泥質砂巖地層隧道圍巖變形特征及支護施工技術

薛 光

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710016)

1 引言

當處于含水率較低的環境時，泥質砂巖具備較強的自穩能力，若含水率偏高將出現滲流現象，不利于圍巖穩定性且伴隨有變形甚至塌方[1]?？紤]到泥質砂巖自穩能力欠佳的特點，掌握圍巖變形特性至關重要，在此基礎上提出合適的支護方法以提升圍巖穩定性。

紅石灣隧道總長度5273.59 m，分布有砂質新黃土及黏質新黃土、沖洪積(Q2al+pl)中砂、砂巖。該處地下水較豐富，以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，遇降雨天氣將大幅加大水量。根據現場勘察結果可知正常狀況下隧道用水量為1201 m3/d。施工現場含不良地質，易出現落石、土體滑塌等問題。

2 變形情況及特點分析

2.1 圍巖變形情況概述

YK25+172～YK25+195段隧道施工中，該處中心線設置于山體斜坡處，與之相距30m處存在1條河道，與隧道中心線分布大體一致，二者趨近于平行。YK25+172處斷面埋深達37 m，相較于隧道頂標高而言該處的河道低標高比其略大9 m。隧道所處位置較為特殊，其中心線穿越4條沖溝。根據線路地質特點采取小樁號向大樁號推進的開挖方式，分別于拱頂、拱腰與邊墻處布設合適數量的測點，各斷面測點數量均為5個。

整合圍巖變形監測數據，進一步分析斷面拱頂下沉與水平收斂問題，經處理后獲得相應結果：持續開挖之下YK25+195斷面處無論是拱頂下沉還是水平收斂現象與時間均呈線性變化的特性，可以得出變形速度不變的結論；開挖持續至7月17日時，該斷面的拱頂下沉為11 mm，并伴隨有12.46 mm的水平收斂現象。

YK25+190斷面監測結果表明，自7月12日開始持續至7月15日這一階段的施工狀況都較為良好，未出現明顯變形現象，但持續至同月17日，此時拱頂下沉已由前一節段的5 mm迅速提升至58.5 mm，水平收斂則由4.38 mm增加到33.22 mm。

通過YK25+185斷面的監測結果可以得知，自7月13日開始持續至同月16日這一階段的施工狀況良好，但到17日拱頂下沉達到109.4 mm，水平收斂15.02 mm。

根據YK25+180斷面的監測數據得知，該處的施工狀況與YK25+185處大體一致。由此得知除了YK25+195斷面外，其余的區域(即YK25+190～YK25+180)均出現明顯的變形現象，主要集中在7月的16日至17日。進一步分析7月17日的相關數據得知，YK25+172～YK25+195區段存在明顯的圍巖變形，并生成3條環向裂縫。

2.2 圍巖變形特征分析

2.2.1 圍巖變形量大

分析圍巖變形監測結果可以發現，YK25+195斷面僅存在微量的變形現象，6 d內拱頂下沉11 mm，水平收斂12.46 mm；相較之下，YK25+190、YK25+185以及YK25+180三處均出現了明顯的變形現象。開挖作業持續至7月17日時，該工作日YK25+185處產生的拱頂下沉量已經迅速提升至109.4 mm，且又以YK25+193處最為明顯，截止7月18日8時該處出現的拱頂下沉量已經達到1011.1 mm，與此同時水平收斂也迅速提升至811.46 mm。

2.2.2 圍巖變形速率快

根據YK25+195斷面的數據，可求得該處拱頂下沉與水平收斂的平均增長速度分別為1.58 mm/d、1.75 mm/d；通過對YK25+190、YK25+185以及YK25+180三處的數據得知，由于變形現象極為明顯，因此最大拱頂下沉速率最大值為50.60 mm/d，水平收斂速率最大值也達到了8.00 mm/d。各斷面對比后得知YK25+193處的變形現象最為嚴重，拱頂下沉量達到658.3 mm/d，與其它監測斷面相比該處的水平收斂速率也最大，達到530.05 mm/d。

2.2.3 圍巖破壞類型各異

以斷面監測數據為準綜合考慮現場圍巖破壞情況，得知圍巖變形幅度較大的區域出現更為明顯的破壞現象，但各圍巖段所呈現出的破壞形式有所不同，主要可分為環向通縫、側墻裂縫兩類，但均出現了裂縫不斷增加的趨勢。其中又以YK25+193處出現的裂縫最為明顯，根據現場檢查結果得知該處鋼拱架已經出現大范圍變形現象。

