隧道炭质板岩段大变形控制及处治技术

刘传飞

为了解决隧道施工通过炭质板岩地段隧道防坍和变形控制，从炭质板岩的特性、变形机制以及出现变形后的处理方法等方面进行探索，获得以下几个结论：炭质板岩属软岩范畴，遇水易软化；有水地段开挖后易出现坍塌，需做好超前支护和注浆止水；炭质板岩隧道收敛持续时间长，累计变形量较大；发生变形后，可采用初支仰拱成环、施做长锁脚锚管、径向锚管注浆、增设护拱等措施进行处治。

在炭质板岩隧道施工中，受高地应力的影响，炭质板岩段隧道开挖围岩强度较低，不足以抵抗隧道开挖引起的集中应力，造成岩体塑性剪切滑移，出现较大量级的岩体变形，且会影响后序初期支护、二次衬砌施工质量，如大变形得不到有效控制，最终将会造成隧道坍塌，严重影响隧道施工安全，也直接或间接地加大施工成本。本文总结了炭质板岩隧道施工采取短进尺、强支护、及早封闭、二次衬砌及时施作、加大隧道预留变形量、径向锚管注浆、强化锁脚锚管、临时仰拱封闭成环、多次初期支护、加强拱顶沉降及水平收敛监测等措施对变形地段的作用效果。

一、工程概况

王格尔塘1#隧道为双洞单向交通隧道，左右线相距30～40m，为分离式隧道，全长1416m。V级围岩设计支护参数为SVa复合衬砌：超前支护为35根3m长超前小导管，初期支护为3.5mR25中空注浆系统锚杆，双层￠6钢筋网，26cm喷射混凝土，I20a型钢拱架，纵向间距75cm，50cm厚C30钢筋混凝土二衬衬砌，设计预留变形量12cm，本工程围岩破碎段采用台阶法施工，硬质段辅以爆破。

王格尔塘1#隧道施工掌子面围岩为板岩夹砂岩，板岩灰黑色，为中厚层-薄层状构造，变余泥质结构，节理发育，风化程度一般为强风化，板理发育，板面光滑平整，隧道中线和岩层走向中等角度相交；围岩陡倾，板岩与砂岩岩层组合呈软硬相间，围岩自稳能力差，手捏易碎，部分地段有渗水，遇水易软化并伴随微膨胀。炭质板岩的力学特性与结构面倾角大小相关，结构面受力后易发生剪切塑性破坏和顺层理面滑移破坏，且浸水后强度降低可达50%。图1为炭质板岩围段隧道开挖后岩体及掌子面实际情况。（见图1）。

图1 炭质板岩

二、 施工中出现变形情况

隧道施工期间先后出现大变形，初期支护变形严重段为出口左洞ZK58+520～ZK59+460段，该段设计为V级围岩，洞身埋深为37m，该段左侧起拱线位置日变形量达2cm，拱脚累计变形量达30cm，造成初支混凝土开裂、拱架变形侵限。

该段初期支护在增强锁脚锚杆的情况下仍然变形严重，钢拱架扭曲变形，变形速率特别反常，最大的收敛每天达4cm之多，给控制变形的应对工作带来很大的难度，造成部分断面侵限、二衬不能紧跟、变形范围继续扩大，被迫停止掘进。

三、 隧道炭质板岩段施工中常出现的问题

（1）隧道掌子面开挖后未喷混凝土前围岩较好，随着隧道围岩长时间暴露，掌子面围岩不断出现掉块，如不及时进行支护会出现坍塌。

（2）隧道炭质板岩遇水容易软化，强度降低，特别是在有渗水的段落开挖中，围岩受时间损失效应影响更大，导致隧道拱部形成较大的松动圈，导致隧道塌方。

（3）初期支护后期变形量大，且收敛持续时间长。经过对隧道长时间监测数据研究分析，发现隧道在初期支护完成后，前期变形速率和累计变形量相对其他围岩段更大。隧道多个里程段持续出现超过300mm以上的收敛变形，其中最大累计收敛值达到400mm。出现大变形的段落往往造成初期支护体系严重破坏，主要表现为初支喷混凝土开裂掉块、钢拱架扭曲变形侵入二衬界限等。

四、问题原因与分析

（1）根据隧道掌子面开挖的岩层显示，炭质板岩节理非常发育，岩体破碎。在隧道围岩收到开挖应力后，岩体发生剪切破坏，应力重新分布，并在爆破应力的作用下使掌子面外露岩体部分松动，岩体自稳能力有所下降但变化速率较小。随时间推移，伴随空气作用及地应力作用，岩体向开挖空间移动，失稳掉块，在时间损伤效应作用下，岩体应力持续变化，加速失稳，最终导致坍塌。

