碳质页岩隧道开挖支护施工技术浅析

职义楷

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710024）

0 引言

碳质页岩因为含有大量分散的炭化有机质组分而显黑色，岩石较松软，属于黏土岩，具有页理构造，泥质结构，页理发育，性脆。由于岩层松软，层间摩阻力小，故碳质页岩隧道容易发生溜塌及大变形。铁路隧道施工过程中遇到此种碳质页岩时，因碳质页岩时常夹杂砂岩，较难判断各岩层间碳质页岩方位及岩层分布。经过长时间的探索，人们总结出一种有效的隧道开挖支护技术，解决了碳质页岩施工中的这种难题。本文结合弥蒙铁路中南洞隧道工程对碳质页岩隧道开挖与支护施工技术进行分析。

1 工程概况

弥蒙铁路位于云南省红河开远市境内，其中MMZQ-Ⅲ标段南洞隧道为双线隧道。隧址属构造剥蚀低中山地貌，埋深0～102m，地层岩性多为碳质页岩夹杂砂岩，岩体破碎，多呈薄片状，岩质较软，易风化剥落，节理裂隙发育。项目存在隧道浅埋、极易掉块坍塌等问题。

2 隧道开挖支护施工方案及工艺流程

2.1 总体施工方案

针对碳质页岩段落在掌子面施作超前水平钻，打设加深炮孔和做超前地质预报，若围岩富含大量碳质页岩则调整施工方法：采用三台阶七步开挖预留核心土方法施工，爆破作业，钻爆开挖时周边眼只打眼不装药，辅助眼多打孔少装药弱爆破短进尺，核心土留置。爆破出渣后，带有松土器的挖机对欠挖部分进行整修，开挖轮廓整修完成后，采用湿喷工艺先初喷C25 混凝土封闭掌子面，然后安装钢架；钢架安装完成后打设双排锁脚锁定拱脚，同时扩大拱脚，设置拱脚纵梁；在钢架上方施作双层超前小导管，施作上层超前小导管并注浆，待浆液凝固后在开挖面外形成整体稳固围岩，施作内层超前小导管（不注浆）用于切割围岩，下台阶拱脚纵梁设置临时横撑，离拱脚2m 处，挖排水沟，在仰拱开挖面前埋设集水井抽排积水；加强围岩量测，实时掌控围岩形变数据；仰拱开挖支护，浇筑仰拱及填充混凝土；二衬施工加固。

2.2 施工工艺流程

因掌子面及拱部夹杂碳质页岩，确定其施工流程如下：超前钻探及超前地质预报→有害气体监测→判定开挖方法→开挖出渣→根据岩性判定支护方法→初期支护→纵梁设置→围岩量测→仰拱施工→二衬施工。只有对流程中各个环节施工方法有正确的把握和科学的实施，才能确保工程进度和质量。

3 施工技术要点

3.1 超前钻探地质预报及施工方法确定

结合本隧道的地质水文条件，采用TSP、超前地质雷达、瞬变电磁法、超前水平钻探、加深炮孔的方式进行超前地质预报。由于TSP 是利用地震波在不同地质构造中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围邻近区域地质状况，超前水平钻和加深炮孔又能直观地验证掌子面前方及周边是否存在夹层、岩层是否存在突变状况，这种组合方式可以做到长短距离预报相结合。

根据TSP结果判定掌子面前方围岩岩体破碎，节理发育，围岩判为Ⅳ、Ⅴ级，加深炮孔用7m长的钻杆，对拱部进行钻探，若钻渣为黑色粉状，且钻进速度较快，钻孔塌孔，不成形，则开挖碳质页岩层中有粉砾夹层，则采用双层超前小导管支护，三台阶七步预留核心土法，下台阶扩大拱脚增设纵梁横撑的方法施工[1]。

3.2 初期支护

由于碳质页岩层间摩阻系数小，层间易滑动溜塌，出现大变形，当变形量很大且持续时间长，会产生持续不断的破坏，深入围岩内部则会对隧道衬砌产生极大的形变压力，破坏衬砌结构。因此，对于此种围岩，支护需要解决的首要问题是如何处理形变压力，这就要求支护具有柔性和足够的韧性。碳质页岩采用锚喷支护方式。

