碳質片巖淺埋偏壓隧道出洞施工技術研究

全民 段芳芳

[摘? 要]：為了確保碳質片巖隧道淺埋偏壓條件下安全出洞，文章以谷竹高速公路關埡子隧道為例，通過試驗研究、工程應用，介紹在施工條件困難、軟巖偏壓的情況下，通過CRD及小導洞等工藝，反向施做超前大管棚，最終實現洞內安全出洞。

[關鍵詞]：公路隧道; 出洞; 試驗研究; 碳質片巖; 施工

U455.49B

隨著公路網及鐵路網的加快建設，山嶺隧道在工程建設中占比越來越高、工程選線所面對的地質水文條件越來越復雜，尤其隧道施工中頻繁出現軟巖和高地應力，以及富水及偏壓的不良施工條件，給隧道工程的設計和施工增加了安全隱患。而隧道貫通做為隧道施工中最關鍵的一個環節，一般選擇在隧道中段圍巖較好段落，但對于只能單向掘進特殊施工條件下隧道貫通案例較少，尤其針對軟弱圍巖、偏壓隧道通過洞內獨頭掘進方式出洞研究更加罕見。

針對隧道洞口存在偏壓的出洞施工技術，國內工程實例較少，部分學者在隧道出洞技術方面開展了一些研究。如羅德[1]對成貴鐵路廖家坡隧道淺埋偏壓雙線鐵路隧道出洞開展專項施工設計，采用洞內大管棚方式對圍巖進行預加固。秦柳江[2]對滬蓉西高速公路夾活巖隧道，采用隧道外側修筑擋墻緩解偏壓、內部小導坑出洞創造工作面方式實現安全出洞。但目前的研究主要集中在膨脹性、高應力以及節理化軟巖方面，對炭質片巖隧道變形機制和控制技術研究較少[3]，目前僅限于楊河隧道、新蜀河隧道和旬陽隧道，以及花石溝隧道、新茨溝隧道 [4-6]，數量有限。谷城至竹溪高速公路關埡子隧道圍巖以炭質片巖為主。本文結合谷竹高速公路關埡子隧道炭質片巖隧道圍巖特性及淺埋、偏壓特點，為隧道獨頭掘進出洞施工提供施工參考。

1 項目概述

1.1 工程概況

關埡子隧道位于湖北省十堰市竹溪縣蔣家堰鎮，左全長1 626 m。隧道出口端位于陜西省安康市平利縣境內山區，無施工場地及水、電、路等施工條件，因此變更出口超前管棚設計，出洞方式為洞內獨頭掘進。

1.2 出口段地形情況

本隧道位于海拔高程在618～808 m構造剝蝕侵蝕低山地區，地表地形起伏較大，坡面植被較發育。出口位置為單斜地層、強風化片巖，地層產狀為65°∠25°，發育一組節理L1：45°∠39°，坡向與巖層傾向組合關系為橫向坡，隧道埋深較原設計存在較大出入，存在橫向偏壓，成洞條件較差，邊坡穩定性差。

1.2.1 地貌偏壓

在隧道開挖前，主應力（σ1 ）與山坡面方向平行，它在水平方向的分力產生偏壓;而隧道開挖后，巖體中應力重分布，主應力偏轉至σ1′方向，因此隧道斷面右上角應力最大，隧道輪廓線上各點應力大小分布呈現倒置傾斜的拋物線型曲線（圖1）。

1.2.2 結構偏壓

隧道開挖以后出現自由變形空間，失去支撐的圍巖發生向洞內的變形，若超出圍巖本身所能承受的變形能力，圍巖便發生破壞，表現為從母巖中脫落（坍塌、滑動或巖爆）。隧道走向與巖層產狀的組合關系會形成不同的力學關系，隧道在薄層狀片巖地區特別容易出現結構偏壓，當隧道進行開挖時，釋放殘余地應力，這時隧道巖體會沿著層理面滑移，并且常常會出現垂直片理面發生片崩現象。層狀巖體圍巖的變形破壞主要受巖層產狀及巖層組合等因素影響，其破壞形式主要有沿層面張裂、這段塌落、彎曲內鼓[8]。

