隧道炭質板巖段大變形控制及處治技術

劉傳飛

為了解決隧道施工通過炭質板巖地段隧道防坍和變形控制，從炭質板巖的特性、變形機制以及出現變形后的處理方法等方面進行探索，獲得以下幾個結論：炭質板巖屬軟巖范疇，遇水易軟化；有水地段開挖后易出現坍塌，需做好超前支護和注漿止水；炭質板巖隧道收斂持續時間長，累計變形量較大；發生變形后，可采用初支仰拱成環、施做長鎖腳錨管、徑向錨管注漿、增設護拱等措施進行處治。

在炭質板巖隧道施工中，受高地應力的影響，炭質板巖段隧道開挖圍巖強度較低，不足以抵抗隧道開挖引起的集中應力，造成巖體塑性剪切滑移，出現較大量級的巖體變形，且會影響后序初期支護、二次襯砌施工質量，如大變形得不到有效控制，最終將會造成隧道坍塌，嚴重影響隧道施工安全，也直接或間接地加大施工成本。本文總結了炭質板巖隧道施工采取短進尺、強支護、及早封閉、二次襯砌及時施作、加大隧道預留變形量、徑向錨管注漿、強化鎖腳錨管、臨時仰拱封閉成環、多次初期支護、加強拱頂沉降及水平收斂監測等措施對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1416m。V級圍巖設計支護參數為SVa復合襯砌：超前支護為35根3m長超前小導管，初期支護為3.5mR25中空注漿系統錨桿，雙層￠6鋼筋網，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，設計預留變形量12cm，本工程圍巖破碎段采用臺階法施工，硬質段輔以爆破。

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-薄層狀構造，變余泥質結構，節理發育，風化程度一般為強風化，板理發育，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。炭質板巖的力學特性與結構面傾角大小相關，結構面受力后易發生剪切塑性破壞和順層理面滑移破壞，且浸水后強度降低可達50%。圖1為炭質板巖圍段隧道開挖后巖體及掌子面實際情況。（見圖1）。

圖1 炭質板巖

二、 施工中出現變形情況

隧道施工期間先后出現大變形，初期支護變形嚴重段為出口左洞ZK58+520～ZK59+460段，該段設計為V級圍巖，洞身埋深為37m，該段左側起拱線位置日變形量達2cm，拱腳累計變形量達30cm，造成初支混凝土開裂、拱架變形侵限。

該段初期支護在增強鎖腳錨桿的情況下仍然變形嚴重，鋼拱架扭曲變形，變形速率特別反常，最大的收斂每天達4cm之多，給控制變形的應對工作帶來很大的難度，造成部分斷面侵限、二襯不能緊跟、變形范圍繼續擴大，被迫停止掘進。

三、 隧道炭質板巖段施工中常出現的問題

（1）隧道掌子面開挖后未噴混凝土前圍巖較好，隨著隧道圍巖長時間暴露，掌子面圍巖不斷出現掉塊，如不及時進行支護會出現坍塌。

（2）隧道炭質板巖遇水容易軟化，強度降低，特別是在有滲水的段落開挖中，圍巖受時間損失效應影響更大，導致隧道拱部形成較大的松動圈，導致隧道塌方。

（3）初期支護后期變形量大，且收斂持續時間長。經過對隧道長時間監測數據研究分析，發現隧道在初期支護完成后，前期變形速率和累計變形量相對其他圍巖段更大。隧道多個里程段持續出現超過300mm以上的收斂變形，其中最大累計收斂值達到400mm。出現大變形的段落往往造成初期支護體系嚴重破壞，主要表現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）根據隧道掌子面開挖的巖層顯示，炭質板巖節理非常發育，巖體破碎。在隧道圍巖收到開挖應力后，巖體發生剪切破壞，應力重新分布，并在爆破應力的作用下使掌子面外露巖體部分松動，巖體自穩能力有所下降但變化速率較小。隨時間推移，伴隨空氣作用及地應力作用，巖體向開挖空間移動，失穩掉塊，在時間損傷效應作用下，巖體應力持續變化，加速失穩，最終導致坍塌。

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

（3）炭質板巖具有節理裂隙發育，抗剪強度低等特點。根據隧道平衡拱理論，巖體在開挖后，節理被切割，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，炭質板巖隧道頂部圍巖發生塑性變形，對初期支護的荷載會逐漸加大，并通過拱架等結構傳至拱腳，加之拱腳圍巖同樣強度降低，無法約束拱頂傳輸的豎向應力，導致初期支護整體變形嚴重，最終破壞。

五、隧道炭質板巖大變形控制施工要點及技術措施

1.炭質板巖隧道開挖階段施工要點

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

（2）在爆破開挖時，應根據超前地質預報及現場實際圍巖情況進行動態爆破設計，動態確定裝藥量及部眼位置，減少爆破作業對圍巖的擾動，增強圍體自穩能力。

（3）采用臺階法開挖時，應采用微臺階開挖法，臺階長度控制在7m以內，不得過長；上臺階高度控制在3m以內，并在上臺階預留核心土，每循環進尺長度為1榀拱架間距且不超過1m。同時，微臺階法施工，圍巖塑性變形量較小，增加了圍巖穩定性。

