炭質頁巖隧道大變形綜合控制技術研究

田 文 平

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著我國交通運輸事業的快速發展，交通隧道的建設開始進入各類地質條件復雜的區域，為隧道的修建帶來了許多困難。當在軟弱圍巖中修建隧道時，大變形問題是困擾工程人員的一類常見問題[1]。

西安—成都鐵路客運專線阜川隧道是全線的控制工程之一。隧道在施工中遭遇炭質頁巖區段，多次出現初支破壞、圍巖溜塌、二襯開裂等病害，工期及成本受到嚴重影響。通過采用一套系統、全面的大變形控制措施，隧道最終成功通過炭質頁巖區段。本工程經驗可為今后類似工程提供有益參考。

1 工程背景

阜川隧道位于陜西省勉縣境內，位于大巴山中低山區，地形起伏較大，地質構造復雜。隧道起訖里程為DgK271+936.21～DgK280+951.53，為雙線隧道，全長9 015.32 m，最大埋深約456 m。

1.1 地層巖性

隧道工程主要涉及志留系及奧陶系地層，巖性以灰巖、泥巖、頁巖為主，其中大變形區段主要為炭質頁巖。如圖1所示，炭質頁巖為一種含有大量碳化有機質的灰黑色泥質巖石，薄層狀構造，強度近似泥土，變形模量小，遇水易崩解，自穩能力極差，是一種典型的工程軟巖。

1.2 隧道斷面及支護體系

隧道斷面形式為三心圓，支護體系為錨噴支護加鋼筋混凝土二次襯砌。Ⅴ級圍巖段的隧道橫斷面設計見圖2。

1.3 施工方法

隧道采用新奧法施工，其中Ⅲ級圍巖采用短臺階法，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖采用三臺階法。開挖進尺約為2 m，仰拱一次開挖長度為4 m～6 m。

2 施工中的主要病害

阜川隧道2號斜井至成都端出口段為大變形段。該段埋深在110 m～220 m之間，圍巖多為頁巖夾炭質頁巖。受不利圍巖條件影響，隧道施工中出現擠壓型大變形，嚴重危害施工進度及安全性。施工中出現的主要病害如下。

2.1 初支鋼架嚴重變形

如圖3所示，此類病害初期表現為初支混凝土局部掉塊，隨后鋼架變形迅速發展，產生鼓包、折疊、扭曲、撕裂等問題，一般需進行拆換拱架才可繼續施工，危險性極大。

2.2 圍巖失穩、溜塌

由于炭質頁巖的分布具有不可預知性，當掌子面附近存在炭質頁巖破碎腔時，掌子面極易出現突發性失穩，從而導致破碎腔內巖體隨著掌子面的破壞傾瀉而出(見圖4)。

2.3 二襯開裂、滲水

如圖5所示，在大變形段附近，二襯開裂、鋼筋暴露、滲漏水病害頻發，局部區域甚至需要增設臨時套拱才得以維持穩定。這說明即使在初支變形基本穩定后施作二襯，二襯后期仍將承受較大的荷載。

3 軟弱圍巖隧道大變形控制機理

軟弱圍巖隧道發生大變形的根本原因有兩個方面[2]：

1)圍巖力學性質差;2)支護體系能力不足。

因此需從以上兩個方面同時著手解決大變形問題：

1)改善圍巖性質，調動圍巖自身承載能力；2)提高支護體系的強度和剛度。運用圍巖—支護特征曲線理論[3]可很好地解釋這一問題。

如圖6所示，圖中橫坐標為隧道徑向位移，縱坐標為隧道穩定所需支護力，Pi為原始地應力。圖中曲線Ⅰ,Ⅱ為兩條典型的圍巖特征曲線，其中曲線Ⅱ代表的圍巖力學性能較好的情況；曲線①,②為兩條典型的支護特征曲線，曲線斜率代表支護剛度，平直段代表支護達到極限強度。顯然，曲線②所代表的支護在強度和剛度上都要大于曲線①。

當隧道的圍巖—支護關系由曲線Ⅰ及曲線①表征的情況下，支護結構強度和剛度不足，兩曲線無交點。這意味著支護結構無法穩定圍巖。若在這種情況下施作二襯，則支護結構無法承擔的圍巖荷載將轉嫁至二襯，導致二襯開裂破壞。若單純加強支護結構至曲線②所示的情況，則兩條曲線仍無法相交，仍有圍巖失穩、支護破壞的可能。因此，需同時對圍巖性質加以改良，提高圍巖性質至曲線Ⅱ。此時兩條曲線相交于點B，支護結構便可以穩定圍巖。

