炭質泥巖隧道巖類力學性質分析及變形控制措施

梁靖 鄭寰宇 廖翼強

摘要：廣西賀巴高速公路永靖隧道為全Ⅴ級圍巖，長690 m，以炭質泥巖、頁巖、砂巖互層為主，流水量與降雨量成正比，掌子面圍巖松散、易發(fā)生大面積坍塌。文章通過對炭質泥巖、煤巖、泥巖的物理力學性質進行對比分析，總結出永靖隧道炭質泥巖松散性、脆性、膨脹性的工程特殊性，并針對圍巖的特殊性制定相應的施工技術措施，經(jīng)過工程驗證有效控制了隧道變形，取得良好效果。

關鍵詞：炭質泥巖；脆性；膨脹性；力學性質；隧道變形

中圖分類號：U456.3+1? ?文獻標識碼：A

女意編號：1673-4874（2024）04-0142-03

0 引言

炭質泥巖帶有軟巖的基本特性，強度低、孔隙大、易變性、易滲水，對隧道的安全和質量造成影響，這類巖石在隧道工程中應給予重視，采取針對性的技術措施。國內(nèi)外學者對隧道變形控制進行了大量研究，錢蓉等［1］提出“圍巖松動圈”理論；吳真瑋等［2］在總結新奧法支護基礎上，提出“聯(lián)合支護技術”；向武松［3］提出“噴錨復合支護”，但隧道圍巖大變形問題尚未列入設計規(guī)范，炭質泥巖圍巖的變形機理仍然需要完善，隧道軟巖及各類圍巖的支護技術仍然需要研究。本文針對都安至巴馬高速公路永靖隧道炭質泥巖全Ⅴ級圍巖的工程特性，研究炭質泥巖巖性的特殊性，提出相應的變形控制措施。

1 工程概況

1.1 基本情況

廣西賀州至巴馬高速公路永靖隧道在大化瑤族自治縣內(nèi)，位于南亞熱帶季風氣候區(qū)北部，年平均氣溫為18.2 ℃～21.7 ℃，年降雨量為1 249～1 637 mm。隧道所在位置為丘陵地貌，地形起伏較大，永靖隧道穿越相同山體，地面高程為240～350 m，山體表面總體較為平緩，最大埋深為126.8 m。根據(jù)鉆探及工程地質測繪，隧道地層主要由第四系填筑土、殘坡積層、三疊系中統(tǒng)百逢組地層組成，其中洞口段巖層以第四系填筑土、殘坡積層為主，大部分為粉質黏土；洞身段巖層為三疊系中統(tǒng)百逢組，以中風化炭質泥巖、砂巖、頁巖互層為主，呈深黑色，炭質頁巖、砂巖與泥質膠結，層理和薄層構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯染手、質軟、破碎塊夾碎粒狀。隧道附近地表水較小，主要為溪流存在于地表上，降雨量對隧道水流量有顯著影響，具有季節(jié)性。地下水類型分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，主要來源為大氣降雨。

1.2 永靖隧道現(xiàn)場施工情況

對永靖隧道現(xiàn)場進行施工觀察，隧道左洞進尺至160 m時掌子面圍巖為炭質泥巖、砂巖、頁巖互層，巖層變形量大、松散性強、沉降較大，有少量水從掌子面滲出，雨季流水量明顯增多，易大面積垮塌，現(xiàn)場經(jīng)過初噴混凝土26 cm后，7 d內(nèi)累計變形量仍＞30 cm，初支多處出現(xiàn)開裂、掉塊，由于巖層松散未采用爆破施工，現(xiàn)場采用“七步臺階預留核心土法”進行機械挖掘施工，嚴格控制安全步距。

現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)鋼拱架整體下沉量較大，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)信息顯示，鋼拱架在立拱和接拱的施工過程中拱頂沉降變形較大，尤其是在鋼拱架接拱的位置（拱腰、拱腳），初期支護混凝土易開裂，當仰拱跟進后，拱頂?shù)某两盗口呌诜€(wěn)定，而拱腰位置開始往隧道中線收斂的變形增加。

