炭质泥岩地层隧道变形控制技术研究

王世清， 杨昌贤

(铁道第三勘察设计院集团有限公司 城交分院，天津 300251)

1 工程概况

牡绥线兴源隧道位于黑龙江省穆棱市兴源镇境内，全长3 427 m，为双线隧道，隧道最大埋深约123 m，2011 年变更设计增加一座斜井。隧区地处新华夏系构造体系第二隆起带—老爷岭隆起东侧，兴源向斜的北西翼，其中第二隆起带内构造体系复杂繁多，不同时期、不同等级、不同性质的断裂构造十分发育，多有交叉迹象，并常伴有次级断裂，使得区内地质构造极为复杂化。

隧道穿越地层主要为薄层炭质泥岩夹砂岩，其中砂岩为灰白色，炭质泥岩黑色发亮。由于受区域地质构造作用，具有明显的摩擦镜面和扭曲、揉皱现象，易产生层间滑动，围岩节理、裂隙极发育，手掰易碎，岩体较破碎，多呈碎块、角砾状，且岩层走向不利于隧道稳定，开挖接触空气或水后岩体急剧衰变劣化。施工过程中表现为开挖后掌子面岩体快速剥落，易塌方，变形迅速且量值大，出现初期支护喷射混凝土开裂剥落，型钢钢架扭曲局部甚至折断，支护内鼓，净空侵限等现象，现场施工进度极其缓慢。

2 大变形判别及原因分析

2．1 大变形判别

大变形是相对正常变形而言，目前隧道界对此无统一的定义和判别标准。各类围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，现行规范中取一定的预留变形量来容纳这些变形量值。国内许多学者对此开展了一系列的研究［1-4］，取得了一系列的成果。兴源隧道自2010 年7 月8 日开工以来，掌子面仅完成开挖约1 600 m，每掌子面月开挖仅约为20 m。施工过程中监控量测数据反应变形段变形速率大多＞60 mm/d，累计变形＞500 mm 的测点超过98 个，其中最大累计变形超过1 270 mm，最大变形速率达400 mm/d。结合文献［1］结论，兴源隧道属于大变形隧道。

2．2 大变形原因分析

2．2．1 地质因素

隧道开挖后，由于卸荷效应开挖轮廓周边的围岩具有恢复原状的临空面，而局部地层富含基岩裂隙水，周边的水向隧道内汇集。炭质泥岩具有沿正交于层理方向膨胀、应力释放的特性，由于受区域地质构造作用影响，具有明显的摩擦镜面和扭曲、揉皱现象(见图1)，层间几乎无粘结力，围岩较破碎，呈碎块状、角砾状松散结构，且岩层走向不利于隧道结构稳定，开挖后与空气或水接触后急剧风化剥落快，使隧道围岩无法形成自然“承载拱”，形成松散结构，从而使围岩压力增大，此时若支护结构未封闭成环形成整体受力结构，很难抵抗围岩压力。另外，围岩产状对隧道结构受力的影响很大，如进口端线路右侧岩层层面倾向洞内，造成该侧侧压力较大，导致右侧拱部至边墙部位发生大变形;出口端隧道局部段落围岩极其破碎松散，竖向压力相对较大，对隧道两侧拱部的围岩稳定性影响较大。上述因素是产生兴源隧道大变形的主要因素。

图1 掌子面围岩摩擦镜面和扭曲、揉皱现象

2．2．2 施工因素

现场施工主要采用台阶法施工，施工过程中开挖进尺过大，核心土长度与高度预留的不够，工序间衔接不够紧密，使得开挖后临空面围岩剥落严重，其中以拱顶部位尤为明显;初期支护封闭成环周期长或回填不密实;为增加拱脚承载力，虽然隧道开挖采取扩大拱脚，加强纵向连接和锁脚锚管的措施，但由于大拱脚处需扩挖且仍处于软弱地层之上，施工过程中不注意保护造成台阶节点处往往超挖严重，造成拱圈围岩失去支撑点而扰动，进而导致隧道周边松动圈范围扩大，围岩压力增大;监控量测信息反馈不及时，支护变形持续增大，未及时采取有效措施，这是产生兴源隧道大变形的影响因素。

3 变形控制技术

根据前文分析的炭质泥岩隧道大变形产生的原因，施工过程中不断调整支护设计参数，最终确定变形控制原则为:适当预留，加强支护，快挖、快支、快封闭，二次衬砌适时施作。

3．1 调整预留变形量

适当预留变形量可有效释放隐藏的围岩变形能量，预防初期支护变形侵限，同时有效减少二次衬砌的分担的围岩荷载，保证隧道长期运营安全。结合现场施工积累的经验和监控量测数据分析结论，建议参数如下:一般地段预留变形量应控制在30 ～60 cm，同时对于左右侧不均匀变形应分别预留，左侧边墙预留50 ～60 cm，右侧边墙及拱顶预留20 ～40 cm。

3．2 优化施工方法

采用短台阶预留核心土法施工，局部变形速率过快处设置临时仰拱和斜撑，其中上台阶开挖高度控制在3．5 ～4 m 之间，台阶长度控制在3 ～5 m，同时控制掌子面开挖到支护封闭成环在35 m 左右完成，从而使支护结构尽快封闭成环。施工过程中尽量减少诱发围岩变形的不利因素，控制围岩的变形发展。建议从以下方面控制:采用光面爆破，预裂爆破和减震爆破技术控制爆破，减少对围岩的重复扰动;严格控制开挖进尺;开挖后及时初喷封闭洞周和掌子面，以减少炭质泥岩遇空气和水后急剧风化剥落。

