某公路隧道項(xiàng)目炭質(zhì)板巖段大變形控制技術(shù)分析

李凱

摘要 隨著交通工程技術(shù)的發(fā)展，我國的公路隧道建設(shè)取得顯著成就。但由于隧道施工環(huán)境條件較差、地質(zhì)狀況復(fù)雜，施工中存在的不可控因素較多，極易產(chǎn)生隧道坍塌和變形，嚴(yán)重威脅施工安全。基于此，文章結(jié)合某公路隧道工程實(shí)例，對公路隧道項(xiàng)目炭質(zhì)板巖段大變形控制展開研究，分析了隧道炭質(zhì)板巖段施工中的常見問題及具體成因，總結(jié)了大變形控制施工技術(shù)要點(diǎn)，并提出了炭質(zhì)板巖段隧道變形加固的具體措施，實(shí)現(xiàn)了隧道施工炭質(zhì)板巖段大變形的有效控制，保證了隧道工程建設(shè)的順利完成，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

關(guān)鍵詞 公路隧道項(xiàng)目；炭質(zhì)板巖段；施工控制技術(shù)；大變形控制

中圖分類號 U451.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0119-03

0 引言

我國目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度很快，為了加快運(yùn)輸效率，很多復(fù)雜地形區(qū)紛紛開展隧道工程建設(shè)，極大地提升了運(yùn)輸能力。在整個(gè)運(yùn)輸體系中，隧道的重要性越來越突出，工程建設(shè)的數(shù)量不斷增多，實(shí)際施工中存在許多安全隱患，對工程的正常進(jìn)行和實(shí)施造成了很大影響。隧道工程施工周期比較漫長、施工進(jìn)度較為緊迫、涉及內(nèi)容十分廣泛，導(dǎo)致隧道工程安全狀況堪憂。盡管部分項(xiàng)目企業(yè)認(rèn)識到安全管理的重要性，制定了相關(guān)的安全管理體系，但是存在內(nèi)容不完善、管理模式老套、缺乏創(chuàng)新管理模式、管理流程僵化等問題，導(dǎo)致隧道工程安全管理效果并不理想。針對這一情況，應(yīng)當(dāng)積極制定安全標(biāo)準(zhǔn)化管理體系，結(jié)合施工現(xiàn)場的具體情況，把安全管理工作落實(shí)到各個(gè)環(huán)節(jié)，以保證施工的安全、可靠。

隧道工程施工地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣，施工中存在的不可控因素較多，極易產(chǎn)生坍塌和變形風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅施工安全。尤其對于炭質(zhì)板巖段隧道施工，因高地應(yīng)力作用，隧道開挖圍巖承載力較低，穩(wěn)定性較差，極易導(dǎo)致圍巖剪切破壞，產(chǎn)生大規(guī)模巖體變形，給初支和二襯施工帶來較大困難，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量，若不及時(shí)采取科學(xué)措施控制大變形發(fā)展，勢必會引發(fā)隧道坍塌等重大質(zhì)量事故，嚴(yán)重威脅施工安全，增大建設(shè)成本。為此，該文針對公路隧道項(xiàng)目炭質(zhì)板巖段大變形控制技術(shù)進(jìn)行分析，提出了科學(xué)有效的大變形控制措施，取得了顯著成效。

1 工程概況

某1#隧道采用雙洞單線交通設(shè)計(jì)，兩幅距離為30～40 m，為分離式布置，總里程1 416 m。Ⅴ級圍巖復(fù)合襯砌技術(shù)參數(shù)如下：超前支護(hù)采用長度為3 m的超前小導(dǎo)管35根，初期支護(hù)采用長度3.5 m的R25中空注漿系統(tǒng)錨桿，雙層￠6鋼筋網(wǎng)，26 cm厚噴射混凝土，120a型鋼拱架，縱向間距75 cm，50 cm厚C30鋼筋混凝土二襯，設(shè)計(jì)預(yù)留形變量為12 cm。隧道開挖施工時(shí)，巖層破碎部位利用臺階法施工，堅(jiān)硬巖層部位采用爆破法施工。

該1#隧道掌子面巖層為板巖夾砂巖，呈灰黑色，為中厚層一薄層構(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，表面較為平滑，隧道中線與巖層分布方向呈中等角相交；巖體陡峭，質(zhì)地軟硬交錯(cuò)，穩(wěn)定性較差，局部位置存在滲水現(xiàn)象，造成巖層軟化并出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。炭質(zhì)板巖力學(xué)性能與巖層結(jié)構(gòu)面傾角密切相關(guān)[1]，當(dāng)結(jié)構(gòu)面受到荷載作用后，極易產(chǎn)生剪切破壞和整體滑移現(xiàn)象，且遇水后強(qiáng)度顯著下降，降幅超過50%。

