茅荆坝隧道石墨段岩体防塌方技术研究

张高青等

摘 要：文章介绍了茅荆坝隧道穿越石墨段围岩性质和该段落塌方有关的情况，并分析塌方原因、征兆及预防措施。由于石墨具有润滑性，且该段落围岩岩性软硬不均，有滴水、局部线流，石墨鳞片0.1毫米至几毫米不等，夹杂在岩石之中，围岩极不稳定，开挖后围岩脱落掉块，排险时常有巨块石脱落，故施工过程中易发生塌方。然后从隧道发生塌方的原因入手，针对石墨段落防止塌方提出了有效的预防措施。

关键词：隧道；石墨；塌方；处阿理

引言

茅荆坝隧道位于内蒙古自治区喀喇沁旗与河北省隆化县交界处，是G45大广高速承赤段的一个隧道，地处蒙冀界，因承德市北部的茅荆坝乡而得名，隧道全长6776米，有“关外第一隧”之称，是承赤高速公路最长、修筑最困难、条件最恶劣、事故率最大的隧道，设计时速80公里/时，为双向四车道加救援车道。该隧道为分离式特长隧道（进口段为小净距段）。隧道平面曲线右线为：直线（472.555m）+缓和曲线（280m）+R1520（2162.445m），左线为：直线（490.072m）+缓和曲线（280m）+R1530（2173.928m）。隧道左右线纵坡均为（-1.98%）。该区位于燕山断隆的东基底构造段，线方向受东西-北东东向复式褶皱构造控制，地质构造较为复杂，岩浆活动频繁，加之强烈的混合岩化作用影响，使原来面貌遭受不同程度的改造根据工程地质测绘及钻探揭露，隧道区地层为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）碎石和白垩系（K）花岗岩、凝灰岩，局部见斜长岩闪长岩岩脉侵入[1]。

1 石墨岩体及塌方情况说明

2012年2月至5月，隧道施工期间出现石墨岩体，岩体中石墨含量8%～20%不等，见图1所示。石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子，具有润滑性、化学稳定性、耐高温、导电、特殊的导热性和可塑性、涂敷性等性能。

该石墨段围岩节理完全，软硬不均，有滴水、局部线流，石墨鳞片0.1mm至几毫米不等，夹杂在岩石之中，围岩极不稳定，开挖后围岩脱落掉块，排险时常有巨块石脱落，并伴随小塌方。石墨矿脉在掌子面分布面积不均、位置和倾角变化较大，矿脉本身强度极低、表面光滑，矿脉与凝灰岩层面间伴有密集节理，偶有裂隙水出露。区段隧道埋深小于200m，地应力水平不高，实测隧道施工变形不大，开挖暴露面（侧壁和掌子面）极易掉块和塌坍。左洞施工至ZK3+770发生较大塌方，台车破坏较严重，对施工及今后隧道运营造成很大安全问题，见图2所示。施工完初期支护后进行监控量测，发现施工完初期支护拱顶出现局部混凝土剥落现象，说明围岩的后期变形较大，需要对支护参数进行加强处理。

2 隧道坍塌原因分析

2.1 发生坍塌的原因

2.1.1 地质因素

（1）隧道穿过断层及破碎带，一经开挖，潜在应力释放，承压快、围岩失稳而坍塌。（2）当通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌。（3）在挤压破碎带，岩脉穿插带、节理密集带等碎裂结构地层中，岩块间互相挤压钳制，一经开挖则失稳，常见围岩掉块、坍落。在软弱结构面发育的情况下，或泥质充填物过多，均易产生较大的坍塌。（4）在构造运动的作用下，薄层岩体形成的小褶曲、错动发育地段，施工中常常发生坍塌。（5）岩层软硬相间，或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面强度大大降低，因而发生坍塌。（6）地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍塌。（7）缓倾的岩层层理、节理、裂隙等结构面[2]。

2.1.2 施工方法和措施不当

（1）施工方法选择不当或工序间距安排不合理。各工序间距时间拉的较长，地层暴露时间过久，引起围岩松动、风化、导致坍塌的发生。（2）喷锚不及时，或混凝土质量、厚度不符合要求。（3）采用钢支撑时，支撑架设质量欠佳，支撑与围岩不密贴，两者间的空隙填塞不密实，或联结不够牢固，不能满足围岩压力所需的强度要求。（4）有时抽换支撑不当，或当支撑已经出现受力过大的现象而未及时加固。（5）爆破作业不当，用药量过多。（6）处理危石措施不当，引起危石坠落，牵动岩层坍塌。