本隧道屬傾斜層狀圍巖，因此變形方向表現為沿傾斜方向一側巖層彎曲塌落，另一側邊墻巖塊滑移，形成不對稱的塌落拱，出現偏壓現象[8]。

1.3 地質情況

關埡子隧道在施工過程中揭露的圍巖為含絹云母的炭質片巖，風化及巖石破碎程度變換頻繁，無明顯變化規律。圍巖中含大量絹云母，薄層狀巖石層間結合較差，觸感滑膩且夾雜大量弱膠結礦物，遇水軟化膨脹，且暴露于空氣中強度衰減較快，節理發育，開挖后基本無自穩能力，具有軟巖明顯的持續變形特征。

隧道在施工過程中多次出現拱部掉塊、初期支護變形侵限和鋼架變形情況，引起最大變形達到0.7 m，并伴隨局部塌方。甚至，成洞區段部分在軟巖蠕變、膨脹作用下發生二次襯砌開裂的情況。

2 巖石力學特性測試試驗

2.1 概述

為順利出洞做充分準備，通過現場取樣后在室內進行性能測試，以獲得巖石的力學特性指標，分析研究該隧道大變形發生的原因及機理

2.2 試驗技術要求

2.2.1 試樣制備

使用切割機將巖樣切割成不同高徑比的正方體試件，切割成型后，再對表面進行手工精磨處理，確保其平行度和平整度達到試驗要求。

2.2.2 主要試驗儀器

（1）MTS815程控伺服巖石剛性試驗系統——單軸壓縮強度及變形試驗、三軸壓縮強度試驗、抗拉試驗以及聲發射試驗。

（2）攜帶式巖土力學多功能試驗儀——抗剪強度參數。

（3）SAEU2S聲發射測試系統——監測巖石在受壓過程中產生的聲發射信號。

（4）巖石直剪流變試驗系統——單軸壓縮流變試驗。

2.3 試驗結果

試驗測試工作嚴格遵照操作規程及試驗流程，并對試驗測試數據按規范進行處理，試驗結果簡述如下。

2.3.1 巖石物理水理性質

巖石物理水理性質如表1、表2所示。

2.3.2 巖石礦物成分分析

巖石礦物成分1#試件：伊利石33%、綠泥石49%、石英15%、鉀長石、斜長石3%;2#試件：伊利石23%、綠泥石40%、石英35%、斜長石1%、方解石1%。

2.3.3 巖石強度指標

（1）巖石的單軸抗壓強度差異較大，天然狀態的抗壓強度第1組的變化范圍為8.44～11.77 MPa，第2組為2.78～11.48 MPa。飽水狀態的抗壓強度第1組試件為5.74 MPa，第2組試件的變化范圍為：7.89～23.61 MPa。

（2）在直剪強度試驗過程中出現個別異常試驗數據，在統計計算時舍去異常數據。

（3）巖石抗剪強度（三軸應力狀態下）的內聚力為0.07 MPa，內摩擦角是15°，在直剪狀態下的的內聚力為0.05 MPa，內摩擦角是13°。主要是巖石的受力狀態不同所致，所以在選取巖石的抗剪強度參數內聚力和內摩擦角時，建議內聚力和內摩擦角取值分別在0.05～0.07 MPa和13°～15°。

2.3.4 巖石地應力

地應力的測試分2組進行，每組中X、Y和XY 3個方向各3塊試件，破壞應力在13.61 MPa～21.24 MPa之間，2組試件主應力σ1分別為5.29 MPa、4.52 MPa，主應力σ2分別為3.08 MPa、4.15 MPa。

2.3.5 巖石長期抗壓強度

單軸壓縮流變試驗選取3組試件，測試最大軸向應力σ分別為9.82 MPa、8.93 MPa和23.22 MPa，長期抗壓強度分別為8.05 MPa、8.04 MPa、19.64 MPa，綜合考慮巖石結構差異、破壞形態等因素，建議值為8.04 MPa。

