炭质页岩隧道大变形综合控制技术研究

田 文 平

(中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

随着我国交通运输事业的快速发展，交通隧道的建设开始进入各类地质条件复杂的区域，为隧道的修建带来了许多困难。当在软弱围岩中修建隧道时，大变形问题是困扰工程人员的一类常见问题[1]。

西安—成都铁路客运专线阜川隧道是全线的控制工程之一。隧道在施工中遭遇炭质页岩区段，多次出现初支破坏、围岩溜塌、二衬开裂等病害，工期及成本受到严重影响。通过采用一套系统、全面的大变形控制措施，隧道最终成功通过炭质页岩区段。本工程经验可为今后类似工程提供有益参考。

1 工程背景

阜川隧道位于陕西省勉县境内，位于大巴山中低山区，地形起伏较大，地质构造复杂。隧道起讫里程为DgK271+936.21～DgK280+951.53，为双线隧道，全长9 015.32 m，最大埋深约456 m。

1.1 地层岩性

隧道工程主要涉及志留系及奥陶系地层，岩性以灰岩、泥岩、页岩为主，其中大变形区段主要为炭质页岩。如图1所示，炭质页岩为一种含有大量碳化有机质的灰黑色泥质岩石，薄层状构造，强度近似泥土，变形模量小，遇水易崩解，自稳能力极差，是一种典型的工程软岩。

1.2 隧道断面及支护体系

隧道断面形式为三心圆，支护体系为锚喷支护加钢筋混凝土二次衬砌。Ⅴ级围岩段的隧道横断面设计见图2。

1.3 施工方法

隧道采用新奥法施工，其中Ⅲ级围岩采用短台阶法，Ⅳ级、Ⅴ级围岩采用三台阶法。开挖进尺约为2 m，仰拱一次开挖长度为4 m～6 m。

2 施工中的主要病害

阜川隧道2号斜井至成都端出口段为大变形段。该段埋深在110 m～220 m之间，围岩多为页岩夹炭质页岩。受不利围岩条件影响，隧道施工中出现挤压型大变形，严重危害施工进度及安全性。施工中出现的主要病害如下。

2.1 初支钢架严重变形

如图3所示，此类病害初期表现为初支混凝土局部掉块，随后钢架变形迅速发展，产生鼓包、折叠、扭曲、撕裂等问题，一般需进行拆换拱架才可继续施工，危险性极大。

2.2 围岩失稳、溜塌

由于炭质页岩的分布具有不可预知性，当掌子面附近存在炭质页岩破碎腔时，掌子面极易出现突发性失稳，从而导致破碎腔内岩体随着掌子面的破坏倾泻而出(见图4)。

2.3 二衬开裂、渗水

如图5所示，在大变形段附近，二衬开裂、钢筋暴露、渗漏水病害频发，局部区域甚至需要增设临时套拱才得以维持稳定。这说明即使在初支变形基本稳定后施作二衬，二衬后期仍将承受较大的荷载。

3 软弱围岩隧道大变形控制机理

软弱围岩隧道发生大变形的根本原因有两个方面[2]：

1)围岩力学性质差;2)支护体系能力不足。

因此需从以上两个方面同时着手解决大变形问题：

1)改善围岩性质，调动围岩自身承载能力；2)提高支护体系的强度和刚度。运用围岩—支护特征曲线理论[3]可很好地解释这一问题。

如图6所示，图中横坐标为隧道径向位移，纵坐标为隧道稳定所需支护力，Pi为原始地应力。图中曲线Ⅰ,Ⅱ为两条典型的围岩特征曲线，其中曲线Ⅱ代表的围岩力学性能较好的情况；曲线①,②为两条典型的支护特征曲线，曲线斜率代表支护刚度，平直段代表支护达到极限强度。显然，曲线②所代表的支护在强度和刚度上都要大于曲线①。

当隧道的围岩—支护关系由曲线Ⅰ及曲线①表征的情况下，支护结构强度和刚度不足，两曲线无交点。这意味着支护结构无法稳定围岩。若在这种情况下施作二衬，则支护结构无法承担的围岩荷载将转嫁至二衬，导致二衬开裂破坏。若单纯加强支护结构至曲线②所示的情况，则两条曲线仍无法相交，仍有围岩失稳、支护破坏的可能。因此，需同时对围岩性质加以改良，提高围岩性质至曲线Ⅱ。此时两条曲线相交于点B，支护结构便可以稳定围岩。