2 永靖隧道變形原因分析

2.1 巖層特性分析

許多學者研究認為，在工程當中炭質泥巖呈現(xiàn)出較松散、易坍塌的特性與煤巖脆性大、易破碎、易受壓縮的特性相對應［4-6］；炭質泥巖的膨脹性與泥巖飽和狀態(tài)下抗壓強度較低、浸水易崩解軟化等特性相對應［7-9］。

本文對永靖隧道炭質泥巖與煤巖、南寧泥巖、六盤水炭質泥巖的物理力學性質進行對比分析［9-12］，如圖1、下頁圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，4組巖類中，煤巖的密度最小，孔隙比最大，煤巖的粘聚力最小，內(nèi)摩擦角最大，永靖隧道炭泥巖與六盤水炭質泥巖力學性質相近。

密度小說明煤巖的相對質量較小，這與煤巖中有機質炭含量較多有關；孔隙比大說明單位體積內(nèi)的煤巖孔隙體積較大，土質較松散，容水量較多，水更容易滲透巖層，結構強度差，在隧道工程當中表現(xiàn)為圍巖易垮塌、涌水；而泥巖在4組巖類當中密度最大，孔隙比最小。

煤巖粘聚力小說明煤巖土體的抗剪強度低，土體顆粒間的相互吸引力較小，而有機質炭的化學特性剛好相反，使得煤巖粘聚力較低，呈現(xiàn)出松散性和脆性。

而泥巖的內(nèi)摩擦角是最小的，與泥巖高密度、低孔隙比、高粘聚力的力學特性相反，認為這與泥巖的膨脹性相關，泥巖的含水量對膨脹性影響較大，當土體含水量增加，土體膨脹較快，土顆粒間的摩擦力減小，內(nèi)摩擦角減小。

永靖隧道炭質泥巖的物理力學性質介于煤巖和泥巖之間，在工程當中既具有煤巖特有的脆性和松散性，又具有泥巖特有的膨脹性，與許多學者研究的炭質泥巖性質類似，這類土質在隧道工程當中應該考慮其特殊性。

2.2 永靖隧道變形特性分析

根據(jù)“圍巖松動圈理論”所提出的，隧道在開挖過程中，圍巖的松動破壞是不可避免的，在圍巖外部會形成圍巖松動圈、塑性區(qū)、彈性區(qū)（圖3），隧道在掘進過程中如何防止松動圈的破壞是隧道支護的關鍵。

隧道施工中通過支護結構的閉合，支護結構周邊形成了穩(wěn)定的拱支護，避免拱腰、拱腳處失穩(wěn)導致圍巖松動圈土體失穩(wěn)。隨著圍巖土體變形逐步穩(wěn)定，鋼拱支護與松動圈、塑性區(qū)整體協(xié)調趨向一致，使松動圈圍巖的碎脹力分散到支護的表面，讓隧道支護形成“拱”效應并讓支護整體受力。

根據(jù)隧道現(xiàn)場施工情況得知，鋼拱架整體的下沉量較大，隧道初支變形最大的部位在鋼拱架拱腰和拱腳的位置，也是鋼拱架連接部位。由前文分析可知：炭質泥巖的脆性和松散性使得隧道支護表面受力不均勻，無法形成支護拱效應，在支護結構強度最薄弱的位置（拱腰、拱腳）處體現(xiàn)出來，而炭質泥巖膨脹性在雨季圍巖滲水時表現(xiàn)出來，使得支護結構周圍圍巖整體強度下降，當仰拱施工完成后，隧道支護結構閉環(huán)，鋼拱架整體沉降量變小，而在原先最薄弱位置持續(xù)發(fā)生變形。