2 施工中出現(xiàn)變形情況

隧道掘進(jìn)過程中，圍巖產(chǎn)生大變形，且始終處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，初支變形最大處位于出口左洞ZK58+520～ZK59

+460段，其圍巖等級Ⅴ級，埋深37 m。該路段左側(cè)起拱線部位日變形量達(dá)2 cm，拱腳處累計(jì)變形量超過30 cm，導(dǎo)致初支混凝土破壞，拱架變形侵限。

采用增加鎖腳錨桿的方式對初支實(shí)施加固，但效果不理想，圍巖變形仍舊處于持續(xù)狀態(tài)，鋼拱架變形嚴(yán)重，且變形速率較快，單日形變量超過4 cm，顯著增大變形控制難度，導(dǎo)致局部位置初支變形侵限，二襯施工困難，變形持續(xù)增加，不得已中斷施工。

3 隧道炭質(zhì)板巖段施工階段常見問題

（1）隧道開挖后未噴射混凝土前，圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、完整，但隨著暴露時(shí)間的延長，巖體逐漸出現(xiàn)脫落，若不及時(shí)采取支護(hù)措施，勢必造成巖體垮塌[1]。

（2）隧道炭質(zhì)板巖遇水易軟化，承載性能顯著下降，尤其對于滲水部位施工時(shí)，巖體變形更大，造成拱部巖層大規(guī)模松動，進(jìn)而引發(fā)隧道坍塌[2]。

（3）初支后期變形嚴(yán)重，發(fā)展速度快。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隧道初支完成后，其變形速度及變形量持續(xù)增大。部分路段產(chǎn)生了大于30 cm的大變形，最大累計(jì)變形超過40 cm。產(chǎn)生大變形的區(qū)域初支破壞嚴(yán)重，其具體表現(xiàn)形式為初支混凝土脫落、拱架變形超限等[3]。

4 問題的原因分析

（1）結(jié)合隧道掘進(jìn)過程中巖層特征分析，炭質(zhì)板巖發(fā)育強(qiáng)烈，穩(wěn)定性較差。隧道開挖時(shí)，圍巖在應(yīng)力作用下，巖體出現(xiàn)剪切破壞，從而使巖體內(nèi)部原有應(yīng)力分布被打亂，呈現(xiàn)新的分布方式，受爆破作用影響導(dǎo)致開挖面暴露巖體松動，穩(wěn)定性降低，發(fā)展速度較慢。隨著時(shí)間的逐步推移，受空氣及應(yīng)力共同作用，開挖部位巖體出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，在時(shí)間損傷效應(yīng)影響下，內(nèi)部應(yīng)力逐漸增大，導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性急劇下降，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

（2）炭質(zhì)板巖屬典型的軟質(zhì)巖石，強(qiáng)度較低，遇水易軟化和裂解，強(qiáng)度迅速下降，變形增大，穩(wěn)定性顯著降低，導(dǎo)致開挖部分巖體產(chǎn)生坍塌。

（3）炭質(zhì)板巖呈節(jié)理裂隙發(fā)育，抗剪強(qiáng)度較低。按照隧道平衡拱原理，圍巖開挖后，導(dǎo)致節(jié)理破壞，向洞內(nèi)變形加劇，巖體穩(wěn)定性越差，其變形越嚴(yán)重。因此，洞頂巖體產(chǎn)生變形，導(dǎo)致初支荷載作用明顯增大，并由拱架逐漸傳遞至拱腳部位，由于拱腳位置巖體強(qiáng)度較低，不足以約束頂部傳遞的荷載作用，造成初支出現(xiàn)疲勞破壞[4]。

5 隧道炭質(zhì)板巖大變形控制施工技術(shù)要點(diǎn)

5.1 炭質(zhì)板巖隧道開挖階段施工

（1）隧道施工前，應(yīng)先通過φ42超前小導(dǎo)管對其頂部區(qū)域?qū)嵤┏爸ёo(hù)，并注射水泥漿進(jìn)行加固處理，以有效固結(jié)頂部破碎巖石，增大頂部徑向抗力作用和巖體強(qiáng)度，防止巖體脫落，避免頂部松動圈增大。

（2）隧道爆破施工前，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘察及現(xiàn)場具體情況制定爆破方案，合理布設(shè)爆破孔位置及填藥量，降低爆破對周邊巖體造成的影響，避免巖體穩(wěn)定性下降。

