泥巖及泥質砂巖圍巖隧道襯砌參數優化及工程案例分析

諶業江

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100082)

1 泥巖及泥質砂巖圍巖特性

泥巖或泥質砂巖具有不透水性，泥巖及泥質砂巖屬于沉積巖，沉積巖具有顆粒膠結性、泥巖及泥質砂巖圍巖整體性較好一般在0.75以上，有較多的互層特征、中間多數有夾層，比如有砂巖夾層，泥巖和砂巖互層現象，這些特性使圍巖力學性能有較大弱化，在若軟夾層處產生較大的應力應變。

2 泥巖及泥質砂巖圍巖隧道設計和施工中存在的問題

在設計階段，對泥巖及泥質砂巖圍巖整體完整性能在地勘資料中描述常常為完整性較好，在圍巖分級上常歸入較好的IV級圍巖等級，在襯砌參數設計上往往偏弱。隧道地勘對該類圍巖的軟弱層及夾層難以準確的判斷，往往掩蓋了它的互層性，軟弱夾層性。在施工階段實際圍巖種就會有較多的軟弱夾層，砂巖泥巖互層性，同時夾層處常伴有滲水，泥巖遇水易軟化，這些特性決定了圍巖的地應力不均，局部容易出現較大的應力應變，往往出現較多病害，常見的病害是在初支或二襯上會出現較多的裂縫。

3 工程案例

3.1 工程概況

渭武高速煙坡里隧道設計為分離式兩車道隧道，隧址區處于西北黃土高原邊緣與西秦嶺山地交匯過渡地帶，總體地形北低南高，隧道所經地段地面高程：2 084.5～2 273.2 m，相對最大高差188.7 m。坡面為人工修筑的梯田，山體坡度較緩，山頂波狀起伏，相對高差約30 m，坡頂幾成統一的剝夷面。自三疊紀以來，隧道所處地段一直處于間竭性抬升之中，從而形成了多級不同時期、不同高程的剝夷面。

隧道出口段屬于軟巖段落，該段為長585 m，隧道洞頂埋深最大達168 m，隧道通過地層為三疊系古近系上統灰質，以泥質膠結為主，屬極軟巖或軟巖類，中厚層狀構造，局部夾薄層狀構造，泥砂質結構，節理裂隙發育，巖層較破碎，產狀156°∠36°，巖體裂隙中發育2～3組，圍巖級別為IV級，隧道開挖時局部有雨滴狀滲漏現象。

隧道開挖寬度月12 m，高度約為8 m，開挖斷面面積約為85 m2，采用兩臺階工法開挖。隧道初期支護采用I16工字鋼拱架，拱架縱向間距120 cm；縱向采用φ22鋼筋連接并，然后噴22 cm厚C25混凝土；φ22水泥藥卷錨桿L=3.0 m(縱)120×100(環)；拱部直墻C30鋼筋混凝土厚40 cm(無仰拱)。

圖1 隧道襯砌結構圖

在開挖過程中揭露的圍巖為泥巖及泥質砂巖，與原設計地質描述基本相符。該段地下水較貧，隧道開挖時有輕微的雨滴狀滲漏現象。

圖2 施工時現場照片(無水)

3.2 病害情況

該段二襯在施工完成后不到一年時間就開始出現裂縫，絕大部分裂縫為縱向裂縫，主要發生在邊墻處(距路面約2.5 m)。裂縫長短相間，最長裂縫為42 m，裂縫最寬處寬度5.503 mm。寬度大于2 mm的裂縫多為貫通裂縫，二襯全部斷裂；較寬的裂縫同時伴有輕微錯臺；寬度小于2 mm的裂縫二襯沒有斷開。除了縱向裂縫外，具有較短的環向裂縫以及少數不規則的斜裂縫。經過一年的時間，現場監控量測資料顯示部分裂縫產生后未進一步發展。

