隧道炭質(zhì)板巖段大變形控制及處治技術(shù)

劉傳飛

為了解決隧道施工通過炭質(zhì)板巖地段隧道防坍和變形控制，從炭質(zhì)板巖的特性、變形機(jī)制以及出現(xiàn)變形后的處理方法等方面進(jìn)行探索，獲得以下幾個(gè)結(jié)論：炭質(zhì)板巖屬軟巖范疇，遇水易軟化；有水地段開挖后易出現(xiàn)坍塌，需做好超前支護(hù)和注漿止水；炭質(zhì)板巖隧道收斂持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)變形量較大；發(fā)生變形后，可采用初支仰拱成環(huán)、施做長(zhǎng)鎖腳錨管、徑向錨管注漿、增設(shè)護(hù)拱等措施進(jìn)行處治。

在炭質(zhì)板巖隧道施工中，受高地應(yīng)力的影響，炭質(zhì)板巖段隧道開挖圍巖強(qiáng)度較低，不足以抵抗隧道開挖引起的集中應(yīng)力，造成巖體塑性剪切滑移，出現(xiàn)較大量級(jí)的巖體變形，且會(huì)影響后序初期支護(hù)、二次襯砌施工質(zhì)量，如大變形得不到有效控制，最終將會(huì)造成隧道坍塌，嚴(yán)重影響隧道施工安全，也直接或間接地加大施工成本。本文總結(jié)了炭質(zhì)板巖隧道施工采取短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、及早封閉、二次襯砌及時(shí)施作、加大隧道預(yù)留變形量、徑向錨管注漿、強(qiáng)化鎖腳錨管、臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)、多次初期支護(hù)、加強(qiáng)拱頂沉降及水平收斂監(jiān)測(cè)等措施對(duì)變形地段的作用效果。

一、工程概況

王格爾塘1#隧道為雙洞單向交通隧道，左右線相距30～40m，為分離式隧道，全長(zhǎng)1416m。V級(jí)圍巖設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為SVa復(fù)合襯砌：超前支護(hù)為35根3m長(zhǎng)超前小導(dǎo)管，初期支護(hù)為3.5mR25中空注漿系統(tǒng)錨桿，雙層￠6鋼筋網(wǎng)，26cm噴射混凝土，I20a型鋼拱架，縱向間距75cm，50cm厚C30鋼筋混凝土二襯襯砌，設(shè)計(jì)預(yù)留變形量12cm，本工程圍巖破碎段采用臺(tái)階法施工，硬質(zhì)段輔以爆破。

王格爾塘1#隧道施工掌子面圍巖為板巖夾砂巖，板巖灰黑色，為中厚層-薄層狀構(gòu)造，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化程度一般為強(qiáng)風(fēng)化，板理發(fā)育，板面光滑平整，隧道中線和巖層走向中等角度相交；圍巖陡傾，板巖與砂巖巖層組合呈軟硬相間，圍巖自穩(wěn)能力差，手捏易碎，部分地段有滲水，遇水易軟化并伴隨微膨脹。炭質(zhì)板巖的力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)面傾角大小相關(guān)，結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切塑性破壞和順層理面滑移破壞，且浸水后強(qiáng)度降低可達(dá)50%。圖1為炭質(zhì)板巖圍段隧道開挖后巖體及掌子面實(shí)際情況。（見圖1）。

圖1 炭質(zhì)板巖

二、 施工中出現(xiàn)變形情況

隧道施工期間先后出現(xiàn)大變形，初期支護(hù)變形嚴(yán)重段為出口左洞ZK58+520～ZK59+460段，該段設(shè)計(jì)為V級(jí)圍巖，洞身埋深為37m，該段左側(cè)起拱線位置日變形量達(dá)2cm，拱腳累計(jì)變形量達(dá)30cm，造成初支混凝土開裂、拱架變形侵限。

該段初期支護(hù)在增強(qiáng)鎖腳錨桿的情況下仍然變形嚴(yán)重，鋼拱架扭曲變形，變形速率特別反常，最大的收斂每天達(dá)4cm之多，給控制變形的應(yīng)對(duì)工作帶來很大的難度，造成部分?jǐn)嗝媲窒?、二襯不能緊跟、變形范圍繼續(xù)擴(kuò)大，被迫停止掘進(jìn)。

三、 隧道炭質(zhì)板巖段施工中常出現(xiàn)的問題

（1）隧道掌子面開挖后未噴混凝土前圍巖較好，隨著隧道圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露，掌子面圍巖不斷出現(xiàn)掉塊，如不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)會(huì)出現(xiàn)坍塌。