（3）選用微臺階法進(jìn)行隧道施工，并嚴(yán)格控制階高與階長，確保階長不超過7 m，階高不超過3 m，并在上臺階位置保留核心土。同時(shí)，應(yīng)合理控制開挖深度，確保每次循環(huán)進(jìn)尺為1榀拱架長度，且小于1 m。利用微臺階開挖，可最大限度地減小巖體變形，保證巖體穩(wěn)定性[5]。

5.2 炭質(zhì)板巖隧道初期支護(hù)階段施工

（1）隧道施工完成后，應(yīng)及時(shí)通過噴錨支護(hù)+鋼拱架完成初期支護(hù)，并增設(shè)鎖腳錨桿，為產(chǎn)生變形的巖體提供徑向抗力作用，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工速度，保證3 h內(nèi)完成初期支護(hù)。

（2）施作頂部及兩側(cè)初期支護(hù)時(shí)，應(yīng)同步完成各部位鎖腳錨桿加固。鎖腳錨桿可采用規(guī)格為42 mm×4 m的鋼管，各拱架應(yīng)保證至少施加8根長度不小于4 m的鎖腳錨桿，并與各臺階拱架牢固連接。錨管按照45°傾角進(jìn)行施作，并通過U形鋼筋與鋼拱架可靠連接。注漿作業(yè)待錨管安裝完成后開始，在施工過程中要嚴(yán)格控制注漿壓力，使其始終保持在0.3～0.5 MPa范圍內(nèi)，經(jīng)注漿處理使圍巖強(qiáng)度及整體性顯著提高，防止遇水整體軟化，同時(shí)用水泥漿填充巖體縫隙，使破碎巖體固結(jié)成一個(gè)整體，增強(qiáng)鎖腳錨桿性能。其具體布置形式如圖1所示。

（3）下臺階施工應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)深度，單次掘進(jìn)進(jìn)尺不得大于2榀鋼拱架，且應(yīng)在噴射混凝土承載力滿足要求后施工，以防止上臺階鋼拱架變形脫落。同時(shí)，將上臺階混凝土噴射施工中產(chǎn)生的殘?jiān)宄?，焊接上下鋼筋網(wǎng)，使其形成一個(gè)整體，確保拱架穩(wěn)定和可靠。

5.3 炭質(zhì)板巖隧道施工技術(shù)措施

由于炭質(zhì)板巖遇水易軟化，穩(wěn)定性較差，因此在隧道開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)完成初期支護(hù)及二次襯砌施工，同時(shí)還要嚴(yán)格控制以下幾點(diǎn)：

（1）炭質(zhì)板巖受時(shí)間損傷效應(yīng)影響，變形始終處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且變形量較大，開挖完成后應(yīng)及時(shí)完成初期支護(hù)，對于巖體穩(wěn)定性較差、變形量較大部位應(yīng)二次施作初期支護(hù)。首次支護(hù)采用“錨網(wǎng)噴+鋼拱架”形式隨開挖同步完成支護(hù)，施工中嚴(yán)格控制混凝土噴射厚度，確保不低于20 cm，以有效控制巖體初期變形；待圍巖應(yīng)力大部分釋放且仰拱施作完成后，通過增加錨桿數(shù)量，再次懸掛鋼筋網(wǎng)，并噴射10 cm厚混凝土，避免巖體及初支變形超限。

（2）仰拱應(yīng)緊跟初支進(jìn)行施工，以確保隧道開挖斷面及時(shí)封閉成環(huán)，提高初支徑向抗力。針對局部變形量較大的部位，需在上臺階底部設(shè)置臨時(shí)仰拱鋼架，與兩側(cè)鋼拱架形成整體，以有效提高初支強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

（3）對于豐水區(qū)域，需通過超前支護(hù)注漿，對開挖面前方巖體進(jìn)行止水加固。通過水泥漿將巖層裂隙中的水分排擠出來，并對破碎巖體實(shí)施固結(jié)，形成整體，使圍巖內(nèi)部水流改道，保證開挖面3 m區(qū)域范圍內(nèi)無滲水現(xiàn)象，防止圍巖產(chǎn)生坍塌，提高施工安全等級。

（4）強(qiáng)化炭質(zhì)板巖初支拱頂沉降及水平收斂監(jiān)測，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面了解巖體基本狀況，根據(jù)二襯施作的時(shí)間、空間等指標(biāo)，合理確定炭質(zhì)板巖施工段的預(yù)留變形量。通過現(xiàn)場實(shí)際檢測，建議該區(qū)段變形量以20～50 cm為宜，實(shí)際掘進(jìn)過程中結(jié)合實(shí)測值實(shí)時(shí)調(diào)整開挖尺寸，防止后期變形對二襯造成影響[6]。

