千枚巖隧道變形與應對控制關鍵技術探討

張紅平

（新疆北新路橋集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830001）

石川子隧道包含一條非活動性斷層巖層以及一些破碎巖石結構的次級小斷層，并且部分路段存在滲水的現象，這導致開挖隧道后可能存在大量變形的情況，采用傳統的支護方式幾乎沒辦法解決問題，根據石川子隧道的情況，可以采取雙層初期支護的方式來解決問題，雖然雙層支護方案的理論研究尚不完善，但已經有很多實際案例可供參考。

以下是部分學者對千枚巖特性的研究成果：殷曉等[1]主要研究千枚巖的礦物成分、命名以及各成分的具體含量；趙建軍等[2]主要對千枚巖的水理特征進行了實驗室研究，得到千枚巖各成分吸水率的大小關系分別為絹云母最大，綠泥石次之，后面依次為石英石、碳質，此外千枚巖在遇水時很可能會完全崩解；吳永勝等[3]進行了單軸和三軸的千枚巖試驗，其結論為千枚巖具有各向異性的特點；王悅月等[4]對千枚巖的力學特性和其含最大水量的時間關系進行了研究。

千枚巖隧道的變形始終是修建隧道的一大難點問題，因此參與研究的學者眾多，如今已經有大量的研究案例以及有一些應對措施。其中研究者研究的重點對象主要是圍巖、地表的變形特征，只有先了解圍巖的變形機理后，才能夠得到準確的應對受力支護點，從而采取有效的保護措施。部分學者對千枚巖隧道的研究情況如下：許再良等[5]研究后得知隧道變形需要同時滿足兩個條件，即高地應力和圍巖軟弱式；王道遠等[6]利用現代技術即數值模擬技術，對軟弱圍巖隧道施工時發生變形的各類情況進行研究。

目前，國內外雖然已經有許多研究者對千枚巖等有關特性及部分隧道的變形處理方式進行了一定的研究，但對千枚巖隧道整個大工程的研究仍然存在不足。一方面，研究的數量較少，另一方面，研究的隧道變形問題的種類不足，僅局限于隧道二襯開裂和變形不收斂的分析，并沒提出一些關于修建千枚巖隧道解決變形問題的科學技術。因此，文章通過結合石川子隧道的實際情況進行分析，對一些技術進行探討研究，旨在為后續的千枚巖隧道的修建提供部分參考。

1 石川子隧道情況分析

石川子隧道屬于左右分離式，起點位于大壩鄉，止點位于樂安寺鄉后壩村，左線全長4869m，右線全長4860m，合計9729m，路面是瀝青類型，隧道洞身段斜坡自然坡度一般在30～45°，隧道最大埋深為523m，設計速度為80km/h。石川子隧道管理區需要綜合解決的路段為LK0+000～LK0+392.756、HK0+000～HK0+608.017，共長0.928km，其隧道地質情況復雜，具體分析如下。

1.1 工程條件分析

根據工程資料顯示，其山體的復雜地形有陡崖、曲折的嶺脊、深溝、險峻的山嶺，由于片理、劈理較發育，軟硬巖性相間交替，山坡地段常有崩積坡層分布，其厚度不均，隧道巖石主要由絹云千枚巖、砂質千枚巖構成，少量斷層角礫巖，整體上隧道的巖石屬軟巖，局部受斷層影響的巖石為極軟巖。同時又因為隧道的深度較深，所承受的重量較高，在挖隧道后，巖石的狀態會從高圍壓變為高應力差的狀態，并隨著隧道的挖掘，隧道很可能出現巖石剪切滑移。

同時隧道所在區域的地震動峰值的加速度為0.20g，地震動反應譜特征周期為0.4s，地震設防烈度屬于Ⅷ度，因此隧道的區域屬于構造次穩定區。此外，隧道還穿越了長度為4km的非活動性斷層，該斷層屬于晚更新世活動性斷裂帶，潛在地震能力為7.0級，隧道于K32+990～K33+020段穿越次級小斷層，斷層帶內巖體完整性差，以碎裂結構為主，圍巖自穩能力較差，地下水呈淋雨狀，并有突水、突泥的可能性，為V級圍巖。這些的情況均導致隧道面臨變形甚至坍塌的危險。

綜上所述，石川子隧道的變形主要原因如下：（1）隧道圍巖主要由絹云、砂質千枚巖軟巖組成，局部存在極軟巖，同時較大的深埋度導致自重應力大；（2）隧道穿越斷裂層，隧道的整體性受到破壞，出現滑動位移的變形的可能性較大；（3）隧道有地下水，可能出現突水、突泥現象，千枚巖因此變得更加劣化，隧道變形的概率增大。

1.2 圍巖水理性質分析

石川子隧道的千枚巖主要成分是絹云和砂質，這類千枚巖會在隧道開挖后很容易吸收水分，包括空氣中的水蒸氣，進而造成巖體表層松動，甚至會出現坍塌的危險情況。且據資料顯示，隧道部分路段存在淋雨狀的地下水，出現滲水情況后，將會導致隧道的圍巖強度急劇下降，進而使隧道坍塌。

