炭質(zhì)板巖軟弱圍巖隧道擠壓變形規(guī)律及處理措施分析

羅虎LUO Hu

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471013）

0 引言

當(dāng)前，隧道施工所穿越的地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和工程問題的多樣性都是空前未有的[1]。對于修建在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的隧道，容易產(chǎn)生塌方、變形和支護(hù)開裂等地質(zhì)災(zāi)害問題。圍巖大變形是隧道工程界的一個重要研究課題，已有研究成果證實擠壓和膨脹是軟弱圍巖隧道大變形的兩種主要誘導(dǎo)模式[2-4]。隧道圍巖變形初期不僅絕對量值較大，位移的速度也很快，且變形持續(xù)時間也較長。對于軟弱圍巖的上述大變形特征，若處理方案不當(dāng)，會緊接著產(chǎn)生次生災(zāi)害或給隧道的未來運營埋下隱患。因此，由于隧道所處地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，類似工程的大變形特點與防治通常需要進(jìn)行合理而有效的研究。以某隧道為依托，通過室內(nèi)試驗，地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料，對該隧道變形和相應(yīng)的處理方案進(jìn)行了研究。

1 工程地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

依托隧道左、右線分別長2268m、2286m。隧道多次穿越彎曲多變的黃洋河，河流兩側(cè)地勢略顯陡峭，山前坡積物發(fā)育，厚度約1-2m，下覆基巖斷續(xù)出露。

1.2 地質(zhì)條件

隧道圍巖主要由不同風(fēng)化程度的板巖構(gòu)成。巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖體主要物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)褶皺束構(gòu)造格局為兩個復(fù)背斜夾一個復(fù)向斜，位于斷層斜穿隧道進(jìn)口段，該斷層與隧道呈大角度相交，其斷裂方向呈近北西向展布，屬于逆斷層類型。

2 擠壓變形特征

2.1 宏觀特征

隧道擠壓變形主要發(fā)生在不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖與斷裂帶中，最大變形為607mm。相應(yīng)的變形特征如下：初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷裂和變形導(dǎo)致了隧道的部分坍塌。隨著隧道的逐步開挖，圍巖經(jīng)歷了連續(xù)的變形，鋼格柵出現(xiàn)扭曲，噴射混凝土出現(xiàn)劈裂和剝落。圍巖最大變形達(dá)250mm。I14 號工字鋼被用來支撐隧道右線10m 區(qū)域，但是并不能防止進(jìn)一步的變形，隧道圍巖仍然發(fā)生了崩潰。隧道拱頂出現(xiàn)嚴(yán)重下沉。當(dāng)隧道右線開挖時，部分圍巖為風(fēng)化板巖、節(jié)理裂隙極發(fā)育并夾有小型褶皺造成地質(zhì)偏壓。在此階段，隧道開挖斷面出現(xiàn)了少量地下水滲出，導(dǎo)致圍巖發(fā)生明顯的變形。水平方向的收斂變形達(dá)到230mm，拱頂下沉140mm，同時噴射混凝土出現(xiàn)劈裂和剝落。典型的邊墻擠壓破壞，當(dāng)隧道右線因小型褶皺造成地質(zhì)偏壓，邊墻發(fā)生了嚴(yán)重擠壓變形。水平收斂變形達(dá)到180mm，拱頂下沉110mm，噴射混凝土出現(xiàn)劈裂、剝落。典型的邊墻失穩(wěn)破壞，隧道右線開挖出現(xiàn)薄板巖層。板巖層在地質(zhì)偏壓的作用下，造成圍巖產(chǎn)生較大擠壓變形與坍塌。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測分析

對隧道右線多個斷面開展了現(xiàn)場監(jiān)測，歷時3 個多月。工作包括隧道拱頂下沉和周邊位移量測。隧道V 級圍巖巖體的時間-位移曲線如圖1 所示。現(xiàn)場監(jiān)測中，巖體變形通常出現(xiàn)在拱頂和邊墻部位，同時伴隨著噴射混凝土劈裂、剝落。邊墻最大變形量分別高達(dá)62.5cm 和56.1cm。此外，在一些嚴(yán)重變形區(qū)，出現(xiàn)了初期支護(hù)損壞，甚至大面積坍塌的現(xiàn)象。