通過分析可能存在以下幾點原因：鋼拱架整體強度不足、鋼拱架連接處強度不足、連接處鎖腳鋼管強度不滿足或施工質量差、圍巖滲水變形。

3 永靖隧道變形控制措施及結果分析

3.1 變形控制措施

通過以上變形原因分析，現(xiàn)場提出了3種變形控制措施（圖4）：

（1）將原鋼拱架Ⅰ20工字鋼更換為Ⅰ22工字鋼，施作5 m縱向進尺。

（2）將原鋼拱架縱向間距75 cm更改為50 cm，施作5 m縱向進尺。

（3）將原拱腰及拱腳鎖腳鋼管350 cm更改為600 cm，每處根數(shù)由原來2根增加為4根，施作5 m縱向進尺。

在采用上述3種施工方法對永靖隧道左右洞分別進行分段施工，分別對比整體隧道變形情況，并在采用上述方法施工同時及時排出洞內(nèi)積水，防止水浸泡隧道拱腰和拱腳位置，并將原中空注漿錨桿更改為自進式錨桿，在拱腳、拱腰位置開挖后及時連接鋼拱架，縮短鋼拱架支護閉環(huán)時間，加強監(jiān)控量測，增加監(jiān)控點，及時收集變形數(shù)據(jù)，隨時做好安全防范措施。在開挖過程中，左洞仰拱施作位置超前于右洞掌子面位置，且≥30 m，拉大左右洞掌子面和仰拱的施工間距，減少巖層的相互干擾。

3種變形控制措施監(jiān)測結果對比如下頁圖5、圖6所示。

3.2 結果分析

由圖5、圖6可知，加強鎖腳與縮短工字鋼拱架縱向間距后沉降量下降趨勢明顯，而增加工字鋼尺寸對隧道整體沉降量的影響較小，學者分析原因如下：Ⅰ22工字鋼強度雖然提高了支護的整體強度但并未解決隧道支護薄弱位置（拱腰、拱腳）的變形控制，總體變形量較大；縮短工字鋼間距雖未對拱腰拱腳加固，但大大提高了支護結構的整體強度，使得總體變形量較小，但是此方法增加成本較多，不夠經(jīng)濟；增加隧道拱腰和拱腳處縮腳鋼管數(shù)量和長度，對支護薄弱位置針對性加強有效減小了變形量，此方法較工字鋼方法成本可控。

在采用上述方法的同時，及時地排出隧道洞內(nèi)積水，減少了炭質泥巖發(fā)生膨脹變形的可能，對隧道整體變形控制有顯著提升；同時采用自進式錨桿的優(yōu)勢省去了鉆孔的過程，避免了錨桿在鉆孔的過程中圍巖垮塌的問題；施工現(xiàn)場及時接拱提前支護閉環(huán)對隧道整體變形控制起到了輔助作用。

永靖隧道現(xiàn)場采用了加強鎖腳方案及輔助措施后，拱頂每天的沉降量呈下降趨勢，拱腰每天的變形量相對加強鎖腳前減小，加強鎖腳對永靖炭質泥巖隧道變形量控制效果明顯。

采取以上措施后永靖隧道變形量減少，30 d累計變形量＜15 cm，解決了永靖隧道施工安全、質量、進度等問題。

4 結語

由于隧道中炭質泥巖地質條件所引起的圍巖強度低和地質條件復雜等因素，隧道施工中易產(chǎn)生較大變形，為隧道工程施工所帶來的安全和質量隱患一直以來都是工程界研究的重點和難題，本文通過對廣西賀巴高速永靖隧道的現(xiàn)場施工和炭質泥巖的巖性進行研究得出以下結論：

（1）炭質泥巖的物理力學性質介于煤巖和泥巖之間，既具有煤巖松散性和脆性，又具有泥巖的膨脹性，巖性較復雜，施工時應進行專門的技術研究，確定炭質泥巖類型和工程地質條件，制定可行性技術方案。

（2）炭質泥巖變形產(chǎn)生的主要原因是有機質炭含量較多而導致的，巖土體強度低、松散性強、孔隙比大、易滲水，隧道變形控制方法應結合實際工程地質條件。

（3）炭質泥巖中一般含有蒙脫石礦物，遇水易膨脹，施工時應充分考慮圍巖膨脹性特點，采用加強支護和疏導相結合的辦法，不宜強堵水源。

（4）針對永靖炭質泥巖大變形隧道，采用加長加強拱腰鎖腳的方法，與及時排水、自進式錨桿等措施相結合，變形控制效果較好。

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作者簡介：梁 靖（1991—），碩士，工程師，主要從事施工安全風險評估、隧道工程管理工作。