炭质泥岩隧道岩类力学性质分析及变形控制措施

梁靖 郑寰宇 廖翼强

摘要：广西贺巴高速公路永靖隧道为全Ⅴ级围岩，长690 m，以炭质泥岩、页岩、砂岩互层为主，流水量与降雨量成正比，掌子面围岩松散、易发生大面积坍塌。文章通过对炭质泥岩、煤岩、泥岩的物理力学性质进行对比分析，总结出永靖隧道炭质泥岩松散性、脆性、膨胀性的工程特殊性，并针对围岩的特殊性制定相应的施工技术措施，经过工程验证有效控制了隧道变形，取得良好效果。

关键词：炭质泥岩；脆性；膨胀性；力学性质；隧道变形

中图分类号：U456.3+1   文献标识码：A

女意编号：1673-4874（2024）04-0142-03

0 引言

炭质泥岩带有软岩的基本特性，强度低、孔隙大、易变性、易渗水，对隧道的安全和质量造成影响，这类岩石在隧道工程中应给予重视，采取针对性的技术措施。国内外学者对隧道变形控制进行了大量研究，钱蓉等［1］提出“围岩松动圈”理论；吴真玮等［2］在总结新奥法支护基础上，提出“联合支护技术”；向武松［3］提出“喷锚复合支护”，但隧道围岩大变形问题尚未列入设计规范，炭质泥岩围岩的变形机理仍然需要完善，隧道软岩及各类围岩的支护技术仍然需要研究。本文针对都安至巴马高速公路永靖隧道炭质泥岩全Ⅴ级围岩的工程特性，研究炭质泥岩岩性的特殊性，提出相应的变形控制措施。

1 工程概况

1.1 基本情况

广西贺州至巴马高速公路永靖隧道在大化瑶族自治县内，位于南亚热带季风气候区北部，年平均气温为18.2 ℃～21.7 ℃，年降雨量为1 249～1 637 mm。隧道所在位置为丘陵地貌，地形起伏较大，永靖隧道穿越相同山体，地面高程为240～350 m，山体表面总体较为平缓，最大埋深为126.8 m。根据钻探及工程地质测绘，隧道地层主要由第四系填筑土、残坡积层、三叠系中统百逢组地层组成，其中洞口段岩层以第四系填筑土、残坡积层为主，大部分为粉质黏土；洞身段岩层为三叠系中统百逢组，以中风化炭质泥岩、砂岩、页岩互层为主，呈深黑色，炭质页岩、砂岩与泥质胶结，层理和薄层构造，节理裂隙发育，岩芯染手、质软、破碎块夹碎粒状。隧道附近地表水较小，主要为溪流存在于地表上，降雨量对隧道水流量有显著影响，具有季节性。地下水类型分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，主要来源为大气降雨。

1.2 永靖隧道现场施工情况

对永靖隧道现场进行施工观察，隧道左洞进尺至160 m时掌子面围岩为炭质泥岩、砂岩、页岩互层，岩层变形量大、松散性强、沉降较大，有少量水从掌子面渗出，雨季流水量明显增多，易大面积垮塌，现场经过初喷混凝土26 cm后，7 d内累计变形量仍＞30 cm，初支多处出现开裂、掉块，由于岩层松散未采用爆破施工，现场采用“七步台阶预留核心土法”进行机械挖掘施工，严格控制安全步距。

现场施工发现钢拱架整体下沉量较大，根据现场监控量测数据信息显示，钢拱架在立拱和接拱的施工过程中拱顶沉降变形较大，尤其是在钢拱架接拱的位置（拱腰、拱脚），初期支护混凝土易开裂，当仰拱跟进后，拱顶的沉降量趋于稳定，而拱腰位置开始往隧道中线收敛的变形增加。

2 永靖隧道变形原因分析

2.1 岩层特性分析

许多学者研究认为，在工程当中炭质泥岩呈现出较松散、易坍塌的特性与煤岩脆性大、易破碎、易受压缩的特性相对应［4-6］；炭质泥岩的膨胀性与泥岩饱和状态下抗压强度较低、浸水易崩解软化等特性相对应［7-9］。

本文对永靖隧道炭质泥岩与煤岩、南宁泥岩、六盘水炭质泥岩的物理力学性质进行对比分析［9-12］，如图1、下页图2所示。

从图1、图2可以看出，4组岩类中，煤岩的密度最小，孔隙比最大，煤岩的粘聚力最小，内摩擦角最大，永靖隧道炭泥岩与六盘水炭质泥岩力学性质相近。

密度小说明煤岩的相对质量较小，这与煤岩中有机质炭含量较多有关；孔隙比大说明单位体积内的煤岩孔隙体积较大，土质较松散，容水量较多，水更容易渗透岩层，结构强度差，在隧道工程当中表现为围岩易垮塌、涌水；而泥岩在4组岩类当中密度最大，孔隙比最小。

煤岩粘聚力小说明煤岩土体的抗剪强度低，土体颗粒间的相互吸引力较小，而有机质炭的化学特性刚好相反，使得煤岩粘聚力较低，呈现出松散性和脆性。

而泥岩的内摩擦角是最小的，与泥岩高密度、低孔隙比、高粘聚力的力学特性相反，认为这与泥岩的膨胀性相关，泥岩的含水量对膨胀性影响较大，当土体含水量增加，土体膨胀较快，土颗粒间的摩擦力减小，内摩擦角减小。

永靖隧道炭质泥岩的物理力学性质介于煤岩和泥岩之间，在工程当中既具有煤岩特有的脆性和松散性，又具有泥岩特有的膨胀性，与许多学者研究的炭质泥岩性质类似，这类土质在隧道工程当中应该考虑其特殊性。