圖1 隧道圍巖收斂時間-位移曲線

大變形一般在初期支護(hù)施工完成后開始，隨后持續(xù)一段相當(dāng)長的時間。斷面最大變形速率是34.18mm/d。受地下水的影響，圍巖的水平收斂和拱頂下沉曲線出現(xiàn)了反彎點。同時，兩個監(jiān)測斷面分別需要大約90-130 天，80-120天的時間來完成90%的變形，此時隧道圍巖才基本趨于穩(wěn)定。在軟巖隧道中發(fā)生的這種大變形量和持續(xù)時間長的現(xiàn)象對隧道施工造成較大的影響。

3 變形影響因素

3.1 巖體強(qiáng)度

在隧道發(fā)生大變形的巖體主要為極軟-較軟砂質(zhì)板巖，其巖體表現(xiàn)為抗風(fēng)化能力差，遇水易軟化。節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)不均勻等特點，相應(yīng)參數(shù)的變異系數(shù)也較大。通過室內(nèi)單軸壓縮試驗，對隧道巖體進(jìn)行了天然和飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度試驗（詳見表2）。結(jié)果顯示，大多數(shù)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度低于10MPa，同時測試樣本的軟化系數(shù)為0.85。這些特性有助于地層長期發(fā)生蠕變，從而引起較大的圍巖變形。

表2 巖體單軸抗壓強(qiáng)度匯總

3.2 巖體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場圍巖結(jié)構(gòu)的劃分是基于初步的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，由以下參數(shù)，如：抗壓強(qiáng)度、縱波速度、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育，地下水條件，來進(jìn)行等級劃分。現(xiàn)場地質(zhì)勘察顯示，隧道穿越的整個地層圍巖呈現(xiàn)明顯的破碎狀況；同時，巖體的不連續(xù)性主要包括結(jié)構(gòu)節(jié)理和平面特征，而這兩個特性會給裂隙儲水提供空間，促使圍巖的變形。隧道開挖在穿越此類地層時，由于自穩(wěn)能力差，以及隧道開挖的擾動，極易造成圍巖的變形和坍塌。

3.3 膨脹

為研究隧道圍巖中粘性材料對變形是否有影響，通過化學(xué)分析和X-射線衍射等測試手段檢測板巖中的粘土礦物成份。根據(jù)X-射線衍射結(jié)果，板巖主要由綠泥石、伊利石等粘土類礦物組成，并夾雜有石英、長石等其他礦物。綠泥石呈針狀、片狀，長軸長50-75um。石英、長石等礦物主要分布于粘土礦物排列形成的孔隙中。粘土礦物粒徑在10-30um，顆粒之間以孔隙充填式膠結(jié)為主。

通過化學(xué)分析確認(rèn)了板巖各粘性化學(xué)成份含量。樣本板巖含有大量的堿性氧化物：Fe2O3（6.43%-7.27%），K2O（3.45%-4.31%），Al2O3（19.46%-21.67%）。而K2O 的含量高則可能證明伊利石的存在。從試驗結(jié)果可以判斷出綠泥石及伊利石的百分含量可達(dá)到80%。板巖中的粘性材料含量很高，而這些粘性材料在隧道開挖遇到地下水時，會對圍巖變形起到促進(jìn)作用，不利于隧道襯砌的安全與穩(wěn)定。

3.4 地下水

隧道各段預(yù)測的地下水最大涌入量如表3 所示。隧道各段的變化較大，涌水量從0-113m 段的19.5m3/d，到1483-2223m 段的149.7m3/d。

表3 預(yù)計最大涌水量

值得注意的是，隧道開挖過程中，有時隨著地下水的出現(xiàn)，大變形量迅速增大。地下水的出現(xiàn)可能是由于隧道掘進(jìn)形成的塑性區(qū)改變了圍巖內(nèi)原本的滲流場。水會滲透和流入隧道，地下水對變質(zhì)板巖有明顯的軟化作用，降低了板巖的強(qiáng)度，造成開挖面不能維持穩(wěn)定。此外，由于地下水的流動會產(chǎn)生一定的滲流力，同樣對圍巖變形起到推動作用。

