軟弱千枚巖地層圍巖亞分級及支護方式研究

齊萬鵬，張德華，嚴競雄，史振宇

(1．北京交通大學，北京 100044;2．中鐵十二局集團有限公司，太原 030024)

1 前言

隧道圍巖分級是評定圍巖的性質、判斷隧道圍巖穩定性、選擇隧道施工方法及支護參數的前提。傳統的鐵路、公路隧道圍巖分級采用經驗類比法，依據隧道圍巖分級表，并同時考慮圍巖地下水和地應力特征進行。

包家山隧道穿越的千枚巖地層工程地質復雜，斷層多，巖體性質變化大，圍巖穩定性差，遇水極易軟化。依據現有圍巖分級的施工方法進行施工，施工中多次出現掉塊、坍塌現象。傳統的圍巖分級方法已難以滿足包家山隧道千變萬化的千枚巖地層情況。因此，在確定包家山隧道千枚巖基本水理性質基礎上，依據《鐵路隧道設計規范》(TB10003－2005)基礎上，運用國標《工程巖體分極標準》(GB50218－94)中巖體基本質量指標(BQ)，對隧道IV、V級千枚巖進行了較為細致的分級，將IV、V級圍巖分為兩個亞級，建立了千枚巖圍巖施工階段亞級分級方法，獲得了不同亞級的包家山千枚巖隧道施工方法，并運用該亞分級對應的施工方法進行施工，實現了日進度達到3．75 m，保證了施工安全和施工進度。

2 包家山隧道工程概況

2．1 工程概況

包家山特長隧道位于包茂線(陜西境)小河—安康高速公路的咽喉部位，全長11．2 km，是全國第三長公路隧道，也是國家規劃的包頭至茂名公路大通道的控制性工程，其所處區域工程地質以千枚巖為主，屬南羊山斷裂和石泉—安康斷裂之間，地段斷層、褶皺發育影響全隧道的較大規模斷層有37條。斷層帶周邊常見強構造混雜帶、強糜棱巖化、片理化等，斷層兩側及褶皺軸部裂隙發育巖石破碎，圍巖穩定性差，破碎帶多，地下水豐富。

隧道為單向行駛雙車道隧道，開挖面積106．4 m2。隧道凈寬10．25 m，凈高5．0 m，除洞口段結合地形、地質條件設置明洞外，其余地段均按新奧法原理設計，采用柔性支護體系結構的復合式襯砌，見表1。

表1 包家山隧道支護設計情況Table 1 Supporting system of Baojiashan tunnel

初期支護:洞口段采用徑向系統錨桿、超前管棚周壁預注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅴ級圍巖段采用徑向系統錨桿、超前小導管周壁預注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅳ級圍巖段采用徑向系統錨桿、超前錨桿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅲ級圍巖段采用徑向系統錨桿配合噴射混凝土形成整體。

二次襯砌:明洞、洞口淺埋段、涌水段、塑性變形段、交叉段及設備洞室均采用鋼筋混凝土結構，其余地段采用素混凝土結構。對Ⅳ、Ⅴ級圍巖均采用帶仰拱襯砌，Ⅲ級圍巖不帶仰拱，但對于2#斜井與主洞交叉處采用帶仰拱襯砌。在二次襯砌墻腳下采用加厚曲邊墻型式，確保墻腳外側縱向排水管不侵入邊墻內。

防排水設計:隧道的防排水遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則。要求排水通暢、防水可靠、施工方便，保證運營期間隧道內不滲不漏，達到基本干燥要求，保證襯砌結構和洞內設備的正常使用以及行車安全。隧道明洞段采用粘土隔水層作為第一道防水線防止地表水滲漏，明洞襯砌外鋪設土工布及防水板作為第二道防水措施;暗洞隧道在初期支護和二次襯砌間敷設土工布及防水板;二次襯砌沉降縫采用中埋式橡膠止水帶止水，施工縫采用P－201止水膏。在初期支護中根據地下水量大小按規定間距設置排水半管將匯水引入襯砌兩側墻腳外側縱向排水花管中，沿隧道全長在行車道中心下設置中心排水管，縱向排水花管中的水通過橫向連接引入中心排水管，通過中心排水溝將水排出洞外?？v向排水花管、中心排水溝及路面兩側邊溝間隔適當距離設置檢查井及沉淀池，方便維修及利用高壓水沖洗疏通。

