的深埋度導(dǎo)致自重應(yīng)力大；（2）隧道穿越斷裂層，隧道的整體性受到破壞，出現(xiàn)滑動(dòng)位移的變形的可能性較大；（3）隧道有地下水，可能出現(xiàn)突水、突泥現(xiàn)象，千枚巖因此變得更加劣化，隧道變形的概率增大。

1.2 圍巖水理性質(zhì)分析

石川子隧道的千枚巖主要成分是絹云和砂質(zhì)，這類千枚巖會(huì)在隧道開挖后很容易吸收水分，包括空氣中的水蒸氣，進(jìn)而造成巖體表層松動(dòng)，甚至?xí)霈F(xiàn)坍塌的危險(xiǎn)情況。且據(jù)資料顯示，隧道部分路段存在淋雨?duì)畹牡叵滤?，出現(xiàn)滲水情況后，將會(huì)導(dǎo)致隧道的圍巖強(qiáng)度急劇下降，進(jìn)而使隧道坍塌。

眾所周知，千枚巖遇到水之后，其特性將會(huì)出現(xiàn)較大的變化，外觀上會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，具體影響如下：（1）千枚巖遇水后，結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，逐漸變得松散，使得圍巖強(qiáng)度不斷下降，若沒有進(jìn)行前期的支護(hù)措施，則會(huì)對(duì)隧道的挖掘產(chǎn)生很大的阻礙；即使初期進(jìn)行了支護(hù)，但是由于支護(hù)的剛度不夠，還是可能隨著圍巖的壓力增大而變形，最后可能會(huì)出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象；（2）隧道的挖掘，其圍巖內(nèi)部本身的應(yīng)力逐漸被釋放掉，其強(qiáng)度因之降低，遇水之后無(wú)阻力進(jìn)行膨脹，容易發(fā)生巨大的塑性變形；（3）隧道拱面和墻體側(cè)壁會(huì)出現(xiàn)崩裂的現(xiàn)象，主要因?yàn)榍稁r是多層結(jié)構(gòu)，在外部沒有應(yīng)力并由于吸收水分后膨脹張弛，進(jìn)而發(fā)生變形或者圍巖脫落的現(xiàn)象。

2 隧道變形情況分析

根據(jù)很多研究者的資料可以得到，大多數(shù)條件下，隧道的初期支護(hù)變形包括3個(gè)時(shí)間階段：（1）在臺(tái)階上開挖支護(hù)的7d內(nèi)，一般在這個(gè)時(shí)間階段，支護(hù)變形速率大于20mm/d，某些斷面每天的支護(hù)變形量會(huì)超過(guò)30mm；（2）支護(hù)的第7～20d，這階段的支護(hù)變形速率為10～20mm/d；（3）支護(hù)的第20～40d，該階段的支護(hù)變形速率一般會(huì)低于10mm/d，在40d以后，這階段的支護(hù)變形速率基本能達(dá)到3～4mm/d。然而石川子隧道的某些路段情況比較嚴(yán)重，其支護(hù)的變形速率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般情況，并且會(huì)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的較高變形速率，因此，這時(shí)就不能采用簡(jiǎn)單的支護(hù)形式。

針對(duì)石川子隧道的實(shí)際部分路段情況，其可能會(huì)出現(xiàn)一些不常見的支護(hù)變形破壞情況：隧道圍巖可能出現(xiàn)裂縫，是因?yàn)橹ёo(hù)沉降收斂不均勻而產(chǎn)生的一些環(huán)形崩裂；對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較大的支護(hù)變形會(huì)使隧道拱架無(wú)法承受其壓力，只能通過(guò)換拱的方式來(lái)解決這類問題；在支護(hù)已經(jīng)成環(huán)封閉之后，初期的支護(hù)若變形，則局部的部位會(huì)因受力集中而被破壞，具體表現(xiàn)為上下臺(tái)階接頭處豎直方向裂開突起或者下臺(tái)階的中部工字鋼發(fā)生扭曲變形。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 加固支護(hù)