（2）炭质板岩为软质岩，本身强度较低，在富水段裂隙水作用下软化、崩解，岩体强度骤降，岩层位移加大，稳定性受到极大影响，致使开挖后的岩面出现破坏坍塌。

（3）炭质板岩具有节理裂隙发育，抗剪强度低等特点。根据隧道平衡拱理论，岩体在开挖后，节理被切割，向洞室方向变形加大，围岩越是破碎，这种变形量就越大；因此，炭质板岩隧道顶部围岩发生塑性变形，对初期支护的荷载会逐渐加大，并通过拱架等结构传至拱脚，加之拱脚围岩同样强度降低，无法约束拱顶传输的竖向应力，导致初期支护整体变形严重，最终破坏。

五、隧道炭质板岩大变形控制施工要点及技术措施

1.炭质板岩隧道开挖阶段施工要点

（1）在隧道开挖前，在拱部范围采用Φ42超前小导管进行超前支护，并注浆加固，在给拱顶施加径向抗力的同时，固结拱顶破碎围岩，有效减少洞身开挖后拱部掉块，控制拱部围岩松动圈扩大的趋势及范围。

（2）在爆破开挖时，应根据超前地质预报及现场实际围岩情况进行动态爆破设计，动态确定装药量及部眼位置，减少爆破作业对围岩的扰动，增强围体自稳能力。

（3）采用台阶法开挖时，应采用微台阶开挖法，台阶长度控制在7m以内，不得过长；上台阶高度控制在3m以内，并在上台阶预留核心土，每循环进尺长度为1榀拱架间距且不超过1m。同时，微台阶法施工，围岩塑性变形量较小，增加了围岩稳定性。

2.炭质板岩隧道初期支护阶段施工要点

（1）在隧道开挖后，应采用锚网喷支护+型钢钢架形式及时进行初期支护，并施作锁脚锚杆，保证尚未完成塑性变形而破坏的围岩及时得到径向抗力，此项工作应在3h内完成。

（2）在施工拱部及边墙初期支护同时，必须同时施作各台阶拱架锁脚锚杆，也可将锁脚锚杆变成Φ42mm×4m锁脚钢管，每榀拱架必须施作8根不少于4m的锁脚锚管，并与各台阶拱架可靠连接。锁脚钢管按下倾角45°施做，锁脚锚管与钢拱架连结采用U形钢筋焊接。锚管施做完闭后注水泥浆液，注浆压力控制在0.3～0.5MPa以内，通过注浆使注浆区岩体不至受水整体软化。同时浆液充填围岩裂隙，将松散体固结成整体，以此来提高锁脚锚管的作用（见图2）。

图2 锁脚锚管布置图

（3）下台阶每次开挖进尺不得超过2榀，且应在喷射混凝土强度符合要求后施工，从而避免上台阶拱架悬空过多下沉变形而发生“掉拱”事故。同时将施工上台阶喷混凝土时回弹的虚碴凿除，牢固连接上下钢筋网片，保证上、下台阶处拱架的可靠连接。

3.炭质板岩隧道施工技术措施

（1）在炭质板岩地层进行隧道施工不但应加强支护、及时封闭、二次衬砌及时施作，施工中还应注意如下要点：

由于炭质板岩时间损伤效应作用下，具有持续时间长、变形量大的特点，初期支护应及时施作、一次到位，在变形量特别巨大的区段应二次施工初期支护，第一次初期支护应在开挖后及时进行，采用锚网喷+型钢钢架的形式支护，喷射混凝土厚度控制在20cm左右，基本控制围岩大部分变形；第二次施工应在大部分塑性变形应力释放及仰拱施工完毕后，岩体变形基本趋于稳定时，补打系统锚杆，钢筋网挂设及混凝土复喷，喷射混凝土厚度10cm，防止围岩及初期支护变形过大侵限。

（2）仰拱应及时施作，尽快将整个断面闭合成环，增强初期支护径向抗力，在部分变形量特别巨大的区段，应在上台阶底部增设临时仰拱钢架与拱架封闭成环，增加初期支护前期承载力。

（3）隧道富水地段，应对掌子面前方岩体进行超前注浆止水。用浆液挤出岩体裂隙一定范围内的水，固结破碎围岩，形成止水环，改变岩体裂隙水流向，确保掌子面前方3m范围内岩体无明显渗水，以防止拱顶大面积坍塌。