2.2 永靖隧道变形特性分析

根据“围岩松动圈理论”所提出的，隧道在开挖过程中，围岩的松动破坏是不可避免的，在围岩外部会形成围岩松动圈、塑性区、弹性区（图3），隧道在掘进过程中如何防止松动圈的破坏是隧道支护的关键。

隧道施工中通过支护结构的闭合，支护结构周边形成了稳定的拱支护，避免拱腰、拱脚处失稳导致围岩松动圈土体失稳。随着围岩土体变形逐步稳定，钢拱支护与松动圈、塑性区整体协调趋向一致，使松动圈围岩的碎胀力分散到支护的表面，让隧道支护形成“拱”效应并让支护整体受力。

根据隧道现场施工情况得知，钢拱架整体的下沉量较大，隧道初支变形最大的部位在钢拱架拱腰和拱脚的位置，也是钢拱架连接部位。由前文分析可知：炭质泥岩的脆性和松散性使得隧道支护表面受力不均匀，无法形成支护拱效应，在支护结构强度最薄弱的位置（拱腰、拱脚）处体现出来，而炭质泥岩膨胀性在雨季围岩渗水时表现出来，使得支护结构周围围岩整体强度下降，当仰拱施工完成后，隧道支护结构闭环，钢拱架整体沉降量变小，而在原先最薄弱位置持续发生变形。

通过分析可能存在以下几点原因：钢拱架整体强度不足、钢拱架连接处强度不足、连接处锁脚钢管强度不满足或施工质量差、围岩渗水变形。

3 永靖隧道变形控制措施及结果分析

3.1 变形控制措施

通过以上变形原因分析，现场提出了3种变形控制措施（图4）：

（1）将原钢拱架Ⅰ20工字钢更换为Ⅰ22工字钢，施作5 m纵向进尺。

（2）将原钢拱架纵向间距75 cm更改为50 cm，施作5 m纵向进尺。

（3）将原拱腰及拱脚锁脚钢管350 cm更改为600 cm，每处根数由原来2根增加为4根，施作5 m纵向进尺。

在采用上述3种施工方法对永靖隧道左右洞分别进行分段施工，分别对比整体隧道变形情况，并在采用上述方法施工同时及时排出洞内积水，防止水浸泡隧道拱腰和拱脚位置，并将原中空注浆锚杆更改为自进式锚杆，在拱脚、拱腰位置开挖后及时连接钢拱架，缩短钢拱架支护闭环时间，加强监控量测，增加监控点，及时收集变形数据，随时做好安全防范措施。在开挖过程中，左洞仰拱施作位置超前于右洞掌子面位置，且≥30 m，拉大左右洞掌子面和仰拱的施工间距，减少岩层的相互干扰。

3种变形控制措施监测结果对比如下页图5、图6所示。

3.2 结果分析

由图5、图6可知，加强锁脚与缩短工字钢拱架纵向间距后沉降量下降趋势明显，而增加工字钢尺寸对隧道整体沉降量的影响较小，学者分析原因如下：Ⅰ22工字钢强度虽然提高了支护的整体强度但并未解决隧道支护薄弱位置（拱腰、拱脚）的变形控制，总体变形量较大；缩短工字钢间距虽未对拱腰拱脚加固，但大大提高了支护结构的整体强度，使得总体变形量较小，但是此方法增加成本较多，不够经济；增加隧道拱腰和拱脚处缩脚钢管数量和长度，对支护薄弱位置针对性加强有效减小了变形量，此方法较工字钢方法成本可控。

在采用上述方法的同时，及时地排出隧道洞内积水，减少了炭质泥岩发生膨胀变形的可能，对隧道整体变形控制有显著提升；同时采用自进式锚杆的优势省去了钻孔的过程，避免了锚杆在钻孔的过程中围岩垮塌的问题；施工现场及时接拱提前支护闭环对隧道整体变形控制起到了辅助作用。

永靖隧道现场采用了加强锁脚方案及辅助措施后，拱顶每天的沉降量呈下降趋势，拱腰每天的变形量相对加强锁脚前减小，加强锁脚对永靖炭质泥岩隧道变形量控制效果明显。

采取以上措施后永靖隧道变形量减少，30 d累计变形量＜15 cm，解决了永靖隧道施工安全、质量、进度等问题。

4 结语

由于隧道中炭质泥岩地质条件所引起的围岩强度低和地质条件复杂等因素，隧道施工中易产生较大变形，为隧道工程施工所带来的安全和质量隐患一直以来都是工程界研究的重点和难题，本文通过对广西贺巴高速永靖隧道的现场施工和炭质泥岩的岩性进行研究得出以下结论：

（1）炭质泥岩的物理力学性质介于煤岩和泥岩之间，既具有煤岩松散性和脆性，又具有泥岩的膨胀性，岩性较复杂，施工时应进行专门的技术研究，确定炭质泥岩类型和工程地质条件，制定可行性技术方案。

（2）炭质泥岩变形产生的主要原因是有机质炭含量较多而导致的，岩土体强度低、松散性强、孔隙比大、易渗水，隧道变形控制方法应结合实际工程地质条件。

（3）炭质泥岩中一般含有蒙脱石矿物，遇水易膨胀，施工时应充分考虑围岩膨胀性特点，采用加强支护和疏导相结合的办法，不宜强堵水源。

（4）针对永靖炭质泥岩大变形隧道，采用加长加强拱腰锁脚的方法，与及时排水、自进式锚杆等措施相结合，变形控制效果较好。

参考文献

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作者简介：梁 靖（1991—），硕士，工程师，主要从事施工安全风险评估、隧道工程管理工作。