大断面页岩隧道大变形处治技术

刘伟明，韩常领

（1.广东交通职业技术学院，广东广州510650；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075）

大断面页岩隧道大变形处治技术

刘伟明1，韩常领2

（1.广东交通职业技术学院，广东广州510650；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075）

文中介绍了阿尔及利亚东西高速公路大断面页岩隧道在施工中出现的大变形问题，以及相应采取的开挖方式、支护手段、变形控制措施、工序衔接、施工工艺等关键技术，希望对类似地质的隧道施工有一定的参考作用。

公路隧道；大变形；页岩；支护；处治

1 概述

阿尔及利亚东西高速公路中标段M3标，全长27.46 km，位于阿尔及利亚首都亚尔及尔市区东南山区，共设置两座隧道，按双向六车道高速公路标准修建，隧道开挖面积达160 m2，采用法国技术规范，设计监理及业主顾问团均由法国咨询公司承担，项目由中方施工。隧道穿越地层为页岩地层，在施工中遇到了大变形问题，已作支护出现开裂，不少段落出现侵限问题而需要换拱，造成施工进展缓慢。

2 隧址区工程地质条件及遇到问题

隧址区位于近东西向的阿尔卑斯——喜马拉雅造山带中的阿特拉斯——阿尔卑斯褶皱带核部，动力地质作用十分强烈，地质紊乱，其特性和机理是相对混杂和不连续的。隧道穿越地层为页片状泥灰岩（页岩）、泥岩，岩性软弱，开挖1-2 h后暴露面迅速风化，强度急剧降低，遇水快速软化、崩解极快，又有一定的膨胀性，加之构造作用，结构面发育，形成层间软弱带，力学性能较差。还具有易扰动性，对卸荷松动、施工开挖（爆破）等外界环境干扰极为敏感（图1、图2）。

在两座隧道的开挖过程中，出现的主要问题：

①洞口边仰坡出现滑塌，导致开挖隧道出现了侧向和纵向位移（图3）。

②初期支护变形时间长，远超出预留变形量限值，造成初期支护大范围侵限，出现了边挖、边换拱的非良性循环作业（图4）。

图1 洞内揭露围岩情况

图2 洞口揭露围岩情况

图3 隧道明洞边坡失稳

图4 初期支护严重侵限

图5 钢拱架变形情况

图6 喷混凝土剥落

③初期支护与围岩变形量极大，最大超过2.0 m，支护混凝土剥落，重者钢拱架扭曲、折断（图5、图6）；浅埋段地表出现裂缝与陷坑。在未形成封闭支护前表现为整体下沉，以沉降变形为主，每天下沉3-5 cm；有偏压或有地下水时则变形具有不对称性，会出现侧向位移；仰拱封闭后，下沉受到抑制，一般在1 cm/d左右；随着时间的推移，初期支护出现掉块、开裂，一般首先从设拱腰托梁接头开始出现破坏，也有在拱顶、拱脚部位出现破坏。

④页岩开挖暴露后风化、崩解快，出现脱落掉块及小的坍塌，不施工扰动时支护变形就趋于稳定，但扰动时则变形就加剧。

⑤出现地下水地段比干燥围岩段变形量大；洞口浅埋段变形量比洞内一般地段的大。

⑥在初期支护未稳定前施作的素混凝土二次衬砌(拱部未配钢筋)出现了纵向裂缝、斜向裂缝与渗水现象。

3 软岩大断面隧道大变形处治

3.1 总体处治原则

针对隧址区地层以及变形特点，采取了“改善洞型、加固围岩、预留变形、先放后抗、及早封闭、仰拱超前、二衬紧跟、稳扎稳打”的整治原则。首先从保护围岩入手，采取超前预支护加固围岩，改良地层；其次采用强支护手段，及早发挥初期支护抵抗变形的能力；三是通过合理的施工方法与紧凑的工序，加强施工控制，减少开挖过程中围岩的变形；四是二次衬砌仰拱紧跟掌子面，二次衬砌紧随其后，通过二次衬砌最终控制围岩的变形，确保施工安全和结构稳定。