針對(duì)易變形區(qū)域可采取在拱架處增加鎖腳錨管進(jìn)行加固的方式，此后若仍存在效果不明顯則可臨時(shí)加設(shè)工字鋼進(jìn)行橫支撐或者采用徑向注漿的方式，以上方式主要是針對(duì)變形量較小的地段。但針對(duì)變形量較大的地段（如K32+990～K33+020段），建議對(duì)圍巖加固和隧道進(jìn)行雙層支護(hù)，可以采取的方式有：（1）在變形路段不是很長(zhǎng)的情況下采用改變各類鋼筋等的規(guī)格來(lái)增強(qiáng)支護(hù)的剛度；（2）進(jìn)行雙層初期支護(hù)和雙層襯砌等；（3）利用讓壓錨桿、大變形恒阻錨桿等特殊支護(hù)來(lái)輔助隧道變形處理。利用這三種方式能夠在保證隧道安全的基礎(chǔ)上，合理控制成本。雙層初期支護(hù)第一層只需采用型鋼拱架即可，第二層需采用格柵拱架，并且這兩層的支護(hù)需要通過(guò)噴混的填充方式進(jìn)行連接。

3.2 隧道洞口技術(shù)

根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，隧道洞口在整個(gè)隧道的修建中起著較大的作用，隧道洞口施工過(guò)程中稍不注意就很可能引起山體滑坡或山體變形。因此，洞口的挖掘技術(shù)很有探討價(jià)值，若不重視洞口的挖掘技術(shù)則可能導(dǎo)致初期的變形較大，還可能使地層的破壞延續(xù)到地表變形，引起滑坡等災(zāi)害。

如果隧道洞口的山體屬于緩坡地形，則可以增加明洞的長(zhǎng)度，且要保證明暗交接和洞頂上的覆蓋層厚度在6～8m；如果隧道洞口的山體坡形為陡坡地形，則需要在洞口明暗交接的地方設(shè)置抗滑擋墻或者抗滑樁。

3.3 沉降量的預(yù)期及測(cè)量

對(duì)千枚巖隧道的支護(hù)變形有一定了解后，利用其變形速率等估計(jì)其支護(hù)變形量，并提前做好提前預(yù)留空間的準(zhǔn)備，根據(jù)近些年的千枚巖隧道實(shí)際案例來(lái)看，一般前期預(yù)留30～40cm的空間即可，后續(xù)根據(jù)隧道的實(shí)際測(cè)量情況進(jìn)行修改，可以參考一些千枚巖隧道圍巖的變化量進(jìn)行選擇預(yù)留量，如Ⅴ級(jí)圍巖的累計(jì)變形量平均為25～40cm，Ⅳ級(jí)圍巖累計(jì)平均變形量為10～20cm。因此，對(duì)于石川子隧道的復(fù)雜情況，其變形階段會(huì)較長(zhǎng)，采用雙層初期支護(hù)的方式是合理可實(shí)施的。

4 結(jié)論

綜上所述，目前千枚巖隧道的修建依舊存在很多問題，通過(guò)大量的研究能夠解決大部分的問題。但我國(guó)的地形具有千變?nèi)f化的特點(diǎn)，在實(shí)際的隧道修建中很可能會(huì)遇到一些從未見過(guò)的問題，不能夠完全按照前人的解決方案。但前人的案例以及解決方法可以進(jìn)行一定的參考，特別是對(duì)千枚巖隧道的修建必須遵守已有的建議與原則，遵守“早封閉，強(qiáng)支護(hù)”的原則，在遇到石川子這類會(huì)出現(xiàn)大變形的情況時(shí)可以借鑒雙層支護(hù)的措施，但也不能照搬，需要結(jié)合實(shí)際情況采取具有針對(duì)性的措施。