（2）隧道炭質(zhì)板巖遇水容易軟化，強(qiáng)度降低，特別是在有滲水的段落開挖中，圍巖受時(shí)間損失效應(yīng)影響更大，導(dǎo)致隧道拱部形成較大的松動(dòng)圈，導(dǎo)致隧道塌方。

（3）初期支護(hù)后期變形量大，且收斂持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。經(jīng)過對(duì)隧道長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究分析，發(fā)現(xiàn)隧道在初期支護(hù)完成后，前期變形速率和累計(jì)變形量相對(duì)其他圍巖段更大。隧道多個(gè)里程段持續(xù)出現(xiàn)超過300mm以上的收斂變形，其中最大累計(jì)收斂值達(dá)到400mm。出現(xiàn)大變形的段落往往造成初期支護(hù)體系嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)為初支噴混凝土開裂掉塊、鋼拱架扭曲變形侵入二襯界限等。

四、問題原因與分析

（1）根據(jù)隧道掌子面開挖的巖層顯示，炭質(zhì)板巖節(jié)理非常發(fā)育，巖體破碎。在隧道圍巖收到開挖應(yīng)力后，巖體發(fā)生剪切破壞，應(yīng)力重新分布，并在爆破應(yīng)力的作用下使掌子面外露巖體部分松動(dòng)，巖體自穩(wěn)能力有所下降但變化速率較小。隨時(shí)間推移，伴隨空氣作用及地應(yīng)力作用，巖體向開挖空間移動(dòng)，失穩(wěn)掉塊，在時(shí)間損傷效應(yīng)作用下，巖體應(yīng)力持續(xù)變化，加速失穩(wěn)，最終導(dǎo)致坍塌。

（2）炭質(zhì)板巖為軟質(zhì)巖，本身強(qiáng)度較低，在富水段裂隙水作用下軟化、崩解，巖體強(qiáng)度驟降，巖層位移加大，穩(wěn)定性受到極大影響，致使開挖后的巖面出現(xiàn)破壞坍塌。

（3）炭質(zhì)板巖具有節(jié)理裂隙發(fā)育，抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)。根據(jù)隧道平衡拱理論，巖體在開挖后，節(jié)理被切割，向洞室方向變形加大，圍巖越是破碎，這種變形量就越大；因此，炭質(zhì)板巖隧道頂部圍巖發(fā)生塑性變形，對(duì)初期支護(hù)的荷載會(huì)逐漸加大，并通過拱架等結(jié)構(gòu)傳至拱腳，加之拱腳圍巖同樣強(qiáng)度降低，無法約束拱頂傳輸?shù)呢Q向應(yīng)力，導(dǎo)致初期支護(hù)整體變形嚴(yán)重，最終破壞。

五、隧道炭質(zhì)板巖大變形控制施工要點(diǎn)及技術(shù)措施

1.炭質(zhì)板巖隧道開挖階段施工要點(diǎn)

（1）在隧道開挖前，在拱部范圍采用Φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，并注漿加固，在給拱頂施加徑向抗力的同時(shí)，固結(jié)拱頂破碎圍巖，有效減少洞身開挖后拱部掉塊，控制拱部圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大的趨勢(shì)及范圍。

（2）在爆破開挖時(shí)，應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)爆破設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)確定裝藥量及部眼位置，減少爆破作業(yè)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，增強(qiáng)圍體自穩(wěn)能力。

（3）采用臺(tái)階法開挖時(shí)，應(yīng)采用微臺(tái)階開挖法，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在7m以內(nèi)，不得過長(zhǎng)；上臺(tái)階高度控制在3m以內(nèi)，并在上臺(tái)階預(yù)留核心土，每循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度為1榀拱架間距且不超過1m。同時(shí)，微臺(tái)階法施工，圍巖塑性變形量較小，增加了圍巖穩(wěn)定性。

2.炭質(zhì)板巖隧道初期支護(hù)階段施工要點(diǎn)

（1）在隧道開挖后，應(yīng)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)+型鋼鋼架形式及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，并施作鎖腳錨桿，保證尚未完成塑性變形而破壞的圍巖及時(shí)得到徑向抗力，此項(xiàng)工作應(yīng)在3h內(nèi)完成。