眾所周知，千枚巖遇到水之后，其特性將會出現較大的變化，外觀上會出現膨脹現象，具體影響如下：（1）千枚巖遇水后，結構會遭到破壞，逐漸變得松散，使得圍巖強度不斷下降，若沒有進行前期的支護措施，則會對隧道的挖掘產生很大的阻礙；即使初期進行了支護，但是由于支護的剛度不夠，還是可能隨著圍巖的壓力增大而變形，最后可能會出現坍塌的現象；（2）隧道的挖掘，其圍巖內部本身的應力逐漸被釋放掉，其強度因之降低，遇水之后無阻力進行膨脹，容易發生巨大的塑性變形；（3）隧道拱面和墻體側壁會出現崩裂的現象，主要因為千枚巖是多層結構，在外部沒有應力并由于吸收水分后膨脹張弛，進而發生變形或者圍巖脫落的現象。

2 隧道變形情況分析

根據很多研究者的資料可以得到，大多數條件下，隧道的初期支護變形包括3個時間階段：（1）在臺階上開挖支護的7d內，一般在這個時間階段，支護變形速率大于20mm/d，某些斷面每天的支護變形量會超過30mm；（2）支護的第7～20d，這階段的支護變形速率為10～20mm/d；（3）支護的第20～40d，該階段的支護變形速率一般會低于10mm/d，在40d以后，這階段的支護變形速率基本能達到3～4mm/d。然而石川子隧道的某些路段情況比較嚴重，其支護的變形速率會遠遠超過一般情況，并且會持續長時間的較高變形速率，因此，這時就不能采用簡單的支護形式。

針對石川子隧道的實際部分路段情況，其可能會出現一些不常見的支護變形破壞情況：隧道圍巖可能出現裂縫，是因為支護沉降收斂不均勻而產生的一些環形崩裂；對隧道結構影響較大的支護變形會使隧道拱架無法承受其壓力，只能通過換拱的方式來解決這類問題；在支護已經成環封閉之后，初期的支護若變形，則局部的部位會因受力集中而被破壞，具體表現為上下臺階接頭處豎直方向裂開突起或者下臺階的中部工字鋼發生扭曲變形。

3 關鍵技術分析

3.1 加固支護

針對易變形區域可采取在拱架處增加鎖腳錨管進行加固的方式，此后若仍存在效果不明顯則可臨時加設工字鋼進行橫支撐或者采用徑向注漿的方式，以上方式主要是針對變形量較小的地段。但針對變形量較大的地段（如K32+990～K33+020段），建議對圍巖加固和隧道進行雙層支護，可以采取的方式有：（1）在變形路段不是很長的情況下采用改變各類鋼筋等的規格來增強支護的剛度；（2）進行雙層初期支護和雙層襯砌等；（3）利用讓壓錨桿、大變形恒阻錨桿等特殊支護來輔助隧道變形處理。利用這三種方式能夠在保證隧道安全的基礎上，合理控制成本。雙層初期支護第一層只需采用型鋼拱架即可，第二層需采用格柵拱架，并且這兩層的支護需要通過噴混的填充方式進行連接。

3.2 隧道洞口技術

根據歷史經驗，隧道洞口在整個隧道的修建中起著較大的作用，隧道洞口施工過程中稍不注意就很可能引起山體滑坡或山體變形。因此，洞口的挖掘技術很有探討價值，若不重視洞口的挖掘技術則可能導致初期的變形較大，還可能使地層的破壞延續到地表變形，引起滑坡等災害。

如果隧道洞口的山體屬于緩坡地形，則可以增加明洞的長度，且要保證明暗交接和洞頂上的覆蓋層厚度在6～8m；如果隧道洞口的山體坡形為陡坡地形，則需要在洞口明暗交接的地方設置抗滑擋墻或者抗滑樁。

3.3 沉降量的預期及測量

對千枚巖隧道的支護變形有一定了解后，利用其變形速率等估計其支護變形量，并提前做好提前預留空間的準備，根據近些年的千枚巖隧道實際案例來看，一般前期預留30～40cm的空間即可，后續根據隧道的實際測量情況進行修改，可以參考一些千枚巖隧道圍巖的變化量進行選擇預留量，如Ⅴ級圍巖的累計變形量平均為25～40cm，Ⅳ級圍巖累計平均變形量為10～20cm。因此，對于石川子隧道的復雜情況，其變形階段會較長，采用雙層初期支護的方式是合理可實施的。

4 結論

綜上所述，目前千枚巖隧道的修建依舊存在很多問題，通過大量的研究能夠解決大部分的問題。但我國的地形具有千變萬化的特點，在實際的隧道修建中很可能會遇到一些從未見過的問題，不能夠完全按照前人的解決方案。但前人的案例以及解決方法可以進行一定的參考，特別是對千枚巖隧道的修建必須遵守已有的建議與原則，遵守“早封閉，強支護”的原則，在遇到石川子這類會出現大變形的情況時可以借鑒雙層支護的措施，但也不能照搬，需要結合實際情況采取具有針對性的措施。