2.3.6 破壞試件情況

進行了試驗測試后的各試樣的破壞形態如圖2所示。

3.3.7 圍巖巖性判定及分類

（1）參照GB 50218-94《工程巖體分級標準》及JTG D70-2004《公路隧道設計規范》對巖石堅硬程度的劃分，可以判斷出關埡子隧道圍巖應屬軟巖類。

（2）GB 50218-94《工程巖體分級標準》對巖體初始應力場進行評估，關埡子隧道圍巖最大主應力σmax為5.29 MPa，計算得Rcσmax=1.085，判定該隧道出口段屬于極高地應力范圍。

（3）由上節巖相鑒定和礦物成分分析結果知，關埡子隧道圍巖主要成分為經泥巖變質而來的絹云母、伊利石及石英，其含量超過90%，其單軸抗壓強度為10.1～10.45 MPa，沒超過25 MPa，根據軟巖分類，該隧道圍巖屬于膨脹性軟巖。

綜合以上試驗測試結果，關埡子隧道圍巖屬于低強度軟巖類，施工中極易發生大變形、塌方風險。

3 施工工藝及措施

3.1 施工總體部署

鑒于關埡子隧道出口端位于陜西境內設計洞口管棚不具備施做條件，只能采用洞內出洞的實際情況，同時結合巖石力學特性試驗結果及實際地形地貌，并考慮地下水等不利因素影響為確保安全出洞、順利貫通 ，確定超前支護采用雙層小導管，采用CRD工法，上臺階導洞（左側）首先貫通，然后施做出口洞口截水溝、邊仰坡支護，最后施做洞口管棚，管棚施做完成后，在管棚掩護下實現貫通。

采用42 mm雙層小導管進行注漿固結巖體，導管環向間距0.4 m、長度4 m。

3.2 洞身開挖

3.2.1 測量放線

出洞前洞完成洞內導線控制點復測工作。

首先由測量人員對開挖輪廓線進行放樣，并檢查上循環超欠情況，確保隧道中線及高程符合設計要求。

3.2.2 洞身開挖

采用CRD法開挖，預留變形量15～20 cm并根據監控量測及實際情況進行調整。上臺階左、右兩側均及時封閉成環，下臺階施工可根據拱頂下沉及水平收斂情況增設臨時仰拱，確保安全出洞。

3.2.2.1 施工順序

施工順序見圖3、圖4。

施工順序：①上臺階左側開挖;上臺階左側初期支護、中隔壁;②中臺階左側開挖;中臺階左側初期支護、中隔壁及臨時仰拱;③上臺階右側開挖;上臺階右側初期支護;④中臺階右側開挖;中臺階右側初期支護、中隔壁及臨時仰拱;⑤下臺階左側開挖;下臺階左側初期支護、中隔壁;⑥下臺階右側開挖;下臺階右側初期支護;⑦仰拱開挖、初支、襯砌及填充澆筑。

3.2.2.2 施工要求

（1）上、中臺階開挖每循環不超過1榀拱架距離，下臺階開挖每循環不超過2榀拱架距離。

（2）上高度2.99 m，中臺階高度2.73 m，下臺階高度3.11 m，臺階長度為3 m左右，左右兩側縱向距離宜小于1倍隧道洞徑。開挖輪廓平順，避免超欠過大?？s短開挖形成全斷面時間，及時封閉成環。