2．2 工程及水文地質概況

隧道工程地質以粉砂質絹云母千枚巖夾炭質板巖為主，千枚巖含量占45%左右。圍巖節理、裂隙發育——很發育，呈薄層狀角礫結構，產狀不穩定，圍巖破碎，局部結構充填泥質物，面光滑，穩定性差。

區內巖體均為淺變質巖類，根據巖石結構和力學性質不同分為千枚狀軟質巖類、片狀半堅硬巖類和板狀、層狀硬質巖類。

1)千枚狀、片狀軟質巖類(ⅡB):片巖、千枚巖或以千枚巖為主夾板巖等地層，主要分布在隧道YK151+665～YK156+910、YK157+870～YK159+270、YK159+517 ～ YK161+900、YK162+260 ～YK162+840，占隧道長度的89．10%。巖石質軟，強度較低，抗風化能力差，節理裂隙發育，巖石破碎，其飽和單軸抗壓強度Rc為2．9～28．9 Mpa。

2)硬質巖類(ⅡA):以層狀灰巖或板巖為主，主要有灰巖、細晶灰巖，白云巖、碳質板巖、鈣質粉砂質板巖等，主要分布在隧道中部和南部地段，里程樁號為 YK156+910～YK157+870，YK159+270～YK159+517，YK161+900～YK162+260，占隧道總長的10．9%，細晶或微晶結構，巖石致密、堅硬，節理裂隙發育，飽和抗壓強度Rc在11．3～72．0 Mpa。部分地段溶蝕強烈，可見直徑1～4 m的溶洞和0．10～0．20 m寬的溶蝕裂縫，地震勘探測得深部有直徑5～100 m不等的巖溶異常區。圖1給出了包家山隧道右線巖體分布圖。

圖1 包家山隧道右線巖體分布圖Fig．1 Distribution picture of rock mass in right line of Baojiashan tunnel

隧道經過地段地下水埋藏分布極不均勻，受巖性構造及巖溶發育程度等因素控制。根據巖性的差異分成3個富水地段，綜合考慮基巖裂隙水的極不均勻性質和隧道施工運營安全，隧道總涌水量取斷面流量法和滲渠法的平均值1188．61m3/h，即左、右線均為28512 m3/d。

2．3 原設計圍巖分級概況

依據圍巖的主要特征和圍巖基本質量指標BQ將包家山隧道圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，以軟巖至較堅硬巖為主，BQ在251～450之間，少數地段為Ⅴ級圍巖，屬全、強風化的軟巖，巖體破碎，BQ≤250，見表2。

表2 包家山隧道圍巖分級情況Table 2 Condition of rock classificationin Baojianshan tunnel

2．4 原施工方案設計

包家山隧道洞口段采用徑向系統錨桿、超前管棚周壁預注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;洞身Ⅴ級圍巖段采用徑向系統錨桿、超前小導管周壁預注漿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅳ級圍巖段采用徑向系統錨桿、超前錨桿，鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體;Ⅲ級圍巖段采用徑向系統錨桿配合噴射混凝土形成整體。

運用上述施工方案，在隧道開挖過程中，多次出現中型及小型塌方現象，施工極為困難。因此項目部下決心針對不同涌水量，不同完整程度的千枚巖進行專項研究，確定更為細致的適合包家山隧道的千枚巖圍巖亞分級方法及相應的施工方法，保證工程安全及順利實施。

隧道進出口明洞均采用分層小切口明挖，進行錨噴混凝土的加固。明洞采用就地模筑全斷面整體式鋼筋混凝土襯砌，明洞回填時，對稱回填土石并分層夯實，每層厚度不得大于50 cm。