锚喷支护具有灵活性、及时性、密贴性、深入性、柔性、封闭性等特点。其中锚杆有支撑围岩、加固围岩、提高层间摩阻力，形成组合梁作用；喷射混凝土有支撑围岩、覆盖围岩表面减缓风化、阻止围岩松动、分配外力的作用；钢拱架有加强限制围岩变形、作为超前支护后支点、承受部分松弛荷载作用。锚喷支护是碳质页岩这种不稳定、变化快及容易大变形的围岩开展支护的主要措施。

3.2.1 超前支护

以往隧道设计的超前支护有洞身管棚、超前小导管等。碳质页岩隧道采用双层超前小导管（见图1所示）这种灵活的支护方式，其中上层超前小导管采用钢花管，下层超前小导管采用未钻孔的无缝钢管。管棚施工需要靠近掌子面处留置作业平台，同时钻孔、下管跟管比较慢，而采用双层超前小导管，钢管中心环形间距为15cm，上层小导管与下层小导管交错安装，上层超前小导管与隧道前进方向成15°～20°夹角，下层小导管与隧道纵向夹角为5°～10°，上层小导管打设位置钢架割孔为椭圆形，方便抬高角度，下层小导管钢架割孔为圆形，满足外插角比开挖轮廓稍大即可；双层小导管的处理有不同，上层小导管打设完成后注1∶1水泥浆处理，起到固结岩体，形成纵梁的作用，而下层小导管需要提前灌水泥浆，待浆液凝固后打设进岩体，起到切割围岩作用，上下两层超前小导管起协同支护作用，既能加固稳定围岩，又能减少对围岩的破坏。

今年云南省局部地区，在授粉阶段成片发生高温热害，造成缺粒减产，产量可能降低30%-50%。主要原因是开花抽丝期间，当温度高于32-35℃，空气湿度低于30%，田间水量低于70%，雄穗开花的时间会显著缩短。因高温干旱，花粉粒在1-2 h内失水干枯，丧失发芽能力，花丝延期抽出，造成花期不遇；或花丝过早枯萎，严重影响授粉结实，形成秃尖、缺粒，产量降低。如能及时浇水，改善田间小气候，可减轻高温干旱的影响。

图1 双层超前小导管示意图

在超前小导管钻孔过程中，要做好钻孔记录，及时分析钻进速度和渣样，判断开挖断面周围的岩性，根据岩性对支护方式进行合理调整。若钻进速度很快，且钻渣不成形为粉状，或是超前小导管可以不钻孔就能采用风枪推进去，则岩体周围有松散碳质页岩堆积体，要特别处理，同时加强监控量测，否则容易引起溜塌。由于超前小导管长度较长，钻孔及人工推进难度较大，可采用单臂凿岩台车配合施工超前小导管，单臂凿岩台车先行钻孔，人工配合推进超前小导管可大大降低施工难度。

3.2.2 钢拱架、网片安装与纵梁施工

按设计要求安装钢拱架，注意控制钢架间距、垂直度、精度，网片安装注意搭接长度和网片间的连接质量。由于碳质页岩岩层容易发生滑动，引起大变形，锁脚和拱脚施工尤为关键。

（1）锁脚安装。锁脚锚管与钢架的连接方式，设计上是用L型卡扣，但实际施工过程中由于工人的焊接水平和承受拉力影响，很容易把焊接部位拉裂，采用钢架上焊接三排带孔钢板，打设锁脚从钢板割孔处穿进去（如图2所示）。

图2 钢拱架锁脚连接钢板

（2）上台阶、中台阶拱脚处理。拱脚处支垫槽钢，相连钢架的支垫槽钢采用高强螺栓连接，另外开挖时扩大拱脚，形成60cm×60cm的临空面喷射混凝土后，在拱脚处形成纵梁，加大承载力。

（3）下台阶钢架安装。由于下台阶钢架需要和仰拱钢架连接，连接前还要剥离连接板处的喷射混凝土，这期间由于钢架拱脚支撑力不足，容易发生较大沉降，钢架下方支垫凹型混凝土预制块，拱脚坐于槽内，连接板处包裹水溶性保护壳，安装仰拱前只需喷淋洒水即可使连接板处保护层溶解，拱脚扩大形成纵梁，锁脚连接亦采用套接钢板。