3.2 选择合理的断面形状，改善结构受力条件

原招标文件，隧道断面为扁平型三心圆（图7）。采用扁平形断面，开挖断面小，但容易引起应力集中，施工中容易塌方掉块，安全性差。为此在设计中对三心圆扁平断面与单心圆断面（图8）进行了比选，对于三车道隧道采用单心圆断面，其开挖面积会增大，但其受力条件较好。通过计算得出结果：圆形断面衬砌所受轴力较扁平形断面小5%～20%；在仰拱，大约减小20%；在拱顶大约减小5%，而拱顶弯矩则大约减少50%～200%。鉴于隧址区围岩特性，经过与业主多次讨论，最终选择了单心圆断面，并把检修道宽度每侧减小25 cm，这样两者开挖面积基本相当。

图7 原招标文件坦三心圆断面（单位：cm）

图8 优化后单心圆断面（单位：cm）

3.3 预留变形量的确定

如果在极短的时间内，采用刚度足够大的支护结构对开挖临空面进行及时支护，使其维持在原始状态，这样围岩与支护结构都是稳定的，但这仅仅只是理论上的结果，而实际上这是做不到的。因此，应允许围岩有适度的变形，这就是围岩大变形处治的前提。在开挖过程中（从上台阶开挖到仰拱封闭需要一定时间），围岩应力要重新分布，围岩必然要发生变形。针对此类地层，这段时间内围岩会产生变形，不让其变形是不可能做到的，因此只能去适应围岩变形，要有一个适当的“度”。此阶段应预留一定的沉降变形量，可视为“放”，但不是有意的“放”，这样则可有效地避免支护侵限，达到尽量少拆换拱的目的。在形成初期支护封闭环后，支护结构则转变为以“抗”为主，利用初期支护的刚度、强度抵抗持续地压的作用，控制和抑制围岩的变形，且不会出现支护破坏。

本项目施工开挖采用三台阶法，在施工中围岩开挖预留量加大至50-60 cm，但其中一个洞口因埋深浅、围岩极为软弱，按160 cm预留，对于如此大的预留变形量应是偏大的，若从设计角度考虑是希望改变开挖方法，如采用CRD法或双侧壁法，以控制围岩变形，但最终未实施。

围岩预留变形量取多少才合适、如何做到允许围岩变形而又不失稳是个难点！由于隧址地质条件千变万化，很难通过事先计算来确定，只能结合隧道跨度、开挖方式、地层条件进行预测。开始时本着宁大勿小的原则，留足变形量，尽可能避免二次拆换，施工中可根据实际变形以及监控量测信息综合分析，动态调整。

3.4 超前支护预加固围岩

超前预加固注浆可形成一个帷幕护拱，以增强拱部围岩自承能力，约束围岩变形，防止掘进中的围岩坍塌。本设计采用HEB220型钢拱架，由于钢拱架之间会形成一定的拱效应，为此在设计中采取超前小导管注浆加固围岩，小导管环向间距30~40 cm，小导管长度原设计为4 m，但考虑到钢管长度一节为6 m，本着不浪费材料的原则，小导管长度调整为3 m。当遇围岩软弱时也可使用双排超前小导管，第二排小导管角度一般比第一排大15°左右。

对于小导管注浆，考虑到掌子面不规则，端头封堵困难，以及尽可能少占用循环作业时间，可采取先掘进、后注浆方式，即在下一循环开挖前完成超前导管施工，导管端头预留在喷混凝土层外，暂不注浆；由于有重型钢拱架之间的自承拱效应以及钢管的棚架作用，尽管超前导管未注浆也仍可起到防止围岩坍塌、掉块的作用。在待开挖支护工作面超前4～5 m后实施注浆作业，这样基本不占用掌子面循环时间，不仅对已产生一定松弛的围岩起到了加固作用，同时也对初期支护背后存在的空隙进行充填。

3.5 强支护

页岩非常软弱，且受地下水的影响其自承能力很低，初期变形大、变形速率高，且长时间不收敛。因此，需加大初期支护的刚度，依靠强硬的支护手段抑制围岩变形，防止塌方。本设计采用HEB220重型拱架、铺设双层钢筋网、喷33 cm厚C30混凝土，钢拱架间距65-80 cm，纵向连接采用65 mm槽型钢(用螺栓连接)以增强型钢整体受力的能力。要求及时施作初期支护，钢架基底必须坚实，当基底受水浸泡软化，应清除软化层，换填贫混凝土；当超挖出现基底悬空时同样应用贫混凝土回填；严禁有回填虚渣，防止型钢拱架受力后出现大下沉量。