隧道暗洞施作在明洞施作后進行。隧道暗洞加強段、Ⅴ級圍巖采用臺階分步開挖，每環進尺控制在1．0 m，臺階長度不小于6 m，采用弱爆破或機械開挖，初期支護及時封閉。下半斷面應采用拉中心槽，兩側留足臺階土，馬口跳槽開挖落地，馬口長度不大于3 m，及時完成初期支護;Ⅳ級圍巖采用正臺階法開挖;最終全斷面模筑二次混凝土襯砌;Ⅲ、Ⅱ級圍巖采用全斷面開挖。

3 包家山隧道千枚巖圍巖亞分級研究

3．1 千枚巖工程特性試驗研究

千枚巖除了具有其他軟巖的共性外，還有一些特殊的性質。當前國內外對千枚巖工程特性的研究較少，只在烏鞘嶺等隧道中進行過一些千枚巖施工技術方面的研究，但以往的研究因工期等多種原因限制不夠詳細，不足以滿足新的工程的需要，所以通過物理力學試驗對千枚巖的工程特性進行研究。

巖石的物理力學性質特征是影響巖石工程性質的重要因素，也是設計和施工的重要依據［2，3］。本工程對包家山隧道小康段不同里程處的巖石采樣，進行了巖石的質量指標、巖石的水理性質指標物理力學性質試驗。試驗結果見表3。

表3 巖石物理力學性質試驗結果Table 3 Experiments results of physics and mechanics properties of rock

3．2 分級指標體系的選取

影響千枚巖圍巖分級的主要因素可以用圍巖分級的指標體系來表達。當前國內外主要采用巖石堅硬程度、巖體完整性狀態和地下水作為最常用的圍巖分級的指標，其最高采用率達100%。關寶樹等學者研究認為，一般巖質圍巖施工階段，圍巖分級指標除了包括巖石堅硬程度、巖體完整程度的基本指標外，修正指標中影響較大的為地下水狀態［4，5］。

包家山隧道圍巖亞分級研究中，也采用上述3項指標進行圍巖亞級分級。

3．3 包家山隧道千枚巖亞分級

為了保證《公路隧道設計規范》(JTG D70－2004)的連續性，以及更好地滿足工程實際，本次研究在《鐵路隧道設計規范》(TB10003－2005)基礎上，運用國標《工程巖體分極標準》(GB50218－94)中巖體基本質量指標(BQ)，對隧道IV、V級千枚巖進行了較為細致的分級，將IV、V級圍巖分為兩個亞級。圍巖基本質量指標值［BQ］可按公式計算

［BQ］=BQ －100(K1+K2+K3)。

式中，［BQ］為圍巖基本質量指標修正值;BQ為圍巖基本質量指標;K1為地下水影響修正系數;K2為主要軟弱結構面產狀影響修正系數;K3為初始地應力狀態影響修正系數。上述3項修正系數依據國標《工程巖體分極標準》(GB50218－94)進行取值，見表4～表6。

表4 地下水影響修正系數K1Table 4 Amendatory influence coefficient K1 of groundwater

表5 主要軟弱結構面產狀影響系數K2Table 5 Shape influence coefficient K2 of main weak structural plane

表6 初始應力狀態影響系數K3Table 6 Influence coefficient K3 of original stress state

修正后的［BQ］值采用表7的BQ范圍進行分級。

表7 包家山隧道千枚巖亞級分級標準Table 7 Criterion of sub－classification for phyllite in Baojiashan Tunnel

表8 包家山隧道右線圍巖級別表Table 8 Rock classification of right line in Baojiashan tunnel

運用上述分級方法，在包家山隧道里程YK151+650～K156+500段，采用施工階段的動態分級方法對該標段進行了亞分級。隧道右線YK155+810～K155+890，YK156+350～K156+490段共220 m被劃分為Ⅳ1級，YK151+930～K152+650，YK152+890 ～K153+430，YK153+430 ～K154+090，YK154+090～K155+390段共3220 m被劃分為Ⅳ2級，280 m被劃分為Ⅴ2級。