6 炭質(zhì)板巖段隧道變形加固措施

（1）經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，炭質(zhì)板巖段隧道洞頂沉降及水平收斂最為嚴(yán)重，且發(fā)展速度較快，必須盡快施作臨時(shí)仰拱，與初期支護(hù)形成整體封閉成環(huán)，提高初期支護(hù)強(qiáng)度，增強(qiáng)抗變形能力。其具體操作流程如下：預(yù)先做好拱腳位置的降排水工作，并采用人工開挖方式挖出拱腳及仰拱溝槽，使設(shè)置的臨時(shí)仰拱與初支形成整體[7]。由于該區(qū)域巖體穩(wěn)定性較差，施工中嚴(yán)禁使用挖機(jī)進(jìn)行大面積仰拱開挖，避免拱腳出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，引發(fā)隧道垮塌。此外，待臨時(shí)仰拱與初支封閉成環(huán)后，應(yīng)沿隧道縱向在臨時(shí)仰拱上部增設(shè)縱向連接件，使其形成穩(wěn)定的受力體系，增強(qiáng)承載能力，其中縱向連接件可使用規(guī)格I16的工字鋼，在兩側(cè)對稱設(shè)置[8]。

（2）在隧道變形較大的部位，當(dāng)初支產(chǎn)生裂縫且水平位移超限時(shí)，應(yīng)設(shè)置水平橫向支撐實(shí)施加固。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)將其設(shè)置于邊墻部位，并在洞體兩側(cè)對稱設(shè)置2根Ⅰ16工字鋼，然后將鋼管兩端分別固定在工字鋼上，鋼管布設(shè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼管間距，最大不得超過2 m。

（3）炭質(zhì)板巖破碎嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，巖體存在較大變形。在施作初支時(shí)，應(yīng)按照1.5 m×1.5 m的間距合理布設(shè)注漿錨管，對其后方圍巖實(shí)施加固。錨管采用管徑φ42 mm，壁厚4 mm，長度4.5 m的無縫鋼管，并采用φ6鋼筋在其底部設(shè)置加強(qiáng)箍，避免施工過程中底部變形影響后續(xù)注漿，實(shí)際安裝時(shí)應(yīng)將錨管端部支撐密閉錐形，便于導(dǎo)管安裝。注漿前，應(yīng)采用噴射混凝土方式對初支表面裂縫實(shí)施封閉處理，避免注漿漿液由裂縫流出。漿液為水灰比1∶1的水泥漿，實(shí)際施工過程中，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)狀況、現(xiàn)場試驗(yàn)及漿液固結(jié)時(shí)間科學(xué)確定漿液配合比。同時(shí)，注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，不得超過0.5 MPa，防止對巖體造成破壞。

（4）通過以上所有加固方案處理后，若隧道變形量及發(fā)展速度依舊處于增加狀態(tài)，在確保初支不侵限的情況下，可在初支表面設(shè)置一層型鋼拱架，再進(jìn)行一次加強(qiáng)支護(hù)，提高初支強(qiáng)度。鋼拱架采用規(guī)格為Ⅰ20工字鋼，以間距0.5 m一道進(jìn)行設(shè)置，鋼拱架安裝前，必須將原始初支表面清理到位，確保與新增拱架緊密結(jié)合。同時(shí)，在拱腳部位設(shè)置鎖腳錨桿，并設(shè)置φ8鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土。上述所有加固方式可結(jié)合現(xiàn)場具體情況及加固效果進(jìn)行合理選用，直至加固效果滿足施工要求[9]。

7 施工效果

該公路隧道工程1#隧道炭質(zhì)板巖段施工，根據(jù)以上支護(hù)方式進(jìn)行加固后，隧道開挖過程中無安全事故發(fā)生，有效提升了施工效率，隧道洞體變形控制良好。大變形區(qū)域通過施作臨時(shí)支撐、臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)、三次初期支護(hù)、增設(shè)鎖腳錨桿及初支壁后注漿等一系列加固措施，有效控制了變形發(fā)展，保證了施工安全，效果顯著。

8 結(jié)語

綜上所述，該文結(jié)合某公路隧道工程1#隧道施工實(shí)例，對公路隧道項(xiàng)目炭質(zhì)板巖段大變形控制展開研究，分析了隧道炭質(zhì)板巖段施工中常見問題及具體成因，總結(jié)了大變形控制施工技術(shù)要點(diǎn)，并提出了炭質(zhì)板巖段隧道變形加固的具體措施，即采用短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、及時(shí)施作二襯、增加預(yù)留變形量、多次初支、增設(shè)鎖腳錨桿及初支壁后注漿等措施[10]。通過大變形區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對隧道施工炭質(zhì)板巖段大變形的有效控制，保證了隧道工程建設(shè)的順利完成，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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