3．3 加强支护体系

通过前期施工积累的经验，考虑到兴源隧道具有变形快且量值的特点，初期支护采用双层型钢钢架网喷混凝土加强，其中第一层支护采用刚度较大的工字钢架，及时抵抗威严变形的发展，保证后续工序的开展和施工安全;第二层支护限制变形的进一步扩大和发展，从而保证整体支护体系不会发生破坏或破坏不会影响支护效果。由于初期支护和二次衬砌是大变形隧道支护体系中主要受力构件，控制变形应加强整个支护体系。

建议支护参数如下:拱墙部位第一层钢架采用I22b 型钢钢架，0．6 m/榀，喷射混凝土厚度为27 cm，第二层钢架采用I18 或I20a 型钢，全环设置，0．6 m/榀，其中拱墙喷射混凝土厚度为23 cm，仰拱部位喷射混凝土厚度为25 cm;拱墙部位设置双层Φ8 钢筋网，网格间距20 cm×20 cm;边墙采用Φ22 砂浆锚杆，长4．0 m，环向间距1．2 m，纵向间距1．0 m，尾部设置钢垫板;超前支护使用Φ42 小导管，壁厚3．5 mm，长3．5 m，环向间距4 根/m;增加二次衬砌厚度为55 cm，并加强结构配筋:主筋为Φ25@20 cm，分布筋Φ16@25 cm，箍筋Φ8@25 cm×20 cm。另外，节点处采用轻型I14 型钢加强钢架纵向连接;锁脚锚管施作后要求注浆，长度由4．5 m 调整为6 m。

4 现场应用效果验证

为检验上述措施的安全合理性，施工过程中不仅进行了拱顶下沉、周边收敛等必测项目的量测，还对围岩压力、钢支撑内力等选测项目进行了量测分析。

本文选取了进口DK409 +710 断面和出口DK411 +968．4 断面的位移及应力量测数据进行分析。其中DK409 +710 处采用I22b +I20a 双层初期支护，预留变形量为55 cm，DK411 +968．4 处采用I22b +18双层初期支护，预留变形量为50 cm。表1 是关键工序的时间节点。

表1 关键工序时间节点

4．1 变形量测数据分析

图2、图3 分别为进口DK409 +710 断面和出口DK411 +968．4 断面的拱顶下沉和周边收敛随时间变化趋势图。

图2 DK409 +710 处变形时间曲线

图3 DK411 +968．4 处变形时间曲线

分析图2、图3 可知，进口DK409 +710 处拱顶下沉为30．6 cm，周边收敛为47．6 cm;出口DK411 +968．4 处拱顶下沉为42．8 cm，周边收敛为35．5 cm。两者变形具有如下规律:进口端周边收敛大于拱顶下沉，而出口端则与之相反，拱顶下沉大于周边收敛;变形量值受施工干扰大，掌子面开挖、中台阶施工、下台阶开挖和仰拱开挖时变形速率均变大;变形持续时间长，初期支护封闭成环后仍然未停止变形，甚至有发展，收敛特征不明显。

4．2 应力量测数据分析

图4 ～图9 分别为进口DK409 +710 断面和出口DK411 +968．4 断面的围岩压力和第一层钢支撑应力随时间变化趋势图。

出口端部分量测仪器虽然由于施工过程中的破坏后期无测试数据，但从图中基本可以看出兴源隧道围岩压力和钢支撑内力随时间变化具有一定的规律:进口端拱脚处围岩压力大于拱顶处围岩压力，而出口端则相反，拱顶处围岩压力大于拱脚处围岩压力，这与前文分析变形规律基本对应;进口端右拱脚围岩压力大于左侧拱脚和拱顶围岩压力，造成结构偏压，这与前文分析的围岩产状密切相关;围岩压力和钢支撑内力受施工干扰波动大，但总体呈“上升～平缓”的特征，说明施工过程中围岩应力发生了重分布;进口端DK409 +710 处围岩压力最大值为1．2 MPa，钢支撑应力最大值为288．8 MPa，出口端DK411 +968．4 处围岩压力最大值为0．6 MPa，钢支撑应力最大值为312．3 MPa，测试结果表示围岩压力较大，但由于现场钢架采用Q235 工字钢，其屈服强度为235 MPa，抗拉强度为375 ～460 MPa，测试部分部位已超过屈服强度，但未到抗拉强度，故现场钢架未断裂，及时进行第二层钢架支护和加强二次衬砌以抵抗围岩变形和分担受力是必要。结合变形量测具有无明显减缓收敛的特点判断:围岩后期变形主要以蠕变为主。

图4 进口DK409 +710 处围岩压力时间曲线

图5 DK409 +710 处第一层钢架外侧应力时间曲线

图6 DK409 +710 处第一层钢架内侧应力时间曲线

图7 DK411 +968．4 处围岩压力时间曲线

图8 DK411 +968．4 处第一层钢架外侧应力时间曲线

图9 DK411 +968．4 处第一层钢架内侧应力时间曲线

5 结论

(1)兴源隧道炭质泥岩具有围岩变形量大，变形速度快且持续时间长，变形受施工开挖扰动大，后期变形主要为蠕变，无明显减缓趋势的特点，故应对支护体系的应力和变形进行长期观测，以进一步评价隧道运营安全。

(2)通过对兴源隧道炭质泥岩大变形的分析，可以看到大变形不可避免，但采取“适当预留，加强支护，快挖、快支、快封闭，二次衬砌适时施作”的原则可以控制变形。

(3)对于炭质泥岩地层大变形隧道的二次衬砌应提早施作，以便让二次衬砌承担一部分围岩压力，且有利于隧道稳定，但该地层二次衬砌施作时机有必要进行进一步研究。

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