3 圍巖變形支護控制措施

由于泥質砂巖的特殊性，受隧道開挖的影響極易出現圍巖變形現象，在拖慢工程進度的同時對施工質量造成不良影響，嚴重時將威脅到施工人員的安全[2]。泥質砂巖施工環境中必須控制好圍巖變形問題這隧道安全施工而言極為關鍵。經分析后得知，泥質砂巖環境中展開隧道施工作業時必須確保初期支護結構具備較高的剛度，并及時完成仰拱與二襯等結構的施工作業，各道工序之間應形成緊密銜接的關系，否則會加大圍巖變形概率。從隧道圍巖變形的機理出發，輔以科學的測試與檢驗方法，提出圍巖變形控制措施以提升圍巖的穩定性[3]。

3.1 臨時支護體系控制圍巖變形

隧道圍巖出現大范圍變形現象后，項目部分析具體成因并采取針對性處理措施，設置臨時鋼護拱以達到補強初期支護的效果，控制圍巖變形現象且阻止變形向小里程方向延展[4]。對此，針對圍巖變形段上臺階處采取加固措施，于該處澆筑C30砼，形成厚度為80 cm的仰拱結構；除此之外，圍巖變形段需設置原木與鋼管，在兩類材料的共同作用下形成豎向支撐裝置，達到加固的效果。通過上述手段控制隧道圍巖變形，使其達到幾乎穩定的狀態。

3.2 提高支護體系整體剛度

YK25+172～YK25+195段的原工藝方法為噴射C20砼，形成厚度為24 cm的支護結構；考慮到變形帶來的不良影響，變形預留量設置為15 cm；使用到φ6.5 mm光圓鋼筋，構成緊密鋼筋網；系統錨桿的設置，拱部120°內均使用φ25中空錨桿，余下區域均為φ22砂漿錨桿，各構件長度均為3.5 m，搭建過程中環、縱向間距分別為100 cm、80 cm；搭建H15格柵鋼架選擇φ22 mm螺紋鋼材料；選擇φ42 mm超前小導管，通過此材料構成超前支護體系。但考慮到隧道穩定性要求，在原有方案的基礎上做出調整，具體方案為初支選擇格柵鋼架形式，形成的截面尺寸為22 cm×22 cm；拱腳與拱腰鎖腳施工環節，均使用φ89 mm無縫鋼管補強，不同區域長度有所不同，介于6～9 m，注漿材料為水玻璃雙液漿；以C20混凝土為原材料，經噴射后形成厚度為50 cm的初支結構，將此部分作為支撐護殼；關于空洞的填充作業選擇C20混凝土。搭建超前小導管采取雙層布置方式，內、外層均為Φ42 m×4.5 m導管，環向間距均為40 cm，注漿材料選擇水玻璃雙液漿。

3.3 加快仰拱、二襯施工進度

泥質砂巖自穩能力不足，經施工后圍巖穩定性欠佳，考慮到圍巖自承能力有限的問題，應合理施作二次襯砌，通過該結構承受圍巖荷載[5]。根據監測結果得知泥質砂巖環境下開挖后將直接影響到圍巖穩定性，使其出現明顯的變形現象，同時收斂速率較慢，在尚未滿足技術要求時便出現了破壞。受此影響二次襯砌施工的難度加大，若根據規范確定施工時機將缺乏可行性。對此應從實際情況出發，結束初期支護作業后便要設置二次襯砌，盡可能做到盡早封閉成環以抵御圍巖變形問題。

3.4 施工中減少對圍巖的擾動

換拱作業采取微型爆破的方式，必要時輔以破碎錘。每結束1榀拱架施工作業后均要安排專員檢查洞內情況。換拱鋼拱架搭設作業時選擇20b工字鋼，鎖腳處選擇φ89 mm無縫鋼管，根據施工要求長度為6～9 m不等，注漿作業使用的是水玻璃雙液漿。完成起始端3～5 m換拱作業后要及時拆除仰拱，以達到封閉成環的效果并遵循先豎撐后斜撐的方式[6，7]。具體而言，首先將下一榀拱架加固，無誤后方可拆除本拱架的臨時支撐，最后進行拆換作業。

4 結語

泥質砂巖自穩能力偏弱，在此環境下難以保證圍巖的穩定性，需采取鋼護拱、臨時仰拱等相綜合的方式，全面提升圍巖穩定性，將圍巖變形幅度控制到最小，為隧道施工作業創造安全的環境。