泥質頁巖公路隧道地質與支護技術研究

彭朝暉(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

我國山區公路隧道修建技術相對成熟，但是在南美和非洲等發展中國家，山區隧道修建技術相對落后，特別是在復雜地質條件下修建山區隧道仍存在較大的困難。目前，針對復雜地質段泥質頁巖隧道的研究資料較少，本文通過對地質勘探數據和現場實測數據的對比研究，及時優化隧道支護措施，為項目的順利實施提供了保障。

1 工程概況

玻利維亞艾爾西亞公路位于科恰班巴至圣克魯斯公路中央部位大約100km和130km處，全長30km，公路共有4條隧道，3號和4號隧道所處區域地層為泥質頁巖。3號隧道起始樁號為KM2+824.79，終點樁號為KM3+286.3，全長461.51m。4號隧道起始樁號為KM3+340.11，終點樁號為KM3+814.96，全長474.85m。3號和4號隧洞全長共936.36m。

1.1 隧道區域地質資料

根據當地地質資料顯示3號和4號隧道所在區域圍巖類型為志留紀坎卡尼里組泥質頁巖，部分夾砂巖和石英砂巖薄層，該單元的厚度為20m左右。從巖性上講，它是由層狀頁巖、滑石和深灰板巖構成的。頁巖的底部是軟碳酸鹽，砂巖層向較高層穿插，向上覆地層過渡。

圖1為3號隧道的地質勘探資料，從圖中可以看出，隧道穿過兩個逆斷層，隧道覆蓋層厚度較淺，平均厚度為80m。根據RMR法圍巖的分值得出相應的圍巖等級，最終根據圍巖判定等級確定隧道斷面支護類型，因隧道洞口段要加強支護，故按最高等級支護。從圖中可以看出3號隧道圍巖等級類型為：3類圍巖344m,占比為74.54%，剩余25.46%受斷層帶影響。3號隧道斷面支護類型為：3類占比為55.15%，4類占比為21.76%，5類占比為14.23%，6類占比為8.86%。

圖1 3號隧道地質勘探資料

圖2為4號隧道的地質勘探資料，從圖中可以看出，隧道穿過一個逆斷層，隧洞覆蓋層厚度較淺，平均厚度為50m。從圖2中可以看出4號隧道圍巖等級類型為：3類圍巖384.89m,占比為81.06%，4類圍巖49.96m,占比為10.52%，剩余8.42%受斷層帶影響。4號隧道斷面支護類型中：3類占比為27.38%，4類占比為46.20%，5類占比為14.74%，6類占比為11.67%。

圖2 4號隧道地質勘探資料

2 現場圍巖判定與支護研究

2.1 現場圍巖判定

根據比尼奧斯基（Bieniawski）RMR分級標準(1989)，對每一次開挖循環的隧道掌子面進行圍巖分級判定。依據RMR1=A1+A2+A3+A4+A5,RMR0=R1+B(修正系數)得出每個掌子面的圍巖評分，再根據表1圍巖等級評價表判斷圍巖級別，其中A1為完整巖石的單軸抗壓強度的分值，A2為巖石完整性RQD（%）的分值，A3為結構面間距的分值，A4為不連續面特征的分值，A5為掌子面地下水特征的分值，B為不連續結構面方向修正系數。根據現場每一循環對每個開挖后的掌子面進行圍巖判定，依據判定結果進行爆破開挖設計和支護。3號隧洞全長461.51m，根據RMR分級標準對3號隧道圍巖共判定231次。4號隧洞全長474.85m，根據RMR分級標準對4號隧道圍巖共判定263次。3號和4號隧道圍巖判定共計494次。

表1 圍巖等級評價表

表2為3號隧道掌子面RMR法圍巖判定匯總表。與圖1地質勘探資料3類圍巖占比74.54%有較大的出入，根據現場實際RMR判定：其中4a類圍巖177.49m,占比為38.44%，4b類圍巖263.51m,占比為57.07%，5類圍巖20.76m，占比為4.50%。3號隧道斷面支護類型為：4類支護占比為38.44%，5類支護占比為57.07%，6類支護占比為4.50%。

表3為4號隧道掌子面RMR法圍巖判定匯總表。圖2地質勘探資料顯示4號隧道3類圍巖占比81.06%，但是現場實測圍巖類型均為4類圍巖，根據現場實際RMR判定：其中4b類圍巖474.85m，占比為100%。4號隧道斷面支護類型為：4類支護占比為38.44%，5類支護占比為57.07%，6類支護占比為4.50%。