3.2.3 锚杆施工

3.3 开挖工法

碳质页岩岩质较松软，只有拱脚部位需要弱爆破开挖或是机械开挖；由于内层超前小导管已经将岩体切割，采用挖掘机机械挖斗和松土器开挖即可，但由于碳质页岩层间摩阻系数小和松软夹层比较多，掌子面经常因支撑力不足容易溜塌，需要减小临空面，所以遇到碳质页岩一定要预留核心土，采用三台阶七步法开挖（见图3所示）。目前此工法在应对软弱围岩时候经常使用，但施工时需特别注意核心土的预留，核心土高度离开挖轮廓1.3～1.5m，长度为4～6m，由于核心土的存在，上台阶立架时设计锁脚长度为4.5m，很难施工，实际施工过程中先打两排4根3m长锁脚，中台阶开挖前核心土位置不影响锁脚施作时重新按设计长度补打锁脚，锁脚从钢架上焊接的带孔钢板内穿过并焊接。同时注意左右台阶开挖需要错开3榀以上，由于岩体容易发生溜塌造成拱脚对称悬空。严格控制台阶长度，及时跟进仰拱，使初支封闭成环。

图3 三台阶七步开挖法效果图

实际施工组织过程中，应坚持开挖后立即初喷封闭掌子面，注意时间点的把控，可以在开始开挖时就通知拌合站生产混凝土，待洞内各台阶开挖完成后，修好通往掌子面便道，混凝土即到现场，喷锚机械手立即封闭掌子面，每次厚度不大于5cm；新岩体暴露时间约为10～15min，拱部及掌子面喷射混凝土封闭层厚度控制在13cm 左右，边墙部位封闭层喷射混凝土控制在8cm 左右，局部围岩极差部位喷层厚度15cm左右，可有效解决掉块问题。封闭完成后，初支混凝土等强过程中再进行出渣，准备钢架等后续工作。

富水地段要严格排水，不得浸泡拱脚。拱部出水点，用初支混凝土内隐蔽盲管环向引排至离下台阶拱脚1.5m处的临时排水沟内。同时在仰拱开挖面前挖坑埋设钢板焊制的集水井，做好积水抽排，保持拱脚和地面的干燥。

开挖支护预留量的选取，根据该处工点隧道实际施工数据统计，最大沉降量为60cm左右，碳质页岩开挖时一定要做好围岩量测工作，及时统计好沉降数据，特别是最大沉降量以及沉降稳定时长，为开挖支护的预留量选取提供数据支持。

3.4 仰拱、二衬施工

3.4.1 仰拱施工

由于隧道施工配置了智能化装置，大多采用液压栈桥，但是由于栈桥长度较长，另外软弱围岩隧道仰拱每循环开挖进尺为3m，此时液压仰拱栈桥又成了不利因素；在碳质页岩隧道施工过程中，配置临时仰拱栈桥，再用42＃工字钢焊接制作，长度为8m，方便施工仰拱初支，及时与洞身钢架形成封闭成环的初期支护系统。待仰拱初支施工完成后，用洞渣回填，仰拱衬砌施工时采用仰拱液压栈桥装置，方便每板12m的仰拱施作。

3.4.2 二衬施工

碳质页岩隧道衬砌施工须待初支收敛变形稳定后方可进行，同时配备智能化布料系统的衬砌台车，解决分层浇筑反复拆泵管、接泵管的麻烦。台车端头采用定型组合钢端模（带环向中埋式止水带固定夹具），台车拱顶每次浇筑前安装压力传感带，带有径向预埋PRC注浆管与拱顶带模注浆技术及注制浆一体机，浇筑二衬混凝土后压力传感带显示红灯即为衬砌混凝土压力不足，即进行带模注浆，解决衬砌后背空洞问题。具体施工方法参照《双线隧道辅助施工措施及施工方法》（弥蒙施隧附07）[3]，在此不做赘述。

4 结束语

弥蒙铁路南洞隧道开挖与支护施工过程中，运用三台阶预留核心土法进行开挖、采用拱脚纵梁加固法进行支护的施工方法，重点做好核心土的留取、超前支护、初喷封闭、拱架锁定、封闭成环、调整预留量、做好排水等要点工作，经过反复施工实践论证，单次开挖1榀钢架的情况下每天可保证1.8m 左右的施工进度，解决了碳质页岩隧道施工易发生溜塌和沉降的难题，保证了工程进度。