2.2 坍塌征兆

（1）量测信息所反应的围岩变形速度或数值超过允许值。（2）喷射混凝土产生纵横向的裂纹或龟裂。（3）在坑底或坑壁发现不断掉下土块、小石块。（4）岩层层理、节理缝或裂隙变大、张开。（5）钢拱架（格栅）发生变形或扭曲，连接钢板脱焊、拉裂，钢拱架（格栅）发生“噼啪”的拉裂声。（6）坑道内渗水、滴水突然加剧或变浑。

3 隧道坍塌预防措施

要预防隧道施工坍塌，首先做好地质预报，选择相应的安全合理的施工方法和措施。在施工中注意掌握下述要点：

（1）先排水。在施工前和施工中均应采取相应的防排水措施，按设计要求做好注浆防水、堵水措施，严格防止洞外水进入隧道，洞内积水应及时抽出。（2）短开挖。各部开挖工序间的距离要尽量缩短，以减少围岩暴露时间。（3）弱爆破。在爆破时，要用浅眼、密眼，并严格控制用药量或用微差毫秒爆破。（4）强支撑。针对地压情况，确保支护结构有足够的强度。（5）快衬砌。衬砌工作需紧跟开挖工作面进行，力求衬砌尽快成环（6）勤检查、勤量测。对围岩发现有变形或异状，要立即采取有效措施及时处理隐患[3]。

结合现场实际情况，为了避免施工期间安全事故的出现及保证隧道后期运营期间的稳定，对石墨段岩体进行如下措施处理：

（1）加深地质工作，了解隧道未施工段可能出现该石墨矿脉情况，取样开展石墨矿脉的强度、水理性质、膨胀性试验，掌握矿脉基本物理力学参数；做好掌子面地质素描工作，掌握石墨矿脉在掌子面分布面积比例、位置和倾角参数，节理发育情况和地下水情况。及时进行围岩级别认定、采取相应设计和施工措施。（2）根据石墨矿脉在掌子面中所占比例较小时（暂定小于30%）围岩级别定为IV级，所占比例较大时（暂定大于30%）或有显著地下水出露时围岩级别宜定为V级。（3）因强度低、节理发育，开挖暴露面（侧壁和掌子面）极易掉块和塌坍，超前支护应设自进式锚杆，见图3所示；IV级围岩区段设工18型钢钢架，间距80cm，35cm厚有仰拱模筑混凝土；V级围岩区段设工20b型钢钢架，间距75cm，45cm厚有仰拱模筑钢筋混凝土；对于已经施工初期支护围岩段，为确保施工运营期间隧道路面及结构的安全性，隧道二衬采用35cm厚有仰拱模筑钢筋混凝土。施工过程中，掌子面5cm喷混凝土封面，及时封闭开挖暴露面[4]，见表1所示。（4）采用台阶法以减小掌子面高度，控制开挖循环进尺（IV级围岩1.5m，V级围岩0.75m）以减小围岩暴露长度，及时喷混凝土封闭开挖暴露面以减少围岩暴露时间，加密周边炮眼控制超欠挖以减少爆破后对围岩的处理，适当缩短衬砌距掌子面距离实现洞室尽早稳定[5]。

4 结束语

国内外隧道工程穿越石墨岩体的工程案例很少，没有类似工程经验可以借鉴，而采取以上措施对石墨段进行施工，取得了良好的工程效果，近200米石墨段没有发生任何较大塌方，顺利通过了石墨岩体段。这证明该技术方案切实可行，可供类似工程参考。

参考文献

[1]河北省交通规划设计院.赤峰至茅荆坝（蒙冀界）段公路工程施工图设计（隧道）[Z].

[2]马涛.浅埋隧道塌方处治方法研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增2）.

[3]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]JTG D70-2004.公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG F60-2009.公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

作者简介：张高青（1981-）男，汉族，河北临城人，硕士研究生，教师，助教，主要研究方向：隧道与地下工程。