4 炭質頁巖隧道大變形綜合控制措施

從軟弱圍巖隧道大變形控制機理出發，阜川隧道項目部以經過反復地實踐摸索，得出了一套針對炭質頁巖隧道大變形的綜合控制措施。

4.1 采用雙層支護結構

阜川隧道在大變形段采用雙層支護結構，支護形式及支護參數為：

1)第一層支護：全環設H175型鋼鋼架，0.6 m/榀。拱墻設φ8@200鋼筋網。噴射混凝土采用30 cm厚C30混凝土。

2)第二層支護：全環設Ⅰ22a型鋼鋼架，0.6 m/榀。噴射厚26 cm的C30混凝土。設置φ22@1 000縱向連接筋，并設置4道/環的Ⅰ18縱連型鋼。

采用雙層支護結構旨在提升支護結構的強度和剛度，同時兼顧“先柔后剛，剛柔并濟”的理念[4]，符合軟巖隧道大變形控制的原理。雙層支護結構形式簡單，受力機理明確，無需額外施工機具和人員配合，具有良好的推廣應用價值。

4.2 施作臨時橫撐及臨時仰拱

如圖7所示，上臺階開挖后，立即采用Ⅰ20a工字鋼設置臨時仰拱，并噴射厚20 cm的C30混凝土；下臺階開挖后，于中臺階拱腳處采用Ⅰ20a工字鋼設置臨時橫撐(每2榀撐1榀)。這一措施是為了使支護結構盡早形成封閉形狀，改善支護結構的受力狀態，同時一定程度上控制上臺階拱腳的下沉和擠入。

4.3 徑向注漿加固

炭質頁巖隧道在開挖后，隧道周圍的圍巖會產生一定范圍的松動圈。松動圈內圍巖的節理裂隙會有一定量的張開，造成巖體力學性能的劣化[5]，但也為注漿加固圍巖提供了可能。阜川隧道徑向注漿通過替代系統錨桿的φ42小導管進行。小導管長4.0 m，間距1.2 m×1.0 m(環向×縱向)，梅花形布置。漿液采用普通水泥漿初注配合水泥—水玻璃雙液漿進行補漿。水泥漿水灰比1∶1，雙液漿體積比控制在1∶1～1∶0.6范圍內。注漿控制壓力取1.0 MPa～2.0 MPa，達到終壓后持續10 min。實踐證明，隧道周圍一定范圍的炭質頁巖具有良好的可注性，且注漿后其力學性能可得到明顯改善。

4.4 采用弱爆破配合機械開挖

炭質頁巖在擾動后會松散泥化，力學性能顯著降低。因此通過采用弱爆破，配合銑挖機或挖掘機開挖，可減小對隧道周邊巖體的擾動，最大限度地保留圍巖的天然承載力。

4.5 采用大直徑鎖腳錨管

阜川隧道原設計采用長4 m的R32砂漿錨桿作鎖腳錨桿。而實際施工中部分斷面的鎖腳錨桿出現了拉斷的情況。因此在上、中臺階拱腳處增設長6 m的T76自進式鎖腳錨管，每榀鋼架各兩根，并且采用Ⅰ20a型鋼與鋼架作縱向連接(見圖8)，有效地控制了支護結構的下沉。

4.6 提高預留變形量

在擠壓性大變形的條件下，原設計預留變形量已無法滿足要求。因此大變形段的預留變形量增加至100 cm，其中70 cm為第一層支護的預留變形量，第二層支護為30 cm。這一舉措使支護結構在各階段都有充分的變形空間，在降低圍巖荷載的同時不影響到二襯施作的凈空要求。

5 效果驗證

圖9和圖10分別為DgK278+045斷面(未采取控制措施)和DgK278+130斷面(采取控制措施)的實測位移時程曲線。從圖中可以得到以下結論：1)在采用大變形控制措施前，隧道變形呈現出典型的“擠壓型大變形”特點，即初始變形速率高、變形持續時間長、各部位變形量值尤其是邊墻收斂較大。2)DgK278+045斷面的拱頂下沉和中臺階收斂均大于60 cm，已超過最大預留變形量，需進行初支拆換擴挖以滿足二襯施作凈空要求，風險極高。3)采用大變形控制措施后，隧道各部位變形量值明顯降低。相較DgK278+045斷面，DgK278+130斷面的拱頂下沉及上、中、下臺階收斂分別降低了24.04 cm,20.14 cm,56.01 cm和23.15 cm，降幅分別為37.18%,63.65%,78.43%和76.60%。4)從圖10中可以明顯看出，采用大變形控制措施后，隧道各部位變形除最終量值顯著降低外，變形也能較早趨于穩定。這就避免了二襯因承受額外圍巖壓力而產生病害。

6 結語

1)炭質頁巖隧道在施工中易發生大變形，常見病害形式有初支鋼架嚴重變形、圍巖失穩溜塌、二襯開裂滲水等。

2)控制炭質頁巖隧道大變形的關鍵，是在提高支護剛度、強度的同時改善圍巖性能，雙管齊下，標本兼治。

3)通過設置雙層支護、臨時仰拱和臨時橫撐，外加采用大直徑鎖腳錨管，可提高支護結構的強度和剛度，改善支護結構受力。徑向注漿加固、弱爆破配合機械開挖可減小開挖對圍巖的擾動，提高圍巖的強度，調動圍巖自承載能力。

4)采用上述大變形綜合控制措施可顯著降低隧道各部位的變形量，并使各部位變形更早地趨于穩定。如此可在保證支護結構和圍巖不失穩的同時，降低二襯承受的圍巖荷載，從而使隧道安全平穩地通過大變形地段。