3.6 系统径向锚杆与拱脚加固

加固围岩松动圈主要采用加长锚杆、加密锚杆、注浆等措施。对于隧道出现的大变形，一般认为，长锚杆是一种有效的支护措施，并取得了一定的效果。但项目隧道为三车道大断面，隧道开挖后变形量大，其塑性区非常大，因此必须采用长锚杆，但现场锚杆施工只能打设4 m左右，围岩变形已超出锚杆的有效控制（4 m）范围之外，锚杆作用不大，且拱部锚杆注浆也很难做好，考虑到造价（限价设计）因素，在设计中取消了径向锚杆，改为设置锁脚锚杆。锁脚锚杆斜向下打入围岩，其端头弯曲焊接在钢拱架上，一般仅在上、中台阶设置，有必要时在上、中、下台阶同时设置。

在东标段，由日本公司承接施工的隧道全部采用了6 m长径向锚杆，采用台阶法开挖，在施工中同样出现了超过30 cm以上的变形，最大达100 cm以上，采取的加固措施是在上台阶拱脚处增加纵向横梁连成整体，并增加锁脚锚杆数量（图9），结果使变形有所缓解，但仍未很好解决支护变形问题；日方公司曾多次到我方工地考察大变形整治措施。由此看来，仅通过加强锁脚还是不够的，还要结合支护的及早封闭、二衬紧跟来控制变形。

为提高拱脚处承载力，设计中采用了扩大拱脚方案，该方案在欧洲应用比较多，但由于施工工艺相对复杂，最后未能实施。后采取了在钢拱架下增加槽钢托梁，在槽钢下打设两根长4 m的Φ50或长6 m的Φ73锚固管桩（图10）。仰拱与边墙之间钢拱架连接采用直接式整体焊接，并形成一扩大墙脚，增大其承载面积，以利于初期支护的稳定（图11）。

图10 增加托梁与Φ50管桩

3.7 支护闭合时间与开挖方式

从开挖变形趋势看，只要临时仰拱或永久初期支护仰拱封闭成环后，隧道沉降变形就会变小，但如果二次衬砌不能及时施作，封闭成环的支护仍会持续发生变形，首先从薄弱点拱脚接头处开始出现喷混凝土剥落，内挤，也有过2个月后拱顶喷混凝土表层剥落，甚至把钢架剪断，因此初期支护的封闭时间是控制沉降变形的关键，应尽早形成封闭环；再者是二次衬砌紧跟，控制收敛变形的进一步发展。

本项目施工采用三台阶法七步流水法开挖，从上台阶开挖到下台阶封闭成环所需时间较长，在无约束条件下会产生比较大的变形，后来增加了上台阶临时仰拱与中台阶临时仰拱（图9），使其变形有所控制，但累计下来变形量仍较大，因此针对此类围岩应采用CRD法或双侧壁法，这样开挖断面小，容易形成闭合的支护环，其累计变形量也会减小。

图11 扩大拱脚及仰拱与边墙连接示意

两隧道之间岩柱净间距约25 m左右，从变形数据看，左、右洞掌子面临近或同一隧道内上、中、下台阶同时开挖，会造成一定的影响，不利于支护稳定。因此，在施工中应保证左、右洞前后错开，同一隧道内各台阶不能同时施工，即应降低左、右洞在横向上以及同一洞在纵向上的相互干扰。

3.8 二次衬砌紧跟

按欧洲施工习惯，二次衬砌应在初期支护基本稳定后施作，为此在施工初期，对二次衬砌的施作时机进行了多次讨论，法国设计监理及业主一开始时均不同意二次衬砌紧跟的作法，这样就导致已封闭成环的初期支护变形仍在发展，且随着时间的推移出现了开裂，大范围侵入二衬断面的情况。针对大面积侵限、变形不能收敛的情况，法国专家、业主后来逐步认识到了要等到围岩稳定后再施作二衬不现实，应要快衬，并且应加强，最后决定二次衬砌紧随其后，与掌子面距离不超过50 m；与此同时，根据对变形数据的分析，确定了二次衬砌仰拱紧跟掌子面，间距控制在15 m左右，及早进行二次衬砌仰拱对控制变形是很有效的，因为在施工曾出现了二衬仰拱未及时施作，导致初衬仰拱隆起病害。

