某公路隧道項目炭質板巖段大變形控制技術分析

李凱

摘要 隨著交通工程技術的發展，我國的公路隧道建設取得顯著成就。但由于隧道施工環境條件較差、地質狀況復雜，施工中存在的不可控因素較多，極易產生隧道坍塌和變形，嚴重威脅施工安全?；诖耍恼陆Y合某公路隧道工程實例，對公路隧道項目炭質板巖段大變形控制展開研究，分析了隧道炭質板巖段施工中的常見問題及具體成因，總結了大變形控制施工技術要點，并提出了炭質板巖段隧道變形加固的具體措施，實現了隧道施工炭質板巖段大變形的有效控制，保證了隧道工程建設的順利完成，取得了良好的經濟和社會效益。

關鍵詞 公路隧道項目；炭質板巖段；施工控制技術；大變形控制

中圖分類號 U451.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0119-03

0 引言

我國目前的經濟發展速度很快，為了加快運輸效率，很多復雜地形區紛紛開展隧道工程建設，極大地提升了運輸能力。在整個運輸體系中，隧道的重要性越來越突出，工程建設的數量不斷增多，實際施工中存在許多安全隱患，對工程的正常進行和實施造成了很大影響。隧道工程施工周期比較漫長、施工進度較為緊迫、涉及內容十分廣泛，導致隧道工程安全狀況堪憂。盡管部分項目企業認識到安全管理的重要性，制定了相關的安全管理體系，但是存在內容不完善、管理模式老套、缺乏創新管理模式、管理流程僵化等問題，導致隧道工程安全管理效果并不理想。針對這一情況，應當積極制定安全標準化管理體系，結合施工現場的具體情況，把安全管理工作落實到各個環節，以保證施工的安全、可靠。

隧道工程施工地質條件復雜、環境惡劣，施工中存在的不可控因素較多，極易產生坍塌和變形風險，嚴重威脅施工安全。尤其對于炭質板巖段隧道施工，因高地應力作用，隧道開挖圍巖承載力較低，穩定性較差，極易導致圍巖剪切破壞，產生大規模巖體變形，給初支和二襯施工帶來較大困難，嚴重影響施工質量，若不及時采取科學措施控制大變形發展，勢必會引發隧道坍塌等重大質量事故，嚴重威脅施工安全，增大建設成本。為此，該文針對公路隧道項目炭質板巖段大變形控制技術進行分析，提出了科學有效的大變形控制措施，取得了顯著成效。

1 工程概況

某1#隧道采用雙洞單線交通設計，兩幅距離為30～40 m，為分離式布置，總里程1 416 m。Ⅴ級圍巖復合襯砌技術參數如下：超前支護采用長度為3 m的超前小導管35根，初期支護采用長度3.5 m的R25中空注漿系統錨桿，雙層￠6鋼筋網，26 cm厚噴射混凝土，120a型鋼拱架，縱向間距75 cm，50 cm厚C30鋼筋混凝土二襯，設計預留形變量為12 cm。隧道開挖施工時，巖層破碎部位利用臺階法施工，堅硬巖層部位采用爆破法施工。

該1#隧道掌子面巖層為板巖夾砂巖，呈灰黑色，為中厚層一薄層構造，變余泥質結構，節理發育，風化程度一般為強風化，板理發育，表面較為平滑，隧道中線與巖層分布方向呈中等角相交；巖體陡峭，質地軟硬交錯，穩定性較差，局部位置存在滲水現象，造成巖層軟化并出現膨脹現象。炭質板巖力學性能與巖層結構面傾角密切相關[1]，當結構面受到荷載作用后，極易產生剪切破壞和整體滑移現象，且遇水后強度顯著下降，降幅超過50%。

2 施工中出現變形情況

隧道掘進過程中，圍巖產生大變形，且始終處于發展狀態，初支變形最大處位于出口左洞ZK58+520～ZK59

+460段，其圍巖等級Ⅴ級，埋深37 m。該路段左側起拱線部位日變形量達2 cm，拱腳處累計變形量超過30 cm，導致初支混凝土破壞，拱架變形侵限。

采用增加鎖腳錨桿的方式對初支實施加固，但效果不理想，圍巖變形仍舊處于持續狀態，鋼拱架變形嚴重，且變形速率較快，單日形變量超過4 cm，顯著增大變形控制難度，導致局部位置初支變形侵限，二襯施工困難，變形持續增加，不得已中斷施工。

3 隧道炭質板巖段施工階段常見問題

（1）隧道開挖后未噴射混凝土前，圍巖結構穩定、完整，但隨著暴露時間的延長，巖體逐漸出現脫落，若不及時采取支護措施，勢必造成巖體垮塌[1]。

（2）隧道炭質板巖遇水易軟化，承載性能顯著下降，尤其對于滲水部位施工時，巖體變形更大，造成拱部巖層大規模松動，進而引發隧道坍塌[2]。

（3）初支后期變形嚴重，發展速度快。通過實時監測數據發現，隧道初支完成后，其變形速度及變形量持續增大。部分路段產生了大于30 cm的大變形，最大累計變形超過40 cm。產生大變形的區域初支破壞嚴重，其具體表現形式為初支混凝土脫落、拱架變形超限等[3]。

