順層偏壓巖層中隧道支護

蔣建成

國內某順層偏壓隧道工程，在施工過程中初期支護出現了病害，通過專家會審、不斷調整支護參數進行了多次試驗后，最終確定了合理的支護參數。本文將處理順層偏壓病害的過程和措施進行總結，以便在以后施工過程中遇到相同病害時參考。

1 工程及地質概況

重慶某高速公路隧道，位于烏江侵蝕河谷發育的中低山峽谷地區，最大埋深約 1 000 m。隧道設計為單向雙車道，全長約4 700 m。隧道穿越地層為志留系羅若坪組粉砂質頁巖、頁巖，夾少量粉砂巖，深灰、灰黑、灰色，層理發育，薄～中厚層狀，粉砂狀泥質結構。頁巖裂隙面一般平直、光滑，多呈閉合狀，無充填或鈣質薄膜充填，巖芯失水后易起裂紋。巖石天然抗壓強度25 MPa～40 MPa，具有一定脆性。隧道通過區域構造簡單，地層單斜，巖層產狀 280°～ 341°∠20°～ 48°，巖層走向與路線走向交角為 5°～20°，傾向路線右側;主要節理有:110°～ 160°∠57°～ 72°，90°∠90°，節理間距1 m～2 m，多呈密閉或微張，延伸性一般。

2 工程地質特點

1)隧道通過的巖性主要為砂質頁巖，其強度介于硬質巖與軟質巖之間;巖層走向與路線走向交角小，隧道靠山側邊墻為順層。2)埋深較大，且部分埋深急劇增大，最大埋深約1 000 m。3)深孔巖芯表明，圍巖層理發育，發育 1組～2組裂面，裂面光滑、平直、密閉，與隧道開挖揭示的微節理發育一致。4)隧道深孔(孔深662.2 m)地應力測試，最大水平主應力為16 MPa，方向為N67°W，與隧道軸線交角約62°，且與巖層傾向基本一致，對隧道圍巖較為不利。

3 施工過程中出現的問題

在施工至埋深約328 m開始，局部段落拱部在初期支護完成后，拱架表面噴混凝土在7 d～10 d內出現裂縫并逐漸變大，隨掌子面開挖逐步前移，最后發展為爆殼。且隨著時間推移，出現了格柵拱架變形現象。開挖后病害特點如下:1)隧道爆破后，圍巖完整性較好，施工炮眼痕跡一般殘留70%以上。2)在隧道埋深達350 m后，隧道支護變形量較大，沿隧道右側拱部范圍內出現縱向開裂。3)施工面不封閉時，幾小時后圍巖會沿微節理面及層理面產生松弛破裂，在拱頂、洞壁及掌子面會出現響聲，且有圍巖剝落掉塊，開挖輪廓逐漸呈不規則狀等現象，之后暴露面呈現出破碎～較破碎狀態。4)圍巖應力釋放緩慢，時間長，且具有突然大量釋放的特點，使得初期支護變形開始不明顯，繼而突然開裂，變形發展較快。5)地應力在左、右洞間，隧道進口段與出口段的表現不盡相同，具有不對稱性、非均勻性，使左右洞、進出口段處理措施效果差異明顯。

4 調整后支護參數及采取的措施

經專家會審，不斷調整施工參數，分別進行了Ⅲ級圍巖復合式(D型)、Ⅲ級圍巖復合式(C型)、Ⅲ級圍巖復合式(D1型)、Ⅲ級圍巖復合式(E型)、Ⅲ級圍巖復合式(E型)過渡加強段、Ⅲ級圍巖復合式(F型)、Ⅲ級圍巖復合式(G型)、Ⅲ級圍巖復合式(H型)試驗段施工。其詳細支護參數見表1。

表1 隧道支護參數一覽表

5 采取措施后的效果

Ⅲ(D)及Ⅲ(C)試驗段施作的同時加強監控量測工作，設置測點及測試元件，收集圍巖壓力、鋼支撐應變、錨桿軸力、拱頂沉降、水平收斂等數據，以確定試驗段初支效果，指導后續施工。

但在試驗段施作一個星期之后，試驗段的Ⅲ(C)及Ⅲ(D)再次出現不同程度的裂縫，其中有幾榀格柵拱部局部彎曲，主筋彎曲凸出，左線情況較為嚴重，右線支護開裂不明顯。

相關專家對現場進行實地踏勘后，確定對支護進行加強，調整為格柵間距1.0 m/榀Ⅲ(D1)及格柵間距0.8 m/榀Ⅲ(E)襯砌，并在左、右線分別施作Ⅲ(D1)及Ⅲ(E)試驗段，對比支護效果。

試驗段施作過程中左洞Ⅲ(D1型)試驗段在拱肩處的拱架位置出現開裂，并使格柵拱架外凸變形，初期支護局部輕微表面崩殼;Ⅲ(E型)個別輕微崩殼，在K41+165靠山側拱腰處有一斜條裂紋，其余初期支護較完好。右洞Ⅲ(D1型)試驗段拱頂噴混凝土開裂，開裂位置與掌子面距離13 m～20 m，其后開裂位置隨開挖面前移，開裂處逐漸增長、擴大;Ⅲ(E型)在距離掌子面6 m～15 m拱頂位置出現崩殼、開裂。開裂距離較之前Ⅲ(D1)試驗段距掌子面更近。

經專家會審，施作0.8 m/榀的工字鋼架的Ⅲ(G)型襯砌、0.6 m/榀的格柵鋼架的Ⅲ(F)型襯砌，在左右線分別進行對比試驗。

根據試驗段施作效果，上半斷面初支僅左、右線在同一對應的里程上，左、右線的右半拱部附近有幾榀鋼架處有局部的剝落掉塊現象外，其余均未發現異常，開裂變形情況遠比Ⅲ(D1)，Ⅲ(E)等試驗段要好，拱頂下沉累計值均在8 mm～33 mm之間，且趨于穩定。專家組經過現場對比各試驗段支護效果，聽取各方提供的資料，認為Ⅲ(F)，Ⅲ(G)支護均能滿足要求，但從經濟上比較，Ⅲ(G)要優于Ⅲ(F)，故決定Ⅲ(G)類型為后續施工段支護類型。

按照Ⅲ(G)襯砌施工至左線ZK41+420及右線K41+390以前段，均正常施工無異常情況。但施工左線ZK41+420～ZK41+510，右線K41+390～K41+568段初期支護噴混凝土再次縱向開裂和局部拱架變形，其中右線K41+395～K41+465段尤為嚴重，鋼架嚴重扭曲變形，初支嚴重侵限，K41+395～K41+405右側下部鋼架發生剪切變形。

Ⅲ(H)試驗段施作完成后，初支未見病害，監測數據表明，拱頂下沉累計值均在8 mm～33 mm之間，且趨于穩定。

6 結語

隧道的病害是由于上覆地層自重應力、順層地層偏壓、巖體微裂隙發育、巖體的強度介于軟質巖和硬質巖之間等多種因素組合所形成的巖體在隧道開挖后的二次應力作用下發生的二次破壞，是一種特殊的地質病害。由于隧道圍巖順層偏壓情況受地層巖性、埋深、巖體節理、地應力等多種因素影響，規律性不強，且左右洞對應段落也存在差異，這給準確的進行襯砌結構設計帶來了很大的難度，唯有在施工過程中，根據監控量測的資料，及時分析反饋，動態調整初期支護，確定合理的支護措施。

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