根據表2和表3的數據，再結合表1可以看出，3號和4號隧道地質情況極差，圍巖等級全部是4類巖和5類巖，圍巖評價結論為差和極差。

表2 3號隧道掌子面RMR法圍巖判定匯總表

表3 4號隧道掌子面RMR法圍巖判定匯總表

2.2 支護研究

因地質勘探資料的不準確性，加上地質條件和斷層帶的影響，給隧道的施工增加了極大的施工成本、安全隱患和技術難度挑戰。

在施工前期發現地質資料與現場實際情況差別較大時，要及時采取應對措施，加強隧洞穩定性的監測和超前探測，確保施工安全。在開挖時及時調整開挖方案，通過半洞開挖、減少爆破裝藥量、機械和人工輔助開挖等措施，減少對圍巖的擾動。同時調整支護方案，通過短進尺、勤支護、減少鋼支撐間距等措施，確保施工安全。

2.2.1 圍巖穩定性監測

通過測斜儀和收斂儀分別監測隧洞洞臉邊坡和掌子面圍巖變化情況，為施工安全提供保障。特別是在地質較差的區域應增加監測點位和監測頻率。通過測斜儀和收斂儀數據以及洞頂巖層的變化，成功預測出4號洞洞臉上方巖層的滑坡危害，避免了人員的傷亡和財產損失。

2.2.2 圍巖支護

3號和4號隧道全部分為上半洞和下半洞以及底拱3部分開挖，并在開挖后進行及時支護。4a類圍巖支護采用4.5m長、環向與縱向間距（1.3m×1.3m）、Φ25mm的系統錨桿、掛Φ8mm鋼筋網、含鋼纖維的噴射混凝土（7cm+10cm）和不含鋼纖維的噴射混凝土（5cm）進行頂拱和邊墻的支護，底拱采用掛雙層Φ8mm鋼筋網（15cm×15cm）和澆筑21MPa的混凝土進行支護。4b類圍巖支護采用4.5m長、環向間距1m、縱向搭接1m、Φ25mm的超前錨桿、立鋼支撐（縱向間距1.5m）、掛Φ8mm鋼筋網（15cm×15cm）、含鋼纖維的噴射混凝土（7cm+26cm）和不含鋼纖維的噴射混凝土（5cm）進行頂拱和邊墻的支護，底拱采用掛雙層Φ8mm鋼筋網（15cm×15cm）和澆筑21MPa的混凝土進行支護。5類圍巖支護采用12m長、環向間距0.5m、縱向搭接3m、Φ88.9mm的管棚、立鋼支撐（縱向間距1.1m）、掛Φ8mm鋼筋網（15cm×15cm）、含鋼纖維的噴射混凝土（7cm+26cm）和不含鋼纖維的噴射混凝土（5cm）進行頂拱和邊墻的支護，底拱采用掛雙層Φ8mm鋼筋網（15cm×15cm）和澆筑21MPa的混凝土進行支護。

因3號和4號隧道現場實際圍巖等級較差，在開挖過程中不時有冒頂等現象發生，故根據現場實際情況對圍巖支護措施進行了相應的優化，4a類圍巖系統錨桿環向與縱向間距改為1.0m×1.0m～1.3m×1.3m。4b類圍巖將鋼支撐縱向間距改為1.0m～1.5m。5類圍巖將鋼支撐縱向間距改為0.5m～1.1m。同時在容易冒頂部位，減小鋼支撐間距，同時將鋼筋網片改為雙層。在斷層區域，通過超前鉆探、管棚超前支護和增加監測點位等措施確保施工安全。

3 結語

由地質勘察RMR圍巖等級和現場依據RMR法評定的圍巖等級差異可以看出，玻利維亞當地的勘察單位勘察精度較低，缺乏其他勘察手段對鉆探數據進行有效的矯正，給項目的實施帶來了很多不確定性的風險，例如增加施工成本、施工技術難度和施工安全風險。

對于復雜地質段泥質頁巖隧洞，在施工時，要利用盡可能多的手段對洞臉邊坡和洞內圍巖進行監測，增加監測點和提高監測頻率，盡早監測，預防為主，安全施工。在施工時，遇到圍巖等級變化段和冒頂區域，要加強支護，特別是4類與5類巖交接處，要減小鋼支撐的間距，防止因支護強度達不到要求導致頂拱裂縫和冒頂現象發生。玻利維亞艾爾西亞公路根據現場實測RMR圍巖評價標準，按照其上圍巖支護方法，質量應滿足設計、規范要求，未發生任何安全事故，為項目的順利實施奠定了基礎，取得了良好的社會效益。