千枚巖軟巖隧道施工技術研究

李筆全

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400707)

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千枚巖軟巖隧道施工技術研究

李筆全

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400707)

為探索適宜千枚巖軟巖隧道的施工方法，文章以該地層的紅石河隧道開挖為依托，采取數值模擬方法，研究了隧道在四種不同工法下的變形、圍巖-初期支護壓力的變化規律。研究表明：三臺階預留核心土法施工既可抑制圍巖變形，減小作用至襯砌的形變壓力，又可提供穩定的支護力，適合千枚巖地層軟巖隧道施工。

千枚巖； 軟巖隧道； 數值模擬； 施工工法

軟巖隧道在施工中可能遇到諸如斷面縮小、襯砌裂損、拱架扭曲等變形破壞病害[1-2]，其中破碎千枚巖隧道的掘進更是軟巖隧道施工的典型，該地層受巖體軟弱破碎、遇水軟化等特征的影響，隧道施工期間圍巖及結構的穩定較差。本文以十天高速安康東段紅石河千枚巖隧道四種施工工法為依托，采取數值模擬方法，探索了適宜千枚巖隧道的施工方法。根據紅石河隧道的施工經驗，總結了千枚巖軟巖隧道施工規律。

1 工程概況

十天高速安康東段紅石河隧道位于大坪鄉寬坪村五組正西方向，穿越迎新村三組山梁，到達店子溝，為雙洞分離式隧道。隧道呈曲線型展布，全長2.6 km，圍巖以IV和V為主，深埋段則以千枚巖為主，并與云母片巖、板巖和石英巖脈共生，洞身穿越多條斷層破碎帶。

本隧道內開挖呈現的千枚巖為黑色至深灰色，千枚狀構造，顯微鱗片變晶結構，含水量大時呈團塊狀，含水量少時為鱗片狀，片理面手感光滑，有絲絹光澤。隧道地下水位高于洞線，區內地下水為無色、透明、無臭、無味，地下水對混凝土無腐蝕性。隧址區地下水以基巖裂隙潛層水為主，主要由大氣降水為主直接補給，以泉水或滲流方式排向河溝。隧道涌水量左線為5 619.5 m3/d、右線為6 202.7 m3/d。

2 富水千枚巖隧道常見災害

隧道開挖使千枚巖原有受力平衡遭到破壞，含水量發生改變，巖石節理面錯動擠壓導致軟化、泥化形成滑動面，造成失穩，失去自承能力，最終導致塌方、冒頂、涌泥涌砂等隧道地質災害。

在富水隧道排水不暢特別是反坡情況下，千枚巖會迅速泥化并不斷發展。在已經施做完初支的富水千枚巖隧道，裂隙水由初支外側下落至拱腳，使拱腳處千枚巖含水量大大增加，千枚巖出現軟化、泥化，進而使初支對圍巖變形的約束大大消弱，甚至失效。

由于富水千枚巖隧道開挖面的不平整、千枚巖失水的時間、強度不均勻，使得千枚巖的塑性也具有不均勻性，產生擠入式變形，從而對初支拱架產生側向應力，使拱架出現扭曲側移，喪失部分支護能力，從而使千枚巖的變形和塑性區進一步擴大，直至破壞初支，出現各種病害。

3 富水千枚巖隧道施工方法優選

為探索適宜千枚巖紅石河隧道的施工方法，采用 ANSYS 軟件對隧道采用三臺階預留核心土法(工法一)、雙側壁導坑法(工法二)、三臺階臨時仰拱法(工法三)、三臺階七步開挖法(工法四)共四種工法進行數值模擬[3-4]，通過各工況開挖后隧道變形、支護受力的詳細比較，得出優選工法。

模型寬度方向由隧道中線向兩側各延伸50 m，高度方向取仰拱底部以下50 m，拱頂以上取實際埋深85 m、縱向取 70 m 作為數值計算范圍。部分有限元模型如圖1所示。

圖1 三維數值計算模型

3.1 不同工法下隧道變形分析

不同工法下各特征點變形累計值如表1所示。各工法變形量最終其計算值表現為工法三>工法一>工法四>工法二，均滿足位移控制要求。

表1 各特征點位移最終計算值 mm

拱頂下沉最不利狀態均處于上臺階開挖階段(工法二時為中間部位上臺階)。其中工法一與工法四拱頂沉降快速增長階段均為上臺階開挖前3 m至開挖后4 m；工法二時為中間部分上臺階開挖前2 m至開挖后4 m；工法三時為上臺階開挖前4 m至開挖后6 m。

工法三對掌子面前方圍巖擾動較大，加之開挖后變形收斂緩慢，掌子面穩定性弱于其余工法。相比之下，由于工法二采用剛性分隔，工法一與工法四留設有核心土，易保證掌子面穩定，開挖后圍巖變形能很快收斂。因此，工法一、工法二、工法四對圍巖變形的約束效果要優于工法三。

3.2 不同工法下初期支護受力分析

圖2給出了四種工法下隧道貫通后初期支護最小主應力。從圖中可以看出，各工法初期支護壓應力最大值均位于拱腳附近，邊墻至拱腰部次之，仰拱處最小。

圖2 不同工法初期支護最小主應力云圖(單位：MPa)

