泥质页岩公路隧道地质与支护技术研究

彭朝晖(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000)

我国山区公路隧道修建技术相对成熟，但是在南美和非洲等发展中国家，山区隧道修建技术相对落后，特别是在复杂地质条件下修建山区隧道仍存在较大的困难。目前，针对复杂地质段泥质页岩隧道的研究资料较少，本文通过对地质勘探数据和现场实测数据的对比研究，及时优化隧道支护措施，为项目的顺利实施提供了保障。

1 工程概况

玻利维亚艾尔西亚公路位于科恰班巴至圣克鲁斯公路中央部位大约100km和130km处，全长30km，公路共有4条隧道，3号和4号隧道所处区域地层为泥质页岩。3号隧道起始桩号为KM2+824.79，终点桩号为KM3+286.3，全长461.51m。4号隧道起始桩号为KM3+340.11，终点桩号为KM3+814.96，全长474.85m。3号和4号隧洞全长共936.36m。

1.1 隧道区域地质资料

根据当地地质资料显示3号和4号隧道所在区域围岩类型为志留纪坎卡尼里组泥质页岩，部分夹砂岩和石英砂岩薄层，该单元的厚度为20m左右。从岩性上讲，它是由层状页岩、滑石和深灰板岩构成的。页岩的底部是软碳酸盐，砂岩层向较高层穿插，向上覆地层过渡。

图1为3号隧道的地质勘探资料，从图中可以看出，隧道穿过两个逆断层，隧道覆盖层厚度较浅，平均厚度为80m。根据RMR法围岩的分值得出相应的围岩等级，最终根据围岩判定等级确定隧道断面支护类型，因隧道洞口段要加强支护，故按最高等级支护。从图中可以看出3号隧道围岩等级类型为：3类围岩344m,占比为74.54%，剩余25.46%受断层带影响。3号隧道断面支护类型为：3类占比为55.15%，4类占比为21.76%，5类占比为14.23%，6类占比为8.86%。

图1 3号隧道地质勘探资料

图2为4号隧道的地质勘探资料，从图中可以看出，隧道穿过一个逆断层，隧洞覆盖层厚度较浅，平均厚度为50m。从图2中可以看出4号隧道围岩等级类型为：3类围岩384.89m,占比为81.06%，4类围岩49.96m,占比为10.52%，剩余8.42%受断层带影响。4号隧道断面支护类型中：3类占比为27.38%，4类占比为46.20%，5类占比为14.74%，6类占比为11.67%。

图2 4号隧道地质勘探资料

2 现场围岩判定与支护研究

2.1 现场围岩判定

根据比尼奥斯基（Bieniawski）RMR分级标准(1989)，对每一次开挖循环的隧道掌子面进行围岩分级判定。依据RMR1=A1+A2+A3+A4+A5,RMR0=R1+B(修正系数)得出每个掌子面的围岩评分，再根据表1围岩等级评价表判断围岩级别，其中A1为完整岩石的单轴抗压强度的分值，A2为岩石完整性RQD（%）的分值，A3为结构面间距的分值，A4为不连续面特征的分值，A5为掌子面地下水特征的分值，B为不连续结构面方向修正系数。根据现场每一循环对每个开挖后的掌子面进行围岩判定，依据判定结果进行爆破开挖设计和支护。3号隧洞全长461.51m，根据RMR分级标准对3号隧道围岩共判定231次。4号隧洞全长474.85m，根据RMR分级标准对4号隧道围岩共判定263次。3号和4号隧道围岩判定共计494次。

表1 围岩等级评价表

表2为3号隧道掌子面RMR法围岩判定汇总表。与图1地质勘探资料3类围岩占比74.54%有较大的出入，根据现场实际RMR判定：其中4a类围岩177.49m,占比为38.44%，4b类围岩263.51m,占比为57.07%，5类围岩20.76m，占比为4.50%。3号隧道断面支护类型为：4类支护占比为38.44%，5类支护占比为57.07%，6类支护占比为4.50%。

表3为4号隧道掌子面RMR法围岩判定汇总表。图2地质勘探资料显示4号隧道3类围岩占比81.06%，但是现场实测围岩类型均为4类围岩，根据现场实际RMR判定：其中4b类围岩474.85m，占比为100%。4号隧道断面支护类型为：4类支护占比为38.44%，5类支护占比为57.07%，6类支护占比为4.50%。

