隧道穿越千枚巖斷層帶大變形成因及處治技術(shù)研究

王恩波，昝文博，黎 豪

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 土木工程學院，陜西 咸陽 712000)

截至“十三五”末，我國基本建成了較完善的高速公路網(wǎng)絡，但東、西部地區(qū)之間的路網(wǎng)密度差異較大，特別是地質(zhì)條件復雜的西部山區(qū)高等級公路仍然較少。隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”倡議的深入推進，因而越來越多的交通線路向西部山區(qū)延伸，諸如千枚巖的大量軟巖隧道頻繁涌現(xiàn)，隧道變形持續(xù)時間長、累計變形量遠遠超過預留變形量是施工中普遍存在的問題[1-3]。縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，許多學者分別針對隧道穿越千枚巖地層和斷層破碎帶區(qū)段的變形機理及控制技術(shù)進行了研究[4-6]，但有關(guān)千枚巖與斷層破碎帶不良地質(zhì)雙重影響下的隧道變形特征及成因分析還比較少見，有關(guān)此種特殊地質(zhì)區(qū)段的圍巖大變形處治技術(shù)還很不成熟。鑒于此，以安嵐高速公路隧道穿越千枚巖地層多處斷層破碎帶為背景，針對圍巖整體強度極差、裂隙非常發(fā)育、自穩(wěn)性極差，在隧道開挖和支護過程中頻繁出現(xiàn)坍塌冒頂、初期支護侵入二次襯砌空間等施工技術(shù)難題，開展系統(tǒng)性的研究工作，深入分析隧道穿越千枚巖斷層帶大變形破壞特征及成因，并提出合理的綜合治理技術(shù)體系，對于復雜地質(zhì)條件下隧道施工大變形災害的預防和治理具有深遠的指導意義和參考價值。

1 工程背景

陜西省安康至嵐皋高速公路是國家高速公路網(wǎng)G69銀百線的重要組成路段，全長91.34 km。自2016年開工建設以來，隧道群穿越斷層區(qū)段頻繁出現(xiàn)初支變形侵限、支護體系失效破壞以及掌子面突涌水等嚴重問題，其中以多處穿越千枚巖斷層帶的蹺溪河隧道災害問題最為突出，嚴重影響本項目的工期與工程質(zhì)量。蹺溪河隧道圍巖以炭質(zhì)千枚巖、絹云母千枚巖為主，斷層極其發(fā)育，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體極為破碎，圍巖級別基本為V級。隧道建設過程中受千枚巖巖體特性、施工工法、支護參數(shù)等因素的影響，產(chǎn)生了不同程度的大變形問題，并多次發(fā)生因變形量過大而導致初支侵限、鋼拱架扭曲甚至支護體系坍塌破壞等災害現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 蹺溪河隧道施工現(xiàn)場典型災害事故

2 千枚巖斷層帶隧道大變形特征及成因分析

2.1 千枚巖斷層帶隧道大變形特征

拱頂下沉和水平收斂是綜合反映圍巖穩(wěn)定性最簡便、最經(jīng)濟且穩(wěn)定可靠的指標，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)可以指導現(xiàn)場施工、變更和優(yōu)化支護設計，同時能夠及時預報險情以保證施工安全。現(xiàn)場選取千枚巖斷層帶典型斷面量測數(shù)據(jù)進行分析，并繪制拱頂下沉、水平收斂及其速率隨時間的變化曲線如圖2所示?？梢钥闯鏊淼来┰角稁r斷層破碎帶時的大變形特征主要表現(xiàn)為。

圖2 千枚巖斷層帶隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)隧道圍巖變形持續(xù)時間長達6個月，拱頂下沉和水平收斂累計變形分別達到700 mm和600 mm以上，遠遠超過150 mm的設計預留變形量，侵占了二次襯砌空間。

(2)圍巖變形速率總體較大，尤其是開挖后1個月內(nèi)平均變形速率大于10 mm/d，最大變形速率超過20 mm/d；為及時控制變形速率，施工單位及時施作仰拱，仰拱施作后變形速率有所減小，但噴射混凝土多處開裂、剝落破壞，邊墻、拱腰處出現(xiàn)縱向裂縫、錯臺。

(3)隧道多處初期支護鋼拱架扭曲變形嚴重，大部分發(fā)生傾斜錯動，邊墻位置幾處鋼架連接處發(fā)生較大彎曲變形，法蘭連接部位損壞。

2.2 千枚巖斷層帶隧道大變形成因分析

綜合以上現(xiàn)場地質(zhì)勘察及監(jiān)測結(jié)果表明：隧道穿越千枚巖斷層段初期支護的變形量和變形速率極高，遠遠超過了普通Ⅴ級圍巖的變形速率和預留變形量，初期支護嚴重侵入了二次襯砌空間。其原因可歸結(jié)為以下幾點。

(1)千枚巖自身性質(zhì)及初始應力場對隧道變形的影響。隧道穿越力學強度低的千枚巖地層，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，加之斷層構(gòu)造作用，該段圍巖單軸抗壓強度明顯低于隧道周邊其他巖體的抗壓強度。

