千枚岩隧道变形与应对控制关键技术探讨

张红平

（新疆北新路桥集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830001）

石川子隧道包含一条非活动性断层岩层以及一些破碎岩石结构的次级小断层，并且部分路段存在渗水的现象，这导致开挖隧道后可能存在大量变形的情况，采用传统的支护方式几乎没办法解决问题，根据石川子隧道的情况，可以采取双层初期支护的方式来解决问题，虽然双层支护方案的理论研究尚不完善，但已经有很多实际案例可供参考。

以下是部分学者对千枚岩特性的研究成果：殷晓等[1]主要研究千枚岩的矿物成分、命名以及各成分的具体含量；赵建军等[2]主要对千枚岩的水理特征进行了实验室研究，得到千枚岩各成分吸水率的大小关系分别为绢云母最大，绿泥石次之，后面依次为石英石、碳质，此外千枚岩在遇水时很可能会完全崩解；吴永胜等[3]进行了单轴和三轴的千枚岩试验，其结论为千枚岩具有各向异性的特点；王悦月等[4]对千枚岩的力学特性和其含最大水量的时间关系进行了研究。

千枚岩隧道的变形始终是修建隧道的一大难点问题，因此参与研究的学者众多，如今已经有大量的研究案例以及有一些应对措施。其中研究者研究的重点对象主要是围岩、地表的变形特征，只有先了解围岩的变形机理后，才能够得到准确的应对受力支护点，从而采取有效的保护措施。部分学者对千枚岩隧道的研究情况如下：许再良等[5]研究后得知隧道变形需要同时满足两个条件，即高地应力和围岩软弱式；王道远等[6]利用现代技术即数值模拟技术，对软弱围岩隧道施工时发生变形的各类情况进行研究。

目前，国内外虽然已经有许多研究者对千枚岩等有关特性及部分隧道的变形处理方式进行了一定的研究，但对千枚岩隧道整个大工程的研究仍然存在不足。一方面，研究的数量较少，另一方面，研究的隧道变形问题的种类不足，仅局限于隧道二衬开裂和变形不收敛的分析，并没提出一些关于修建千枚岩隧道解决变形问题的科学技术。因此，文章通过结合石川子隧道的实际情况进行分析，对一些技术进行探讨研究，旨在为后续的千枚岩隧道的修建提供部分参考。

1 石川子隧道情况分析

石川子隧道属于左右分离式，起点位于大坝乡，止点位于乐安寺乡后坝村，左线全长4869m，右线全长4860m，合计9729m，路面是沥青类型，隧道洞身段斜坡自然坡度一般在30～45°，隧道最大埋深为523m，设计速度为80km/h。石川子隧道管理区需要综合解决的路段为LK0+000～LK0+392.756、HK0+000～HK0+608.017，共长0.928km，其隧道地质情况复杂，具体分析如下。

1.1 工程条件分析

根据工程资料显示，其山体的复杂地形有陡崖、曲折的岭脊、深沟、险峻的山岭，由于片理、劈理较发育，软硬岩性相间交替，山坡地段常有崩积坡层分布，其厚度不均，隧道岩石主要由绢云千枚岩、砂质千枚岩构成，少量断层角砾岩，整体上隧道的岩石属软岩，局部受断层影响的岩石为极软岩。同时又因为隧道的深度较深，所承受的重量较高，在挖隧道后，岩石的状态会从高围压变为高应力差的状态，并随着隧道的挖掘，隧道很可能出现岩石剪切滑移。

同时隧道所在区域的地震动峰值的加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.4s，地震设防烈度属于Ⅷ度，因此隧道的区域属于构造次稳定区。此外，隧道还穿越了长度为4km的非活动性断层，该断层属于晚更新世活动性断裂带，潜在地震能力为7.0级，隧道于K32+990～K33+020段穿越次级小断层，断层带内岩体完整性差，以碎裂结构为主，围岩自稳能力较差，地下水呈淋雨状，并有突水、突泥的可能性，为V级围岩。这些的情况均导致隧道面临变形甚至坍塌的危险。

综上所述，石川子隧道的变形主要原因如下：（1）隧道围岩主要由绢云、砂质千枚岩软岩组成，局部存在极软岩，同时较大的深埋度导致自重应力大；（2）隧道穿越断裂层，隧道的整体性受到破坏，出现滑动位移的变形的可能性较大；（3）隧道有地下水，可能出现突水、突泥现象，千枚岩因此变得更加劣化，隧道变形的概率增大。

1.2 围岩水理性质分析

石川子隧道的千枚岩主要成分是绢云和砂质，这类千枚岩会在隧道开挖后很容易吸收水分，包括空气中的水蒸气，进而造成岩体表层松动，甚至会出现坍塌的危险情况。且据资料显示，隧道部分路段存在淋雨状的地下水，出现渗水情况后，将会导致隧道的围岩强度急剧下降，进而使隧道坍塌。