根据表2和表3的数据，再结合表1可以看出，3号和4号隧道地质情况极差，围岩等级全部是4类岩和5类岩，围岩评价结论为差和极差。

表2 3号隧道掌子面RMR法围岩判定汇总表

表3 4号隧道掌子面RMR法围岩判定汇总表

2.2 支护研究

因地质勘探资料的不准确性，加上地质条件和断层带的影响，给隧道的施工增加了极大的施工成本、安全隐患和技术难度挑战。

在施工前期发现地质资料与现场实际情况差别较大时，要及时采取应对措施，加强隧洞稳定性的监测和超前探测，确保施工安全。在开挖时及时调整开挖方案，通过半洞开挖、减少爆破装药量、机械和人工辅助开挖等措施，减少对围岩的扰动。同时调整支护方案，通过短进尺、勤支护、减少钢支撑间距等措施，确保施工安全。

2.2.1 围岩稳定性监测

通过测斜仪和收敛仪分别监测隧洞洞脸边坡和掌子面围岩变化情况，为施工安全提供保障。特别是在地质较差的区域应增加监测点位和监测频率。通过测斜仪和收敛仪数据以及洞顶岩层的变化，成功预测出4号洞洞脸上方岩层的滑坡危害，避免了人员的伤亡和财产损失。

2.2.2 围岩支护

3号和4号隧道全部分为上半洞和下半洞以及底拱3部分开挖，并在开挖后进行及时支护。4a类围岩支护采用4.5m长、环向与纵向间距（1.3m×1.3m）、Φ25mm的系统锚杆、挂Φ8mm钢筋网、含钢纤维的喷射混凝土（7cm+10cm）和不含钢纤维的喷射混凝土（5cm）进行顶拱和边墙的支护，底拱采用挂双层Φ8mm钢筋网（15cm×15cm）和浇筑21MPa的混凝土进行支护。4b类围岩支护采用4.5m长、环向间距1m、纵向搭接1m、Φ25mm的超前锚杆、立钢支撑（纵向间距1.5m）、挂Φ8mm钢筋网（15cm×15cm）、含钢纤维的喷射混凝土（7cm+26cm）和不含钢纤维的喷射混凝土（5cm）进行顶拱和边墙的支护，底拱采用挂双层Φ8mm钢筋网（15cm×15cm）和浇筑21MPa的混凝土进行支护。5类围岩支护采用12m长、环向间距0.5m、纵向搭接3m、Φ88.9mm的管棚、立钢支撑（纵向间距1.1m）、挂Φ8mm钢筋网（15cm×15cm）、含钢纤维的喷射混凝土（7cm+26cm）和不含钢纤维的喷射混凝土（5cm）进行顶拱和边墙的支护，底拱采用挂双层Φ8mm钢筋网（15cm×15cm）和浇筑21MPa的混凝土进行支护。

因3号和4号隧道现场实际围岩等级较差，在开挖过程中不时有冒顶等现象发生，故根据现场实际情况对围岩支护措施进行了相应的优化，4a类围岩系统锚杆环向与纵向间距改为1.0m×1.0m～1.3m×1.3m。4b类围岩将钢支撑纵向间距改为1.0m～1.5m。5类围岩将钢支撑纵向间距改为0.5m～1.1m。同时在容易冒顶部位，减小钢支撑间距，同时将钢筋网片改为双层。在断层区域，通过超前钻探、管棚超前支护和增加监测点位等措施确保施工安全。

3 结语

由地质勘察RMR围岩等级和现场依据RMR法评定的围岩等级差异可以看出，玻利维亚当地的勘察单位勘察精度较低，缺乏其他勘察手段对钻探数据进行有效的矫正，给项目的实施带来了很多不确定性的风险，例如增加施工成本、施工技术难度和施工安全风险。

对于复杂地质段泥质页岩隧洞，在施工时，要利用尽可能多的手段对洞脸边坡和洞内围岩进行监测，增加监测点和提高监测频率，尽早监测，预防为主，安全施工。在施工时，遇到围岩等级变化段和冒顶区域，要加强支护，特别是4类与5类岩交接处，要减小钢支撑的间距，防止因支护强度达不到要求导致顶拱裂缝和冒顶现象发生。玻利维亚艾尔西亚公路根据现场实测RMR围岩评价标准，按照其上围岩支护方法，质量应满足设计、规范要求，未发生任何安全事故，为项目的顺利实施奠定了基础，取得了良好的社会效益。