4 問題的原因分析

（1）結合隧道掘進過程中巖層特征分析，炭質板巖發育強烈，穩定性較差。隧道開挖時，圍巖在應力作用下，巖體出現剪切破壞，從而使巖體內部原有應力分布被打亂，呈現新的分布方式，受爆破作用影響導致開挖面暴露巖體松動，穩定性降低，發展速度較慢。隨著時間的逐步推移，受空氣及應力共同作用，開挖部位巖體出現脫落現象，在時間損傷效應影響下，內部應力逐漸增大，導致巖體穩定性急劇下降，出現坍塌現象。

（2）炭質板巖屬典型的軟質巖石，強度較低，遇水易軟化和裂解，強度迅速下降，變形增大，穩定性顯著降低，導致開挖部分巖體產生坍塌。

（3）炭質板巖呈節理裂隙發育，抗剪強度較低。按照隧道平衡拱原理，圍巖開挖后，導致節理破壞，向洞內變形加劇，巖體穩定性越差，其變形越嚴重。因此，洞頂巖體產生變形，導致初支荷載作用明顯增大，并由拱架逐漸傳遞至拱腳部位，由于拱腳位置巖體強度較低，不足以約束頂部傳遞的荷載作用，造成初支出現疲勞破壞[4]。

5 隧道炭質板巖大變形控制施工技術要點

5.1 炭質板巖隧道開挖階段施工

（1）隧道施工前，應先通過φ42超前小導管對其頂部區域實施超前支護，并注射水泥漿進行加固處理，以有效固結頂部破碎巖石，增大頂部徑向抗力作用和巖體強度，防止巖體脫落，避免頂部松動圈增大。

（2）隧道爆破施工前，應結合地質勘察及現場具體情況制定爆破方案，合理布設爆破孔位置及填藥量，降低爆破對周邊巖體造成的影響，避免巖體穩定性下降。

（3）選用微臺階法進行隧道施工，并嚴格控制階高與階長，確保階長不超過7 m，階高不超過3 m，并在上臺階位置保留核心土。同時，應合理控制開挖深度，確保每次循環進尺為1榀拱架長度，且小于1 m。利用微臺階開挖，可最大限度地減小巖體變形，保證巖體穩定性[5]。

5.2 炭質板巖隧道初期支護階段施工

（1）隧道施工完成后，應及時通過噴錨支護+鋼拱架完成初期支護，并增設鎖腳錨桿，為產生變形的巖體提供徑向抗力作用，同時應嚴格控制施工速度，保證3 h內完成初期支護。

（2）施作頂部及兩側初期支護時，應同步完成各部位鎖腳錨桿加固。鎖腳錨桿可采用規格為42 mm×4 m的鋼管，各拱架應保證至少施加8根長度不小于4 m的鎖腳錨桿，并與各臺階拱架牢固連接。錨管按照45°傾角進行施作，并通過U形鋼筋與鋼拱架可靠連接。注漿作業待錨管安裝完成后開始，在施工過程中要嚴格控制注漿壓力，使其始終保持在0.3～0.5 MPa范圍內，經注漿處理使圍巖強度及整體性顯著提高，防止遇水整體軟化，同時用水泥漿填充巖體縫隙，使破碎巖體固結成一個整體，增強鎖腳錨桿性能。其具體布置形式如圖1所示。

（3）下臺階施工應嚴格控制掘進深度，單次掘進進尺不得大于2榀鋼拱架，且應在噴射混凝土承載力滿足要求后施工，以防止上臺階鋼拱架變形脫落。同時，將上臺階混凝土噴射施工中產生的殘渣清除，焊接上下鋼筋網，使其形成一個整體，確保拱架穩定和可靠。

5.3 炭質板巖隧道施工技術措施

由于炭質板巖遇水易軟化，穩定性較差，因此在隧道開挖時應及時完成初期支護及二次襯砌施工，同時還要嚴格控制以下幾點：

（1）炭質板巖受時間損傷效應影響，變形始終處于發展狀態，且變形量較大，開挖完成后應及時完成初期支護，對于巖體穩定性較差、變形量較大部位應二次施作初期支護。首次支護采用“錨網噴+鋼拱架”形式隨開挖同步完成支護，施工中嚴格控制混凝土噴射厚度，確保不低于20 cm，以有效控制巖體初期變形；待圍巖應力大部分釋放且仰拱施作完成后，通過增加錨桿數量，再次懸掛鋼筋網，并噴射10 cm厚混凝土，避免巖體及初支變形超限。