(2)地下水的影響。地下水的賦存和運移將導致巖體孔隙率變大、強度降低，洞室開挖后圍巖自穩(wěn)能力降低；同時千枚巖特有的“遇水成泥”特性進一步加劇了地下水對圍巖力學性質(zhì)的劣化作用；斷層破碎段圍巖含水量較大，開挖后均出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象。

(3)初期支護的影響。由于千枚巖斷層帶圍巖松動圈較大，隧道設計錨桿長度只有4 m，未能打入穩(wěn)定巖體中，不能起到錨固控制圍巖變形的作用；另外，初期支護中鋼拱架支撐剛度偏小，不能抵抗巨大圍巖荷載，導致圍巖產(chǎn)生較大的變形。

(4)新奧法通常要求圍巖變形趨于穩(wěn)定后再施作二次襯砌，但基于上述不利因素的影響變形始終無法趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)也說明了這一點。針對這種情況，應該及時施作較強的二次襯砌來抑制隧道變形；但施工中一直等變形趨于穩(wěn)定而錯過了施作二次襯砌的有利時機，造成圍巖變形增大。

綜合以上分析表明，千枚巖特性、斷層構(gòu)造作用、地下水、初始地應力場是該段隧道大變形的內(nèi)在因素，初期支護剛度不足、二襯施作不及時以及施工工法不完全適應圍巖特性則是加劇隧道大變形的外部因素。

3 千枚巖斷層帶隧道大變形處治方案

3.1 主動加固圍巖，提高監(jiān)測頻率

在分析隧道大變形成因的基礎上，提出千枚巖斷層帶隧道大變形處理的基本思路為：(1)立即停止掘進、封閉掌子面；(2)加固已變形圍巖防止變形進一步擴大，以保證施工安全；(3)提高監(jiān)控量測頻率，待變形基本趨于穩(wěn)定后及時更換拱圈初期支護，并緊跟施作仰拱及二襯。

(1)增加錨桿長度。由于千枚巖斷層帶隧道開挖后松動圈較大，實際施工中可適當加長錨桿，加固塑性區(qū)圍巖控制變形。Φ28自進式注漿錨桿長6.0 m，錨桿拉拔力≥200 kN；Φ22水泥藥卷錨桿用HRB335鋼筋，設計抗拉力不低于100 kN；注漿需密實、飽滿，同時錨桿采用專門配套的錨墊板和螺母，墊板與混凝土應緊密接觸。

(2)優(yōu)化施工工序。①針對初支縱向裂縫位置及時施作臨時支撐；對于拱頂開裂較大、噴射混凝土表面剝落、掉塊的段落，設置臨時豎向支撐，確保錨桿施工期間的結(jié)構(gòu)安全和施工安全。②施作Φ22早強水泥藥卷錨桿及Φ28自進式注漿錨桿。③在邊墻縱向裂縫處施做4排Φ42×4 mm注漿小導管并保證注漿效果。上述工序完成后，進行拱頂沉降、水平收斂變形監(jiān)控量測，并及時反饋相關(guān)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場施工情況見圖3。

圖3 自進式中空注漿加長錨桿加固圍巖

3.2 拆換拱架，提高支護強度

根據(jù)加固完成后的變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)結(jié)果，提出拆換拱的支護方案。換拱時增加了鋼拱架的剛度，選用了I22b鋼拱架替換原來I20a拱架，并將拱架間距由75 cm調(diào)整為50 cm，增加初期支護的強度，并噴射C25早強混凝土28 cm；二次襯砌采用50 cm厚C30模筑鋼筋混凝土；仰拱初期支護也設置I22b鋼拱架，間距50 cm并與墻部拱架用螺栓連接成整體，并噴射C25早強混凝土28 cm；仰拱二次襯砌采用50 cm厚C30模筑鋼筋混凝土，加強了仰拱支護。針對上述軟弱千枚巖及其斷層破碎帶隧道在加固圍巖、拆換拱架后變形仍然較大的情況，可通過架設雙層拱架來提高初期支護的支護抗力，減少變形量，預防侵限。

4 結(jié) 論

(1)千枚巖斷層破碎帶隧道圍巖變形具有變形持續(xù)時間長、累計變形量值大、變形速率高等特點，隧道施工中大變形、初支開裂、拱架扭曲、變形侵限等災害頻發(fā)，應引起隧道施工技術(shù)人員高度重視。

(2)千枚巖巖體自身特性、斷層構(gòu)造劇烈作用、地下水、初始地應力場等是千枚巖斷層帶隧道大變形的內(nèi)在因素，初期支護剛度不足、二襯施作不及時以及施工工法不完全適應圍巖特性則是加劇隧道大變形的外部因素。

(3)由于千枚巖斷層帶圍巖物理力學性質(zhì)軟弱、隧道災害成因復雜、防治技術(shù)難度較大，應采用動態(tài)設計，加強現(xiàn)場監(jiān)測并及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整設計方案，處治方案以“主動加固圍巖+提高支護體系強度”的綜合處治技術(shù)。