（4）加强炭质板岩段初期支护拱顶沉降及水平收敛的监测。加强炭质板岩段初期支护拱顶沉降及水平收敛的初期位移量及速率的监测，根据监测情况，掌握围岩岩体变化规律，结合二次衬砌施工的时间及空间，综合确定隧道施工中炭质板岩区段的预留变形量。经现场测定，炭质板岩段隧道变形量建议控制在20～50cm以内，在开挖时根据实际测出的预留变形量动态调整开挖轮廓尺寸，保证变形后不侵入二次衬砌空间。

4.炭质板岩段隧道变形加固措施

（1）炭质板岩段通监测，洞身拱顶沉降及水平收敛变形发展较快的区段，应及时安装临时钢支撑仰拱，形成初期支护临时封闭环，抵抗变形应力。方法为提前做好拱脚施工排水，人工交错挖出墙脚及仰拱沟槽，所施作得临时仰拱必须与初支拱架牢固连接。不得采用挖机全幅开挖仰拱，易造成拱脚悬空，本在围岩变形较大区段，非常容易出现隧道坍塌。还应沿洞身纵轴线方向在临时仰拱上加焊纵向连接，使底部支撑形成网格增加抵抗力，纵向链接可采用I16工字钢，按两侧各一根布置。

（2）在洞身收敛变形巨大的区段，初期支护出现开裂并超出位移极限时，还应安装临时水平横撑进行加固。临时横撑应加固在边墙，并沿洞身两侧分别并排安装2根I16工字钢，并将钢管两端支撑在工字钢上，横向钢管纵向布管间距不得超过2m。

（3）在变形量巨大的炭质板岩段施工，应在初期支护表面布置径向注浆锚管，间距1.5m×1.5m，加固初期支护背后破碎岩体。径向注浆锚管采用壁厚4mm的无缝钢管，无缝钢管规格为Φ42mm×4.5m，注浆锚管尾端采用Φ6钢筋焊加强箍一圈，防止施工时导管尾端变形而影响下序施工，注浆锚管前端制成封闭矢状，方便插入导管孔。注浆前应对原有喷射混凝土基面裂缝进行喷混凝土封闭处理。注浆材料为水灰比1：1的水泥浆，施工时根据实际地层情况、凝结时间要求及现场试验动态调整配合比。注浆压力不应大于0.5MPa，防止岩面被压裂；当孔口压力达到0.5MPa时结束注浆，不以注浆量为准。

（4）护拱加固：当采取上述所有措施后，洞身变形速率及变形量仍未得到有效控制时，并在再次支护也不会侵入二衬界限的条件下，在初期支护表面上，增设1层型钢拱架，进行第三次支护，强化支护强度。钢拱架可采用I20工字钢，按50cm间距布置，施作钢拱架前，应对原初期支护表面进行处理，使拱架与其紧贴，并施作锁脚锚杆固定，挂设Φ8钢筋网片，喷混凝土至钢架表面。以上所有加固措施均可根据实际变形情况和加固效果而进行一项或多项，直至达到预定效果。

六、施工效果

王格尔塘1#隧道炭质板岩段施工按照上述变形控制施工要点实施后，施工全程均顺利推进，无安全事故，达到了零事故的施工目标，综合施工进度也有明显提高，隧道炭质板岩段变形得到有效控制。大变形段通过采取临时支撑、临时仰拱型钢封闭、三次初期支护、加强锁脚锚杆与径向锚管注浆措施，变形量及变形速率均得到有效控制。

七、结语与建议

本文结合王格尔塘1#隧道炭质板岩地质段的施工，对炭质板岩岩体的特性进行了揭露，对炭质板岩地层隧道大变形控制施工要点和大变形处理措施进行了总结。炭质板岩段隧道施工应采取短进尺、强支护、及早封闭、二次衬砌及时施作、加大隧道预留变形量、径向锚管注浆、强化锁脚锚管、临时仰拱封闭成环、多次初期支护等多项措施，对大变形进行有效控制。保证安全即是保证有效施工进度，即是保证工期的关键。施工过程中应提前了解炭质板岩的特性、遇水遇空气岩体变形演化机理及岩体大变形发生的原因，及时采取工程实践中总结出的变形控制要点及措施，并加强现场施工组织管理和施工技术、质量的控制，确保炭质板岩围岩隧道施工中的大变形得到有效控制。