（3）根據監控量測信息，初期支護穩定后，并根據仰拱施工長度，每次拆除不超過3 m中隔壁臨時支護，拆除后立即施工仰拱初支，封閉成環，并應盡快施作二次襯砌。

（4）中臺階位置設置臨時仰拱進行封閉，自上而下開挖，左右交叉進行。

（5）正洞及中隔墻處均打設超前小導管。

（6）施工至ZK229+553時施工1、2步至隧道貫通，同時要求二襯施工至ZK229+543。

（7）根據出口地形，可考慮將出口明洞向暗洞方向加長5 m，導向墻相應向小里程移動，確保大管棚施工長度（30 m）伸入二襯范圍。

3.3 洞口邊仰坡施工

左洞導洞出洞、挖掘機可以行至出口洞口后即開始邊仰坡施工。

3.4 雙層超前小導管

3.4.1 超前小導管設計

42×3.5 mm熱軋無縫鋼管，L=4.0 m，外插角10°～15°，環向間距40 cm，拱部120°范圍打設，每環34根，每2.4 m施工一環。

3.4.2 施工工藝及方法

（1）測量放線。鋼拱架按照設計位置放樣并安裝，為控制鉆孔方向，可在拱架鉆孔位置后方拱頂及邊墻對應孔位手噴漆進行標識。

（2）鉆孔。鉆孔時采用TY28風鉆，鉆頭直徑50 mm釬頭。拱架鉆孔位置施鉆內層孔，內層兩相鄰孔位之間拱架外側施鉆外層孔位。施鉆過程中嚴格控制鉆桿方向及外插角度，出現方向及外插角偏差時應及時予以調整。嚴格控制鉆孔是安裝施工質量，確保小導管能起到預期的支護效果。

（3）小導管制作及安裝。小導管采用42×3.5 mm熱軋無縫鋼管制成，并在小導管前部鉆注漿孔，梅花型布置（8×150 mm），前端加工成錐形，尾部留作為不鉆孔的止漿段（長度100 cm）。

小導管由鉆機頂入安裝，頂入長度不小于設計長度的90%，并用高壓風將鋼管內的砂石吹干凈，安裝完成后用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時在小導管附近噴射混凝土保護，以防工作面發生坍塌。

（4）注漿。小導管采用水泥漿單漿液注漿，使用ZYB70/80D型注漿機，水和水泥重量配合為1∶1，對于富水段可采用雙液漿，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。注漿過程中記錄注漿量及壓力情況二者之一達到設計規定時可作為判定結束注漿作業標準。

4 實際施工情況

方案確定的施工總體安排和施工方法得到較好的貫徹執行，CRD法施工開始階段遇到一定困難，在具體施工細節上較方案也有所改變，具體如下：

4.1 開挖

三臺階轉換為CRD工法開始階段近5 m上中臺階結合部發生大變形，1+2步距較長，臨時仰拱施作達到7～8 m后變形得到控制，通過技術交底和現場實際施工，不斷熟悉CRD法施工組織和控制重點，迅速形成CRD法正常施工，施工歩距得到嚴格控制，每分步成環迅速，施工進度和質量得到保證。以左線1步導洞貫通時為例，各臺階施工里程及布局如圖5所示。

4.2 超前支護

設計超前支護為42 mm鋼管，L=4 m，縱向間距2.4 m，上下層分不同角度布設。鑒于雙層施工鉆孔精度要求更高，鉆孔和注漿時間也較長，實際改為每循環單層打設，長度L=3 m。

4.3 臨時支撐拆除

下臺階先行側施工時如安裝臨時支撐拱架，則采用現有220挖機無法繼續開挖，且上中臺階施工需要暫停，因此實際施工過程中豎向臨時支撐拱架僅施工至中臺階，5步不施作豎向臨時支撐，5步開挖前即將上、中步臨時支撐拆除，每次拆除長度5 m。拆除后立即施工下臺階及仰拱。

4.4 監控量測

采用全站儀+全站儀反射片進行拱頂下沉及水平收斂量測。

根據量測結果調整預留變形量，上中下臺階預留變形量分別為：40 cm 、30 cm 、20 cm。監測顯示在臺階接腿時變形發生較明顯變化，但未發生局部突變的大變形現象，累計變形量較大但在可控范圍之內。部分監測曲線如圖6所示。

5 結束語

隧道出洞后，變形監測結果表明出洞方案是合理的，圍巖累積變形量和變形速率都大大降低，說明施工工藝及支護參數是切實有效的，可為相似工程的處理提供借鑒。

（1）詳細測繪出洞段地形地貌，完整保留山體原貌，減少開挖。

（2）充分認識碳質片巖的變形特征，正確評定施工風險，采用合理的施工工法及支護參數，防止碳質片巖變形、塌方發生。

（3）綜合運用超前大管、超前小導管增加開挖安全系數，應用CRD工法臨時封閉成環，充分利用臨時支撐作為受力體系的轉換，以及小導洞率先出洞以減小對圍巖的擾動，保證了出洞的施工安全。

（4）加強量測工作，對量測數據及時分析處理，按照變形趨勢及時調整開挖方案和步距調整，必須把監控量測工作貫穿于整個隧道施工過程之中。

參考文獻

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