3．4 包家山隧道千枚巖亞分級后施工方法

通過現場測試記錄及試驗對不同亞級別的千枚巖隧道做出相應的施工方法總結，采用亞分級的對應的施工方法進行施工。

3．4．1 超前地質預報

施工中堅持以TSP203預報為主、超前鉆探為輔的預報方案，用30 in超前鉆探對TSP203預報結果進行驗證。綜合運用TSP203地質預報系、超前鉆孔、開挖面巖性前推法等方法和手段預報前方工程水文地質變化，并及時對巖體進行亞分級，調節支護參數和施工方法，確保安全快速通過該地段。以V2級圍巖段為例，介紹圍巖亞分級后，隧道的施工方法。

為了減小對的圍巖擾動，將支護及時封閉成環，使隧道能順利通過V2級千枚巖地段，確定采用“上部弧形導坑預留核心土，三臺階七步開挖平行流水作業法”施工。這種方法具有以下施工特點:

1)三臺階平行作業，施工空間較大、可以引入大型施工機械作業，施工效率高。

2)施工方法轉換較快，進度穩定，安全和工期有保障。

3)施工工藝簡單，施工投入少。

表9 千枚巖亞分級對應施工方法Table 9 Construction method for each sub-classification of phyllite rock

3．4．2 超前注漿

富水千枚巖地段每3 m進行一次超前注漿，注漿小導管鉆孔從工作面最后一榀工字鋼拱架上部穿過，打入小導管后，鋼管尾部和工字鋼架焊接成整體。止漿墻采用噴射混凝土，掌子面上臺階范圍噴10 cm厚混凝土進行封閉，采用兩臺KBY50/70注漿泵進行注漿作業。徑向注漿小導管在進行初期支護時同步打設，在開挖下一循環的時候對本循環打設的徑向小導管進行注漿。為了節約時間，徑向注漿管全部用鐵絲綁在預埋在邊墻的鋼筋上，采用4臺同型號注漿泵注漿。

3．4．3 開挖

上部弧形導坑采用人工風鎬開挖，必要時輔以弱爆破;核心土長度同上臺階長度，核心土距拱頂開挖面1．5 m，坡腳距拱腳2．5 m。中下臺階及仰拱采用微震光面爆破開挖，嚴格掌握炮眼數量、深度及裝藥量，以減少爆破震動對圍巖的影響。各部開挖后及時初噴3～5cm混凝土封閉掌子面，網噴、錨桿、鋼架聯合支護作業。上導坑拱腳、中下導坑墻角增設鎖腳錨管，拱架拱腳下方墊槽鋼;仰拱緊跟下臺階施作，按每段4HI開挖及時施作仰拱混凝土，使支護閉合成環。上、中臺階開挖后挖掘機將洞碴扒至下臺階，同時上導坑開始架立鋼架，挖掘機座于中臺階配合ZI_50C裝載機裝碴，北方奔馳車出碴。

運用上述分級方法及相應的施工方法，在包家山隧道工期緊張，工程水文地質復雜，隧道穿越地段有20條斷層，IV、V級圍巖占70%以上的工程背景下，建立了一套能適應地質變化而迅速過渡的施工方法，充分發揮了先進的大型施工機具的優勢，提高工作效率，取得了最佳的掘進速度和經濟效益。包家山千枚巖隧道施工實現了日進度達到3．75 m，保證了施工安全和施工進度，大大減少了斷層破碎帶富水段的施工風險，保證了隧道施工安全、質量及工期。

4 結語

針對包家山千枚巖隧道，通過亞分級法對千枚巖圍巖進行研究，得到以下結論:

1)在《鐵路隧道設計規范》(TB10003－2005)的基礎上，運用國標《工程巖體分極標準》(GB50218－94)中巖體基本質量指標(BQ)，對隧道IV、V級千枚巖進行了較為細致的分級，將IV、V級圍巖分為兩個亞級，建立了千枚巖圍巖施工階段亞級分級方法。

2)確定了包家山隧道千枚巖水理性質。遇水后，其單軸抗壓強度、泊松比、黏聚力都急劇下降，水敏感性強，明確了包家山隧道遇水軟化的工程特性。

3)獲得了不同亞級的包家山千枚巖隧道施工方法。

4)運用亞分級對應施工方法進行施工，實現了日進度達到3．75 m，保證了施工安全和施工進度。

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