炭質板巖地層隧道施工要點及變形防治措施探討

傅璇

炭質板巖地層隧道施工要點及變形防治措施探討

傅璇

一、工程概況

蒼稼嶺隧道位于湖南省邵陽市洞口縣境內，進出口分別位于月溪鄉大涼山村和長塘鄉長塘村，是懷邵衡鐵路控制性工程之一，隧道設計為單洞雙線隧道，全長7976m，最大埋深為540m。隧道進口里程為DK76+343，出口里程為DK84+319。該隧道設計一座斗山沖斜井，長1437m，雙車道施工，出口橫洞一座，長330m。蒼稼嶺隧道屬I級風險隧道，地質各系、組接觸帶交叉頻繁，發育多條斷層，有頁巖氣、高地應力、斷層破碎帶等不良地質。另外，隧址區地表水和地下水具有酸性侵蝕和氯鹽侵蝕性，成為懷邵衡鐵路全線中的施工重點、難點工程。

二、炭質板隧道施工中存在的問題

1.存在的問題

炭質板巖地從外觀上看一般以灰褐色和黑褐色為主，構造為薄-中層狀，重結晶不明顯，主要由泥質、砂質、炭質、鈣質等成分構成，炭質板巖地含有石英細顆粒，遇水后容易軟化，炭質板巖地是區域變質作用的低級產物，均向壓力和溫度都不是很高，主要受到應力作用的影響。Ⅳ級是軟石，堅固系數1.0～1.5，Ⅲ級是硬土,堅固系數為0.81～1.0。板巖的力學特征和其結構面的破壞有著直接關系，比如板巖結構面受力之后，極易發生順層理面滑移和剪切破壞等現象，進而導致炭質板巖容易浸水，一般情況下，浸水軟化后強度會降低50%左右。另外, 蒼稼嶺隧道存在游離頁巖氣，其是一種非常規天然氣資源，賦存于有機質泥質頁巖及其夾層中，以吸附及游離狀態為主要存在方式，成分以甲烷（CH4）為主（占比85%以上）附帶少量的乙烷(C2H6)、丙烷丁烷(C3H8)，外觀特征無色無味，與空氣混合臨界點9.1%時極易產生爆炸。成因以生物作用，瀝青裂解及綜合幾方面因素。

在板巖地層隧道爆破作業結束后，掌子面成型鋸齒狀明顯。隨著巖體在空氣中暴露時間的變長，風化使得隧道的開挖面巖體出現掉塊的情況，進而導致坍塌。在坍塌附近若富含裂隙水，會使得坍塌規模變大，坍塌情況加劇，造成施工中掌子面輪廓線成形差。在隧道開挖過程中，炭質板巖不能與水接觸浸泡，如果長時間遇水，會導致圍巖出現膨脹軟化呈泥糊狀的現象，使其強度大幅度降低。在有水地帶進行開挖作業，容易使圍巖掉塊的情況持續變長，隨著掉塊的增加會導致隧道頂部的圍巖出現更大的松動范圍，會造成掌子面及其周邊產生大規模的塌方。

2.原因分析

根據爆破的巖層可以看出，炭質板巖一般為0～30cm的薄層狀，圍巖破碎，節理發育。在隧道爆破作業后，巖體的應力重新分布，從而形成松動圈，降低了巖體阻力；另外，在重力和地應力的相互作用下，會出現開挖面表層巖塊掉落的情況，巖塊的下落會使得巖體的應力再次重新分布，形成松動圈繼續擴大的趨勢，最終引發大的塌落。直到巖體整體的應力重新達到平衡，坍塌掉塊才會停止，圍巖巖層應力會重新處于穩定狀態。

炭質板巖的巖性為軟質巖，主要構成成分包括鈣質以及石英細粒和炭質等。遇水后會使其整體強度大幅度下降，從而對其穩定性產生影響，導致整個巖面出現坍塌的情況。炭質板巖在高地應力的作用下，會導致變形持續的時間增長，變形量增多。