由于二次衬砌是在收敛变形没有停止、变形速率仍较大的前提下施作的，因此二次衬砌应采用钢筋混凝土结构，形成有效的约束，防止二衬开裂。本项目施工二次衬砌采用C40混凝土，厚度60 cm，主钢筋直径25 cm，间距20 cm。在欧洲，二次衬砌计算不考虑初期支护的作用，与国内规范相比更安全一些，在本项目计算中还考虑了0.3 MPa的膨胀力。

3.9 采用多层支护方案的探讨

实施多层支护、边放边抗，也是治理大变形非常有效的措施。多层支护的作法可分为两种：一种是喷混凝土分两次实施，先喷25~30 cm，在封闭成环后再喷20~25 cm，对于第二次喷混凝土，因隧道开挖断面大，单纯增加喷混凝土厚度效果不是很好，故仍宜设置钢拱架，但其间距可比第一次的间距大；另外一种是在初期支护形成封闭环后，增加一层现浇混凝土套拱，套拱内同样设置钢拱架，其间距可比初期支护内的大，形成刚柔相济的支护，第二次支护施作的时机宜在第一层结构封闭成环后实施，这样可使围岩有一定的变形，应力得到一定的释放，有利于支护的稳定；从现场换拱看，侵限段在换拱后基本稳定，表明该段应力已部分释放，但换拱后二次衬砌1~2个月内仍不施工，换拱段仍会局部出现喷混凝土剥落现象。本项目实施中曾采用了在已作初期支护表面（净空允许前提下）再增加20 cm喷混凝土层，并架设钢拱架，其间距1.2~1.5 m，施作后变形得到控制。

3.10 加强防排水

页岩地层对水极为敏感，凡是有水地段围岩变形量比邻近较干燥地段的大，因此应加强洞内防排水设施，对于地下水量大的地段利用超前小导管压注水泥—水玻璃双液注浆，封堵围岩裂隙，形成止水帷幕，减少地下水的渗流；出现渗水的地方在初支表面打3～4 m深的孔眼引水，并加密环向排水管；对开挖暴露岩面及早封闭，尽量隔绝水与基岩的接触。这些措施的综合运用，对减缓变形起到了积极的作用。

3.11 规范施工，保证施作质量

软岩的应力释放与围岩变形同施工工艺、施工步骤息息相关，选择合适的施工工艺、规范化的施工是安全施工的保证。施工中应加强施工工序控制，重点监控，稳扎稳打，步步到位。要克服注浆质量差、锚杆打设方向随意、数量不足，钢拱架悬空、连接不牢、钢架与围岩间不密贴、喷混凝土层与围岩间不密实、喷射混凝土厚度不足、仰拱下基础不实等质量通病，要注重细节，确保每道工序的施作质量。

4 结语

对于大断面页岩隧道的大变形问题，在施工初期由于认识不足，加之中国与法国之间不同设计理念的碰撞，导致项目施工走了一些弯路，但经过施工实践，各方最终形成了共识，即：“管超前、少扰动、短进尺、快封闭、先放后抗、强支护、勤量测、二衬紧跟”是大变形整治的基本原则，仰拱及时跟进并及早封闭成环是关键，监控量测是保证施工安全之手段，治水是前提，规范化施工是保证。当然，还有不少如锚杆长度及其受力效果、二次衬砌施作时机与加强、预留变形量的取值、结构的耐久性等等问题需要进一步探讨。希望本项目的施工对类似地质的隧道施工有一定的参考作用。

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表7 江罗高速一期沥青面层综合数据

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Treatment Technology for Large Deformation of Big Cross-section Tunnel in Shale

LIU Wei-ming1,HAN Chang-lin2

(1.Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 510650,China; 2.CCCC First Highway Construction Co.Ltd.,Xi'an 710075,China)

This paper,on the basis of describing the problem of large deformation in the big cross-section tunnel passing through shale on the East-West Expressway in Algeria,introduces the key corresponding technologies,including the methods of excavation,means of support,control measures for deformation,process conjunction and construction technology,etc.This would provide some reference for the construction of tunnel in similar geology.

highway tunnel;large deformation;shale;support;treatment

U455.49

A

1671-8496-(2016)-04-0035-05

2016-07-11

刘伟明(1975-)，男，副教授

研究方向：公路工程施工、监理、教学