4 炭质页岩隧道大变形综合控制措施

从软弱围岩隧道大变形控制机理出发，阜川隧道项目部以经过反复地实践摸索，得出了一套针对炭质页岩隧道大变形的综合控制措施。

4.1 采用双层支护结构

阜川隧道在大变形段采用双层支护结构，支护形式及支护参数为：

1)第一层支护：全环设H175型钢钢架，0.6 m/榀。拱墙设φ8@200钢筋网。喷射混凝土采用30 cm厚C30混凝土。

2)第二层支护：全环设Ⅰ22a型钢钢架，0.6 m/榀。喷射厚26 cm的C30混凝土。设置φ22@1 000纵向连接筋，并设置4道/环的Ⅰ18纵连型钢。

采用双层支护结构旨在提升支护结构的强度和刚度，同时兼顾“先柔后刚，刚柔并济”的理念[4]，符合软岩隧道大变形控制的原理。双层支护结构形式简单，受力机理明确，无需额外施工机具和人员配合，具有良好的推广应用价值。

4.2 施作临时横撑及临时仰拱

如图7所示，上台阶开挖后，立即采用Ⅰ20a工字钢设置临时仰拱，并喷射厚20 cm的C30混凝土；下台阶开挖后，于中台阶拱脚处采用Ⅰ20a工字钢设置临时横撑(每2榀撑1榀)。这一措施是为了使支护结构尽早形成封闭形状，改善支护结构的受力状态，同时一定程度上控制上台阶拱脚的下沉和挤入。

4.3 径向注浆加固

炭质页岩隧道在开挖后，隧道周围的围岩会产生一定范围的松动圈。松动圈内围岩的节理裂隙会有一定量的张开，造成岩体力学性能的劣化[5]，但也为注浆加固围岩提供了可能。阜川隧道径向注浆通过替代系统锚杆的φ42小导管进行。小导管长4.0 m，间距1.2 m×1.0 m(环向×纵向)，梅花形布置。浆液采用普通水泥浆初注配合水泥—水玻璃双液浆进行补浆。水泥浆水灰比1∶1，双液浆体积比控制在1∶1～1∶0.6范围内。注浆控制压力取1.0 MPa～2.0 MPa，达到终压后持续10 min。实践证明，隧道周围一定范围的炭质页岩具有良好的可注性，且注浆后其力学性能可得到明显改善。

4.4 采用弱爆破配合机械开挖

炭质页岩在扰动后会松散泥化，力学性能显著降低。因此通过采用弱爆破，配合铣挖机或挖掘机开挖，可减小对隧道周边岩体的扰动，最大限度地保留围岩的天然承载力。

4.5 采用大直径锁脚锚管

阜川隧道原设计采用长4 m的R32砂浆锚杆作锁脚锚杆。而实际施工中部分断面的锁脚锚杆出现了拉断的情况。因此在上、中台阶拱脚处增设长6 m的T76自进式锁脚锚管，每榀钢架各两根，并且采用Ⅰ20a型钢与钢架作纵向连接(见图8)，有效地控制了支护结构的下沉。

4.6 提高预留变形量

在挤压性大变形的条件下，原设计预留变形量已无法满足要求。因此大变形段的预留变形量增加至100 cm，其中70 cm为第一层支护的预留变形量，第二层支护为30 cm。这一举措使支护结构在各阶段都有充分的变形空间，在降低围岩荷载的同时不影响到二衬施作的净空要求。

5 效果验证

图9和图10分别为DgK278+045断面(未采取控制措施)和DgK278+130断面(采取控制措施)的实测位移时程曲线。从图中可以得到以下结论：1)在采用大变形控制措施前，隧道变形呈现出典型的“挤压型大变形”特点，即初始变形速率高、变形持续时间长、各部位变形量值尤其是边墙收敛较大。2)DgK278+045断面的拱顶下沉和中台阶收敛均大于60 cm，已超过最大预留变形量，需进行初支拆换扩挖以满足二衬施作净空要求，风险极高。3)采用大变形控制措施后，隧道各部位变形量值明显降低。相较DgK278+045断面，DgK278+130断面的拱顶下沉及上、中、下台阶收敛分别降低了24.04 cm,20.14 cm,56.01 cm和23.15 cm，降幅分别为37.18%,63.65%,78.43%和76.60%。4)从图10中可以明显看出，采用大变形控制措施后，隧道各部位变形除最终量值显著降低外，变形也能较早趋于稳定。这就避免了二衬因承受额外围岩压力而产生病害。

6 结语

1)炭质页岩隧道在施工中易发生大变形，常见病害形式有初支钢架严重变形、围岩失稳溜塌、二衬开裂渗水等。

2)控制炭质页岩隧道大变形的关键，是在提高支护刚度、强度的同时改善围岩性能，双管齐下，标本兼治。

3)通过设置双层支护、临时仰拱和临时横撑，外加采用大直径锁脚锚管，可提高支护结构的强度和刚度，改善支护结构受力。径向注浆加固、弱爆破配合机械开挖可减小开挖对围岩的扰动，提高围岩的强度，调动围岩自承载能力。

4)采用上述大变形综合控制措施可显著降低隧道各部位的变形量，并使各部位变形更早地趋于稳定。如此可在保证支护结构和围岩不失稳的同时，降低二衬承受的围岩荷载，从而使隧道安全平稳地通过大变形地段。