（2）在施工拱部及邊墻初期支護(hù)同時(shí)，必須同時(shí)施作各臺(tái)階拱架鎖腳錨桿，也可將鎖腳錨桿變成Φ42mm×4m鎖腳鋼管，每榀拱架必須施作8根不少于4m的鎖腳錨管，并與各臺(tái)階拱架可靠連接。鎖腳鋼管按下傾角45°施做，鎖腳錨管與鋼拱架連結(jié)采用U形鋼筋焊接。錨管施做完閉后注水泥漿液，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa以內(nèi)，通過注漿使注漿區(qū)巖體不至受水整體軟化。同時(shí)漿液充填圍巖裂隙，將松散體固結(jié)成整體，以此來提高鎖腳錨管的作用（見圖2）。

圖2 鎖腳錨管布置圖

（3）下臺(tái)階每次開挖進(jìn)尺不得超過2榀，且應(yīng)在噴射混凝土強(qiáng)度符合要求后施工，從而避免上臺(tái)階拱架懸空過多下沉變形而發(fā)生“掉拱”事故。同時(shí)將施工上臺(tái)階噴混凝土?xí)r回彈的虛碴鑿除，牢固連接上下鋼筋網(wǎng)片，保證上、下臺(tái)階處拱架的可靠連接。

3.炭質(zhì)板巖隧道施工技術(shù)措施

（1）在炭質(zhì)板巖地層進(jìn)行隧道施工不但應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)、及時(shí)封閉、二次襯砌及時(shí)施作，施工中還應(yīng)注意如下要點(diǎn)：

由于炭質(zhì)板巖時(shí)間損傷效應(yīng)作用下，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形量大的特點(diǎn)，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作、一次到位，在變形量特別巨大的區(qū)段應(yīng)二次施工初期支護(hù)，第一次初期支護(hù)應(yīng)在開挖后及時(shí)進(jìn)行，采用錨網(wǎng)噴+型鋼鋼架的形式支護(hù)，噴射混凝土厚度控制在20cm左右，基本控制圍巖大部分變形；第二次施工應(yīng)在大部分塑性變形應(yīng)力釋放及仰拱施工完畢后，巖體變形基本趨于穩(wěn)定時(shí)，補(bǔ)打系統(tǒng)錨桿，鋼筋網(wǎng)掛設(shè)及混凝土復(fù)噴，噴射混凝土厚度10cm，防止圍巖及初期支護(hù)變形過大侵限。

（2）仰拱應(yīng)及時(shí)施作，盡快將整個(gè)斷面閉合成環(huán)，增強(qiáng)初期支護(hù)徑向抗力，在部分變形量特別巨大的區(qū)段，應(yīng)在上臺(tái)階底部增設(shè)臨時(shí)仰拱鋼架與拱架封閉成環(huán)，增加初期支護(hù)前期承載力。

（3）隧道富水地段，應(yīng)對(duì)掌子面前方巖體進(jìn)行超前注漿止水。用漿液擠出巖體裂隙一定范圍內(nèi)的水，固結(jié)破碎圍巖，形成止水環(huán)，改變巖體裂隙水流向，確保掌子面前方3m范圍內(nèi)巖體無明顯滲水，以防止拱頂大面積坍塌。

（4）加強(qiáng)炭質(zhì)板巖段初期支護(hù)拱頂沉降及水平收斂的監(jiān)測(cè)。加強(qiáng)炭質(zhì)板巖段初期支護(hù)拱頂沉降及水平收斂的初期位移量及速率的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，掌握圍巖巖體變化規(guī)律，結(jié)合二次襯砌施工的時(shí)間及空間，綜合確定隧道施工中炭質(zhì)板巖區(qū)段的預(yù)留變形量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，炭質(zhì)板巖段隧道變形量建議控制在20～50cm以內(nèi)，在開挖時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)出的預(yù)留變形量動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖輪廓尺寸，保證變形后不侵入二次襯砌空間。

4.炭質(zhì)板巖段隧道變形加固措施

（1）炭質(zhì)板巖段通監(jiān)測(cè)，洞身拱頂沉降及水平收斂變形發(fā)展較快的區(qū)段，應(yīng)及時(shí)安裝臨時(shí)鋼支撐仰拱，形成初期支護(hù)臨時(shí)封閉環(huán)，抵抗變形應(yīng)力。方法為提前做好拱腳施工排水，人工交錯(cuò)挖出墻腳及仰拱溝槽，所施作得臨時(shí)仰拱必須與初支拱架牢固連接。不得采用挖機(jī)全幅開挖仰拱，易造成拱腳懸空，本在圍巖變形較大區(qū)段，非常容易出現(xiàn)隧道坍塌。還應(yīng)沿洞身縱軸線方向在臨時(shí)仰拱上加焊縱向連接，使底部支撐形成網(wǎng)格增加抵抗力，縱向鏈接可采用I16工字鋼，按兩側(cè)各一根布置。