調平層產生的縱向裂縫靠路面右側；部分調平層產生縱向裂縫在路面中心，同時伴隨著調平層面層隆起，隆起高度較為明顯約5 cm。

圖3 二襯裂縫照片 圖4 調平層開裂照片

3.3 補充勘察情況

設計單位對該裂縫段仰拱圍巖進行補勘，補勘鉆孔間距約為30 m右線完成鉆孔19個，左線完成鉆孔17個。鉆探結果顯示該段地層巖性為三疊系上統(T3)泥質砂巖、砂巖，灰綠色、紫褐色、棕紅色，中細粒結構，薄-中厚層狀構造，節理裂隙較發育，裂隙面見鐵錳質渲染，夾泥巖薄層，局部泥質含量較大。地下水埋深較淺，為路面以下0.6～1.3 m。

3.4 二襯裂縫、調平層開裂原因分析

(1)泥巖或泥質砂巖遇水軟化后強度降低。

(2)施工階段對地下水認識不足，后期該段落地下水水系改變，且2017年、2018年定西段雨量比較多，導致煙坡里隧道裂隙水較發達，水位上漲，底層泥質砂巖遇水泥化，圍巖變弱，自穩能力和對二襯拱腳支撐能力變弱，產生不均勻沉降，導致裂縫病害的發生。

(3)施工單位施工質量也是不可忽視的重要因素，地質補勘巖樣顯示調平層下面基底虛渣較多，虛渣在水軟化作用下地基承載力降低。

圖5 受力分析圖

3.5 處治方案

(1)鑿除調平層重新施做C30鋼筋混凝土仰拱并在仰拱底設8 cm厚C25噴射混凝土，施工完成后對二襯進行拆除并重新施做C30鋼筋混凝土二襯，每次拆除二襯縱向長度為2 m。對局部初支侵入二襯斷面部分進行拆除重建，初期支護變形收斂達到《公路隧道施工規范》要求后，進行二襯施工。

(2)仰拱施工時，先對邊墻腳采用Φ89×5 mm長3.5 m的鋼花管進行注漿加固，每側1根/0.5 m。加強拱腳處圍巖。增設C30鋼筋混凝土仰拱，仰拱厚度40 cm。

(3)疏通現有排水設施，重點疏通拱腳處的縱向排水管以及中心排水管。在仰拱底部設置排水盲溝，盲溝位于中心排水管正下方，采用φ150HDPE雙壁單側打孔波紋管，縱向通長設置。仰拱底部排水盲管縱坡與路線縱坡一致，在靠近出口端端50 m時，排水盲管(不打孔)縱坡為-0.5%，在排水盲溝大樁號側接入中心排水溝檢查井或沉砂井。

(4)對初期支護變形較大處圍巖進行注漿加固。

在改變施工工藝后加快了圍巖封閉的速度，快速施工初期支護，對圍巖較早的提供了支撐反力，有效控制了圍巖的初始變形量，降低了圍巖的形變壓力。

圍巖注漿形成較好的承載拱，提高了圍巖的穩定性，有效的控制了圍巖的變形。

注漿施工過程中，依據注漿量和注漿壓力進行雙參數控制，水泥滲入裂隙達到充分接觸，增大了水泥和圍巖的接觸面積，讓他們的化學反應更加充分，讓土體形成結晶土體，增加土體的粘聚力和內摩擦角，提高土體的強度，同時也增大了圍巖整體穩定性。

注漿施工2018年5月開始，2018年6月結束，注漿期間依據監控量測的斷面數據，圍巖變形迅速得到控制，圍巖最終收斂變形控制在25 cm以內，變形控制效果明顯。

4 結 論

按傳統圍巖分級使用相應的襯砌參數，還得充分考慮圍巖的在各種變化條件下其圍巖穩定性的及強度的強弱變化幅度。特別是以泥巖或泥質砂巖圍巖為主的隧道，隧道的修建基本上會改變圍巖周邊水系的變化，截斷水流的通過，會淤積于隧道基底巖層內，水會軟化基巖，降低了隧道的耐久性。圍巖的穩定性降低，同時圍巖變形增加，基底軟化承載力降低，致使隧道二襯產生不均勻沉降，在兩者合力作用下導致二襯裂縫，為避免這種情況的發生，需要加強襯砌參數，必須設置仰拱，使初支或二襯封閉成環，增加配筋等措施；同時施工時嚴格清除虛渣，避免虛渣遇水軟化，這樣就加大了基底接觸面積提高了承載力，增加隧道二襯的均勻受力，使二襯更加安全不會出現二襯裂縫等病害。