從數值上來看，工法二、工法三初期支護壓力值約為工法一、工法四的2倍，前兩種工法應力值分別為11.0 MPa、13.3 MPa，后兩種工法分別為6.2 MPa、5.4 MPa。以C20混凝土軸心抗壓強度標準值13.4 MPa作為評判標準可知，工法二、工法三的初期支護已經接近承載能力極限值，此時應提高初期支護的設計參數值，確保施工安全；工法一、工法四則因具有較大的安全儲備。

上述現象的原因在于：工法二、工法三均在施工時預先施作強度及剛度大的臨時支護體系，該臨時支護作為重要承載結構在維護隧道穩定的同時勢必承受較大的圍巖應力，當拆除臨時支護后，原來作用在臨時支護上的荷載必將轉移至隧道初期支護體系，從而使得襯砌所受應力增大。因此，工法二、工法三施工雖可有效抑制圍巖位移，但其是以支護承受較大形變壓力為代價，此時加強支護特別是臨時支護，才是保證施工安全穩定的首要任務。而工法一、工法四首要考慮的是圍巖自身的穩定，將圍巖作為支護結構的組成部分，雖然隧道變形有所增大，但變形使得圍巖應力得到有效釋放，對于支護結構受力來說，襯砌更加安全。

4 工法優選探討分析

工法一～工法四均可適用于千枚巖地層的隧道開挖，其中工法二、工法三采取臨時支護措施，保障了開挖面的安全和穩定，但這兩種工法施工難度大、工期長、造價高。工法一、工法四不僅能達到安全控制要求，且其施工難度較低、工期短、造價低，為優選工法。

軟巖隧道施工時應盡量減少開挖對圍巖的擾動次數，預留合適的作業空問，保證支護結構及早封閉成環。工法四在工法一基礎上進一步細化開挖步驟，致使該法施工時圍巖擾動次數增多，作業空間減小，同時在遇到破碎軟巖需要及時封閉時，工法四因多次擾動拱腳致使初期支護不易滿足及時封閉成環的要求，故該法不為最優。

相比而言，工法一在一個施工循環進尺內，累計擾動圍巖4次，但其在上臺階弧形土體開挖完畢后就及時進行初期支護，初期支護施作時問的縮短在一定程度上抑制了圍巖的變形發展。同時，因開挖臨空面的大小適宜，每一步開挖后開挖輪廓面較易形成拱效應，當應力路徑減短且圍巖應力釋放產生的二次應力傳遞至下方時，都有由未開挖巖體與支護結構組成的三維空間支護效應對隧道變形進行約束，從而保證隧道穩定，故工法一為最優。

5 軟巖隧道施工工法規律

根據紅石河隧道采用工法一施工的經驗，千枚巖軟巖隧道的施工可以總結如下：

(1)開挖前及時做好地質超前預報工作。

(2)對于每分步開挖采取弱爆破的方式進行，必要時應采用機械開挖的方式以減少對圍巖的破壞擾動。

(3)隧道開挖與支護是相互配合的施工循環，保證開挖后支護體系及時跟進的同時，支護參數的選取及施作時機也至關重要。根據紅石河隧道的掘進經驗，軟巖隧道開挖與支護的配合可表述為：①開挖前選取合理的加固手段進行超前預支護；②開挖時首先采用人工風鎬并配合機械沿掌了面由上至下開挖上弧導坑并預留核心土，開挖完成后沿洞壁鋪掛鋼筋網并初噴5 cm厚混凝土以封閉作業面，待出渣完畢后按一定順序完成上弧形導坑支護。③上、中、下導坑的開挖與上述相同，但要保證同一斷面處暴露的開挖面位于相同一側；拉槽長度(3～5 m)、馬口平臺寬度(2～3 m)應適宜；對每分步開挖的重要環節如接腿及落底等提出明確的要求。④根據紅石河隧道開挖后洞室變形及結構受力穩定情況，二襯施作大約在初期支護完成后3星期較為合理。

(4)下臺階核心土挖除后，及時置入鎖腳錨桿并施作仰拱混凝土，在保證初期支護及時封閉成環的同時，開挖中布設的監測點應按一定的頻率及時量測。

6 結論

通過十天高速安康東段千枚巖軟巖紅石河隧道數值模擬，探索了適用于富水千枚巖隧道的施工工法，主要結論如下：

(1)采用三臺階預留核心土法既可抑制圍巖變形，減小作用至襯砌的形變壓力，又可提供穩定的支護力，故確定為隧道優選施工工法。

(2)軟巖隧道的施工應及時做好超前地質預報，開挖過程中減少擾動，開挖后及時進行支護，做好封閉，施工過程中做好監測，以保證施工安全。

[1] 張德華，劉士海，任少強. 基于圍巖-支護特征理論的高地應力軟巖隧道初期支護選型研究[J].土木工程學報，2015，48(1)：139-147.

[2] 張志強，關寶樹.軟弱圍巖隧道在高地應力條件下的變形規律研究[J].巖土工程學報，2000，22(6)：696-700.

[3] 朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[4] 關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

李筆全(1984～),男,本科,工程師，從事施工技術及管理工作。

U455.49

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[定稿日期]2016-12-20