（2）在洞身收斂變形巨大的區(qū)段，初期支護(hù)出現(xiàn)開裂并超出位移極限時(shí)，還應(yīng)安裝臨時(shí)水平橫撐進(jìn)行加固。臨時(shí)橫撐應(yīng)加固在邊墻，并沿洞身兩側(cè)分別并排安裝2根I16工字鋼，并將鋼管兩端支撐在工字鋼上，橫向鋼管縱向布管間距不得超過2m。

（3）在變形量巨大的炭質(zhì)板巖段施工，應(yīng)在初期支護(hù)表面布置徑向注漿錨管，間距1.5m×1.5m，加固初期支護(hù)背后破碎巖體。徑向注漿錨管采用壁厚4mm的無縫鋼管，無縫鋼管規(guī)格為Φ42mm×4.5m，注漿錨管尾端采用Φ6鋼筋焊加強(qiáng)箍一圈，防止施工時(shí)導(dǎo)管尾端變形而影響下序施工，注漿錨管前端制成封閉矢狀，方便插入導(dǎo)管孔。注漿前應(yīng)對(duì)原有噴射混凝土基面裂縫進(jìn)行噴混凝土封閉處理。注漿材料為水灰比1：1的水泥漿，施工時(shí)根據(jù)實(shí)際地層情況、凝結(jié)時(shí)間要求及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整配合比。注漿壓力不應(yīng)大于0.5MPa，防止巖面被壓裂；當(dāng)孔口壓力達(dá)到0.5MPa時(shí)結(jié)束注漿，不以注漿量為準(zhǔn)。

（4）護(hù)拱加固：當(dāng)采取上述所有措施后，洞身變形速率及變形量仍未得到有效控制時(shí)，并在再次支護(hù)也不會(huì)侵入二襯界限的條件下，在初期支護(hù)表面上，增設(shè)1層型鋼拱架，進(jìn)行第三次支護(hù)，強(qiáng)化支護(hù)強(qiáng)度。鋼拱架可采用I20工字鋼，按50cm間距布置，施作鋼拱架前，應(yīng)對(duì)原初期支護(hù)表面進(jìn)行處理，使拱架與其緊貼，并施作鎖腳錨桿固定，掛設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)片，噴混凝土至鋼架表面。以上所有加固措施均可根據(jù)實(shí)際變形情況和加固效果而進(jìn)行一項(xiàng)或多項(xiàng)，直至達(dá)到預(yù)定效果。

六、施工效果

王格爾塘1#隧道炭質(zhì)板巖段施工按照上述變形控制施工要點(diǎn)實(shí)施后，施工全程均順利推進(jìn)，無安全事故，達(dá)到了零事故的施工目標(biāo)，綜合施工進(jìn)度也有明顯提高，隧道炭質(zhì)板巖段變形得到有效控制。大變形段通過采取臨時(shí)支撐、臨時(shí)仰拱型鋼封閉、三次初期支護(hù)、加強(qiáng)鎖腳錨桿與徑向錨管注漿措施，變形量及變形速率均得到有效控制。

七、結(jié)語與建議

本文結(jié)合王格爾塘1#隧道炭質(zhì)板巖地質(zhì)段的施工，對(duì)炭質(zhì)板巖巖體的特性進(jìn)行了揭露，對(duì)炭質(zhì)板巖地層隧道大變形控制施工要點(diǎn)和大變形處理措施進(jìn)行了總結(jié)。炭質(zhì)板巖段隧道施工應(yīng)采取短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、及早封閉、二次襯砌及時(shí)施作、加大隧道預(yù)留變形量、徑向錨管注漿、強(qiáng)化鎖腳錨管、臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)、多次初期支護(hù)等多項(xiàng)措施，對(duì)大變形進(jìn)行有效控制。保證安全即是保證有效施工進(jìn)度，即是保證工期的關(guān)鍵。施工過程中應(yīng)提前了解炭質(zhì)板巖的特性、遇水遇空氣巖體變形演化機(jī)理及巖體大變形發(fā)生的原因，及時(shí)采取工程實(shí)踐中總結(jié)出的變形控制要點(diǎn)及措施，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理和施工技術(shù)、質(zhì)量的控制，確保炭質(zhì)板巖圍巖隧道施工中的大變形得到有效控制。