（2）仰拱應緊跟初支進行施工，以確保隧道開挖斷面及時封閉成環，提高初支徑向抗力。針對局部變形量較大的部位，需在上臺階底部設置臨時仰拱鋼架，與兩側鋼拱架形成整體，以有效提高初支強度、剛度和穩定性。

（3）對于豐水區域，需通過超前支護注漿，對開挖面前方巖體進行止水加固。通過水泥漿將巖層裂隙中的水分排擠出來，并對破碎巖體實施固結，形成整體，使圍巖內部水流改道，保證開挖面3 m區域范圍內無滲水現象，防止圍巖產生坍塌，提高施工安全等級。

（4）強化炭質板巖初支拱頂沉降及水平收斂監測，并結合監測數據，全面了解巖體基本狀況，根據二襯施作的時間、空間等指標，合理確定炭質板巖施工段的預留變形量。通過現場實際檢測，建議該區段變形量以20～50 cm為宜，實際掘進過程中結合實測值實時調整開挖尺寸，防止后期變形對二襯造成影響[6]。

6 炭質板巖段隧道變形加固措施

（1）經現場實際監測發現，炭質板巖段隧道洞頂沉降及水平收斂最為嚴重，且發展速度較快，必須盡快施作臨時仰拱，與初期支護形成整體封閉成環，提高初期支護強度，增強抗變形能力。其具體操作流程如下：預先做好拱腳位置的降排水工作，并采用人工開挖方式挖出拱腳及仰拱溝槽，使設置的臨時仰拱與初支形成整體[7]。由于該區域巖體穩定性較差，施工中嚴禁使用挖機進行大面積仰拱開挖，避免拱腳出現懸空現象，引發隧道垮塌。此外，待臨時仰拱與初支封閉成環后，應沿隧道縱向在臨時仰拱上部增設縱向連接件，使其形成穩定的受力體系，增強承載能力，其中縱向連接件可使用規格I16的工字鋼，在兩側對稱設置[8]。

（2）在隧道變形較大的部位，當初支產生裂縫且水平位移超限時，應設置水平橫向支撐實施加固。實際施工時，應將其設置于邊墻部位，并在洞體兩側對稱設置2根Ⅰ16工字鋼，然后將鋼管兩端分別固定在工字鋼上，鋼管布設時應嚴格控制鋼管間距，最大不得超過2 m。

（3）炭質板巖破碎嚴重，強度較低，巖體存在較大變形。在施作初支時，應按照1.5 m×1.5 m的間距合理布設注漿錨管，對其后方圍巖實施加固。錨管采用管徑φ42 mm，壁厚4 mm，長度4.5 m的無縫鋼管，并采用φ6鋼筋在其底部設置加強箍，避免施工過程中底部變形影響后續注漿，實際安裝時應將錨管端部支撐密閉錐形，便于導管安裝。注漿前，應采用噴射混凝土方式對初支表面裂縫實施封閉處理，避免注漿漿液由裂縫流出。漿液為水灰比1∶1的水泥漿，實際施工過程中，應結合地質狀況、現場試驗及漿液固結時間科學確定漿液配合比。同時，注漿時應嚴格控制注漿壓力，不得超過0.5 MPa，防止對巖體造成破壞。

（4）通過以上所有加固方案處理后，若隧道變形量及發展速度依舊處于增加狀態，在確保初支不侵限的情況下，可在初支表面設置一層型鋼拱架，再進行一次加強支護，提高初支強度。鋼拱架采用規格為Ⅰ20工字鋼，以間距0.5 m一道進行設置，鋼拱架安裝前，必須將原始初支表面清理到位，確保與新增拱架緊密結合。同時，在拱腳部位設置鎖腳錨桿，并設置φ8鋼筋網片，噴射混凝土。上述所有加固方式可結合現場具體情況及加固效果進行合理選用，直至加固效果滿足施工要求[9]。

7 施工效果

該公路隧道工程1#隧道炭質板巖段施工，根據以上支護方式進行加固后，隧道開挖過程中無安全事故發生，有效提升了施工效率，隧道洞體變形控制良好。大變形區域通過施作臨時支撐、臨時仰拱封閉成環、三次初期支護、增設鎖腳錨桿及初支壁后注漿等一系列加固措施，有效控制了變形發展，保證了施工安全，效果顯著。

8 結語

綜上所述，該文結合某公路隧道工程1#隧道施工實例，對公路隧道項目炭質板巖段大變形控制展開研究，分析了隧道炭質板巖段施工中常見問題及具體成因，總結了大變形控制施工技術要點，并提出了炭質板巖段隧道變形加固的具體措施，即采用短進尺、強支護、早封閉、及時施作二襯、增加預留變形量、多次初支、增設鎖腳錨桿及初支壁后注漿等措施[10]。通過大變形區域的實際應用，實現了對隧道施工炭質板巖段大變形的有效控制，保證了隧道工程建設的順利完成，取得了良好的經濟和社會效益。

參考文獻

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