三、炭質板巖地層隧道施工要點及大變形防治措施

1.隧道施工要點

在對炭質板巖地層隧道施工的過程中，為了能夠更好地降低安全風險，使施工作業安全得到保證，應注意對隧道開挖、支護等施工要點進行掌握。

第一，隧道開挖階段的施工要點包括施工前和施工中兩大部分。施工前期對拱部進行超前小導管支護作業，采用直徑為Φ42*3.5mm的超前小導管，為拱部巖體提供向上的支撐作用，并進行注漿將巖體內裂隙充填固結，進而減少爆破作業后巖體掉落的情況，同時也避免松動圈擴大趨勢等。隧道開挖采用的是三步臺階法開挖和光面爆破工藝，這種方法工藝能盡可能地降低爆破作業時對周邊巖體的擾動，從而增強巖體結構本身的承重力和自穩定性能；此外，加強對頁巖氣層的超前地質預測預報、頁巖氣濃度監測等，避免因頁巖氣積聚而引起重大災害，保障隧道施工安全。

第二，隧道支護施工要點。隧道初期支護作業是在隧道開挖結束后進行的，采用型鋼鋼架與鋼筋網噴射混凝土支護方式。支護是使還未被整體破壞的巖體得到徑向抗力，并將局部應力狀態進行轉化至拱架，進而增加巖體的承重能力。

第三，受高地應力影響的炭質板巖地層隧道施工，與普通的隧道施工存在不同，其施工要點如下：

（1）受高地應力的影響，炭質板巖存在變形量大、持續時間長等特點。在隧道開挖后，采用型鋼鋼架與鋼筋網錨噴的支護方式，其中初噴層的厚度為5cm；巖層應力釋放達到平衡狀態，當隧道變形速率降低后進行復噴，復噴厚度保持在20cm以上。

（2）為了對個別變形較大的地段，提高其支護承重能力，應采用在上臺階底部設臨時鋼拱架封閉成環受力的方式，使變形得到盡早控制和對下一工序施工提供安全保證。

（3）對于洞身富水的地帶，在掌子面前的巖體處，施做止漿墻，采取超前周邊注漿止水的方式，將基巖裂隙的水徑流方向加以改變，從而使掌子面的前方巖體的10～30m范圍內無水，有效地避免了炭質板巖遇水及擾動軟化成泥，引發大面積坍塌現象的發生。

（4）加強對開挖初期隧道變形速度和位移的監控量測，將量測結果及時反饋到相關負責人。及時分析并采取措施，掌握巖體的變化規律，進而確定炭質板巖的預留變形量空間，指導掌子面施工。炭質板巖地層隧道的變形量通常在10～40cm之間，開挖作業時按照實際測量的預留情況適量放大開挖斷面的尺寸，避免隧道支護變形后侵限，后期換拱安全風險極大。

（5）隧道斷面優化要點。對于隧道變形較大的地帶，采用圓弧形的臨時仰拱支護形式，解決上臺階支護結構受力較大、變形不均勻的問題，將變形盡可能地縮小，從而避免風險事故的發生。

2.變形防治措施

（1）初期支護及加固

在洞身變形控制中，變形較大的地段需要臺階底部挖出仰拱溝槽和墻角，在這基礎上增設臨時仰拱，期間嚴禁使用機械對全幅仰拱拆除，否則容易使墻腳懸空并引發隧道塌方，對炭質板巖進行加固時，需要沿著洞身的縱軸線方向進行連接筋加固，并噴射混凝土封閉，使底部支撐形成網格狀分散受力。

當洞身的變形速率過大使得其變形超出限值位移時，就會導致支護施工的表層出現崩殼、開裂等情況，這就需要采用豎向支撐臨時加固方式，在臨時仰拱左右拱腰部位進行豎向加固，加固使用的材料首選鋼管，豎向受力較工字鋼好。

（2）徑向小導管注漿加固

在變形階段的初期支護表面，在拱部呈梅花形設置小導管注漿，使其加固初期支護背后松散巖層，形成巖體加固圈。在對其注漿前需用噴混凝土將巖體裂縫進行封閉。然后自下而上進行隔孔注漿作業，當注漿壓力達到0.5MPa或出漿量緩慢時，停止注漿施工。

（3）長錨桿加固

在注漿結束后，在沿拱墻范圍呈梅花狀布置補打長度不小于5m的中空錨桿，并進行注漿固結。

四、結語

綜上所述，根據對懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道施工中，高地應力炭質板巖變形的問題及成因進行分析。炭質板巖大變形的主要原因是開挖施工中，巖層應力重新分布影響了原地層結構的穩定性，進而產生變形。文章對炭質板巖地層隧道的變形采取強支護、拱部導管徑向注漿、長錨桿加固等措施，達到對板巖地層變形控制的目的。但是，我們應在炭質板巖變形防治方面進行更深入的探索、實踐，為今后類似隧道炭質板巖地層隧道變形提供更科學、更合理的技術參考。

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