众所周知，千枚岩遇到水之后，其特性将会出现较大的变化，外观上会出现膨胀现象，具体影响如下：（1）千枚岩遇水后，结构会遭到破坏，逐渐变得松散，使得围岩强度不断下降，若没有进行前期的支护措施，则会对隧道的挖掘产生很大的阻碍；即使初期进行了支护，但是由于支护的刚度不够，还是可能随着围岩的压力增大而变形，最后可能会出现坍塌的现象；（2）隧道的挖掘，其围岩内部本身的应力逐渐被释放掉，其强度因之降低，遇水之后无阻力进行膨胀，容易发生巨大的塑性变形；（3）隧道拱面和墙体侧壁会出现崩裂的现象，主要因为千枚岩是多层结构，在外部没有应力并由于吸收水分后膨胀张弛，进而发生变形或者围岩脱落的现象。

2 隧道变形情况分析

根据很多研究者的资料可以得到，大多数条件下，隧道的初期支护变形包括3个时间阶段：（1）在台阶上开挖支护的7d内，一般在这个时间阶段，支护变形速率大于20mm/d，某些断面每天的支护变形量会超过30mm；（2）支护的第7～20d，这阶段的支护变形速率为10～20mm/d；（3）支护的第20～40d，该阶段的支护变形速率一般会低于10mm/d，在40d以后，这阶段的支护变形速率基本能达到3～4mm/d。然而石川子隧道的某些路段情况比较严重，其支护的变形速率会远远超过一般情况，并且会持续长时间的较高变形速率，因此，这时就不能采用简单的支护形式。

针对石川子隧道的实际部分路段情况，其可能会出现一些不常见的支护变形破坏情况：隧道围岩可能出现裂缝，是因为支护沉降收敛不均匀而产生的一些环形崩裂；对隧道结构影响较大的支护变形会使隧道拱架无法承受其压力，只能通过换拱的方式来解决这类问题；在支护已经成环封闭之后，初期的支护若变形，则局部的部位会因受力集中而被破坏，具体表现为上下台阶接头处竖直方向裂开突起或者下台阶的中部工字钢发生扭曲变形。

3 关键技术分析

3.1 加固支护

针对易变形区域可采取在拱架处增加锁脚锚管进行加固的方式，此后若仍存在效果不明显则可临时加设工字钢进行横支撑或者采用径向注浆的方式，以上方式主要是针对变形量较小的地段。但针对变形量较大的地段（如K32+990～K33+020段），建议对围岩加固和隧道进行双层支护，可以采取的方式有：（1）在变形路段不是很长的情况下采用改变各类钢筋等的规格来增强支护的刚度；（2）进行双层初期支护和双层衬砌等；（3）利用让压锚杆、大变形恒阻锚杆等特殊支护来辅助隧道变形处理。利用这三种方式能够在保证隧道安全的基础上，合理控制成本。双层初期支护第一层只需采用型钢拱架即可，第二层需采用格栅拱架，并且这两层的支护需要通过喷混的填充方式进行连接。

3.2 隧道洞口技术

根据历史经验，隧道洞口在整个隧道的修建中起着较大的作用，隧道洞口施工过程中稍不注意就很可能引起山体滑坡或山体变形。因此，洞口的挖掘技术很有探讨价值，若不重视洞口的挖掘技术则可能导致初期的变形较大，还可能使地层的破坏延续到地表变形，引起滑坡等灾害。

如果隧道洞口的山体属于缓坡地形，则可以增加明洞的长度，且要保证明暗交接和洞顶上的覆盖层厚度在6～8m；如果隧道洞口的山体坡形为陡坡地形，则需要在洞口明暗交接的地方设置抗滑挡墙或者抗滑桩。

3.3 沉降量的预期及测量

对千枚岩隧道的支护变形有一定了解后，利用其变形速率等估计其支护变形量，并提前做好提前预留空间的准备，根据近些年的千枚岩隧道实际案例来看，一般前期预留30～40cm的空间即可，后续根据隧道的实际测量情况进行修改，可以参考一些千枚岩隧道围岩的变化量进行选择预留量，如Ⅴ级围岩的累计变形量平均为25～40cm，Ⅳ级围岩累计平均变形量为10～20cm。因此，对于石川子隧道的复杂情况，其变形阶段会较长，采用双层初期支护的方式是合理可实施的。

4 结论

综上所述，目前千枚岩隧道的修建依旧存在很多问题，通过大量的研究能够解决大部分的问题。但我国的地形具有千变万化的特点，在实际的隧道修建中很可能会遇到一些从未见过的问题，不能够完全按照前人的解决方案。但前人的案例以及解决方法可以进行一定的参考，特别是对千枚岩隧道的修建必须遵守已有的建议与原则，遵守“早封闭，强支护”的原则，在遇到石川子这类会出现大变形的情况时可以借鉴双层支护的措施，但也不能照搬，需要结合实际情况采取具有针对性的措施。