4 處理方法與驗證

4.1 處理方法

對于隧道試驗段，其初始設(shè)計支護(hù)無法滿足圍巖穩(wěn)定要求。從現(xiàn)場實際情況看，初支完成后由于圍巖強(qiáng)度較低致使嚴(yán)重收斂，從而造成初支噴射混凝土開裂、變形，初支嚴(yán)重侵入二襯，導(dǎo)致二襯厚度不足。為減輕隧道地質(zhì)災(zāi)害，提高和改善圍巖承載能力，主要采用了以下處理方法：①拱腰至拱腳進(jìn)行超前注漿導(dǎo)管預(yù)加固；②藥卷錨桿和鎖腳注漿導(dǎo)管；③拱部反向超前導(dǎo)管注漿加固。圖2 所示為隧道襯砌變形處理方法。現(xiàn)場施工時，換拱在拱部施作反向超前導(dǎo)管注漿加固后進(jìn)行。同時，安裝I18 型工字鋼臨時支撐，換拱部位后方設(shè)置3 環(huán)臨時支撐，前方設(shè)置6 環(huán)臨時支撐。支護(hù)工字鋼由I14 調(diào)整為I18，縱距調(diào)整為80cm，提高支撐能力。施作單層間距20×20cm 的Φ8 鋼筋網(wǎng)片。系統(tǒng)錨桿拱部以上采用藥卷錨桿與注漿小導(dǎo)管交叉布置，拱部以下與拱腳之間采用Φ22 藥卷錨桿，C20 噴射混凝土厚度為24cm。超前支護(hù)采用30 根Φ42×3.5mm 超前小導(dǎo)管，每根長3.5m，排距為1.6m；仰拱初期支護(hù)增加I18 工字鋼，C20 噴射混凝土厚度為22cm。注漿采用單液漿，水灰比為1：1，注漿壓力0.5-1.0MPa。

圖2 處理方法

4.2 效果驗證

4.2.1 變形

圖3給出了隧道右線兩個測試斷面在換拱后的圍巖收斂時間-位移曲線。可以看出，兩個斷面的最大水平收斂分別為18.5cm 和13.9cm；拱頂最大下沉分別為12.3cm 和10.1cm。兩個監(jiān)測斷面的大部分變形在支護(hù)完成后的20天內(nèi)進(jìn)行，最終均在40-50 天左右完成90%的變形，圍巖基本趨近穩(wěn)定狀態(tài)。采取對應(yīng)支護(hù)措施后，不僅圍巖變形速率降低，最終變形完成時間減少，而且總變形量也大幅減少，因此，處理效果很理想。

圖3 換拱后隧道圍巖收斂時間-位移曲線

4.2.2 襯砌厚度

從隧道右線兩個斷面在三個時期的襯砌厚度變化可以看出，進(jìn)行隧道襯砌的替換之前，兩個斷面的襯砌厚度損失嚴(yán)重，襯砌總厚度分別為13.8-32.3cm 和20.0-37.6 cm，尤其是斷面1 右邊墻襯砌厚度損失嚴(yán)重，最小僅為13.8cm。從現(xiàn)場情況來看，如果不進(jìn)行換拱施工，初支侵入二襯的不良現(xiàn)象仍會繼續(xù)。考慮到工程的安全性需要，襯砌厚度較原始設(shè)計有所提高。可以看到，在施工后40 天內(nèi)，兩個斷面的隧道襯砌厚度減小量小于10cm，變形基本趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

①隧道變形主要表現(xiàn)形式為拱頂嚴(yán)重下沉，邊墻壓向外側(cè)擠壓變形，邊墻局部屈曲破壞和隧道局部坍塌。隧道研究區(qū)段邊墻最大變形量高達(dá)62.5cm，最大變形速率為34.18mm/d。大約需要80-130 天的時間來完成90%的變形，然后圍巖才基本趨于穩(wěn)定。板巖的軟弱性導(dǎo)致板巖隧道中的變形持續(xù)時間長且變形量大。同時，巖體的膨脹和地下水作用也同樣對圍巖變形起到了推動作用。

②提出的三種處理方法：1）拱腰至拱腳進(jìn)行超前注漿導(dǎo)管預(yù)加固；2）藥卷錨桿和鎖腳注漿導(dǎo)管；3）拱部反向超前導(dǎo)管注漿加固。在處理方法實施后，最大水平收斂為18.5cm；拱頂最大下沉量為12.3cm，最大變形量顯著降低，僅為實施前的三分之一左右。