2.炭質板巖隧道初期支護階段施工要點

（1）在隧道開挖后，應采用錨網噴支護+型鋼鋼架形式及時進行初期支護，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得到徑向抗力，此項工作應在3h內完成。

（2）在施工拱部及邊墻初期支護同時，必須同時施作各臺階拱架鎖腳錨桿，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，通過注漿使注漿區巖體不至受水整體軟化。同時漿液充填圍巖裂隙，將松散體固結成整體，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）下臺階每次開挖進尺不得超過2榀，且應在噴射混凝土強度符合要求后施工，從而避免上臺階拱架懸空過多下沉變形而發生“掉拱”事故。同時將施工上臺階噴混凝土時回彈的虛碴鑿除，牢固連接上下鋼筋網片，保證上、下臺階處拱架的可靠連接。

3.炭質板巖隧道施工技術措施

（1）在炭質板巖地層進行隧道施工不但應加強支護、及時封閉、二次襯砌及時施作，施工中還應注意如下要點：

由于炭質板巖時間損傷效應作用下，具有持續時間長、變形量大的特點，初期支護應及時施作、一次到位，在變形量特別巨大的區段應二次施工初期支護，第一次初期支護應在開挖后及時進行，采用錨網噴+型鋼鋼架的形式支護，噴射混凝土厚度控制在20cm左右，基本控制圍巖大部分變形；第二次施工應在大部分塑性變形應力釋放及仰拱施工完畢后，巖體變形基本趨于穩定時，補打系統錨桿，鋼筋網掛設及混凝土復噴，噴射混凝土厚度10cm，防止圍巖及初期支護變形過大侵限。

（2）仰拱應及時施作，盡快將整個斷面閉合成環，增強初期支護徑向抗力，在部分變形量特別巨大的區段，應在上臺階底部增設臨時仰拱鋼架與拱架封閉成環，增加初期支護前期承載力。

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

（4）加強炭質板巖段初期支護拱頂沉降及水平收斂的監測。加強炭質板巖段初期支護拱頂沉降及水平收斂的初期位移量及速率的監測，根據監測情況，掌握圍巖巖體變化規律，結合二次襯砌施工的時間及空間，綜合確定隧道施工中炭質板巖區段的預留變形量。經現場測定，炭質板巖段隧道變形量建議控制在20～50cm以內，在開挖時根據實際測出的預留變形量動態調整開挖輪廓尺寸，保證變形后不侵入二次襯砌空間。

4.炭質板巖段隧道變形加固措施

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

（2）在洞身收斂變形巨大的區段，初期支護出現開裂并超出位移極限時，還應安裝臨時水平橫撐進行加固。臨時橫撐應加固在邊墻，并沿洞身兩側分別并排安裝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板巖段施工，應在初期支護表面布置徑向注漿錨管，間距1.5m×1.5m，加固初期支護背后破碎巖體。徑向注漿錨管采用壁厚4mm的無縫鋼管，無縫鋼管規格為Φ42mm×4.5m，注漿錨管尾端采用Φ6鋼筋焊加強箍一圈，防止施工時導管尾端變形而影響下序施工，注漿錨管前端制成封閉矢狀，方便插入導管孔。注漿前應對原有噴射混凝土基面裂縫進行噴混凝土封閉處理。注漿材料為水灰比1：1的水泥漿，施工時根據實際地層情況、凝結時間要求及現場試驗動態調整配合比。注漿壓力不應大于0.5MPa，防止巖面被壓裂；當孔口壓力達到0.5MPa時結束注漿，不以注漿量為準。

（4）護拱加固：當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，并在再次支護也不會侵入二襯界限的條件下，在初期支護表面上，增設1層型鋼拱架，進行第三次支護，強化支護強度。鋼拱架可采用I20工字鋼，按50cm間距布置，施作鋼拱架前，應對原初期支護表面進行處理，使拱架與其緊貼，并施作鎖腳錨桿固定，掛設Φ8鋼筋網片，噴混凝土至鋼架表面。以上所有加固措施均可根據實際變形情況和加固效果而進行一項或多項，直至達到預定效果。

六、施工效果

王格爾塘1#隧道炭質板巖段施工按照上述變形控制施工要點實施后，施工全程均順利推進，無安全事故，達到了零事故的施工目標，綜合施工進度也有明顯提高，隧道炭質板巖段變形得到有效控制。大變形段通過采取臨時支撐、臨時仰拱型鋼封閉、三次初期支護、加強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、結語與建議

本文結合王格爾塘1#隧道炭質板巖地質段的施工，對炭質板巖巖體的特性進行了揭露，對炭質板巖地層隧道大變形控制施工要點和大變形處理措施進行了總結。炭質板巖段隧道施工應采取短進尺、強支護、及早封閉、二次襯砌及時施作、加大隧道預留變形量、徑向錨管注漿、強化鎖腳錨管、臨時仰拱封閉成環、多次初期支護等多項措施，對大變形進行有效控制。保證安全即是保證有效施工進度，即是保證工期的關鍵。施工過程中應提前了解炭質板巖的特性、遇水遇空氣巖體變形演化機理及巖體大變形發生的原因，及時采取工程實踐中總結出的變形控制要點及措施，并加強現場施工組織管理和施工技術、質量的控制，確保炭質板巖圍巖隧道施工中的大變形得到有效控制。