炭質泥巖隧道開挖變形控制技術研究

劉俊鋒,柏文軍,曾智勇,燕 新,張怡興

(1.廣東省路橋建設發展有限公司,廣州 510630；2.長安大學，西安 710064；3.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830006)

隨著我國隧道建設的高速發展，隧道建設中所遇難點也逐漸增多，高應力下軟巖以及破碎巖綜合問題一直是隧道施工中的難點[1]，設計和施工措施不當不僅會造成重大經濟損失，還可能產生生命安全問題。

由于不同圍巖的差異性，軟巖隧道出現的問題也呈現不同特點，國內外學者針對不同軟巖隧道在變形特征和支護結構方面進行了大量研究[2-3]，所研究的國外隧道如瑞士的辛普倫隧道、日本的惠那山隧道、意大利的都靈隧道等；國內隧道如四川的鷓鴣山隧道、甘肅的木寨嶺隧道、陜西的杜家山隧道等。基于以上工程研究，我國學者提出了不同的支護方法和支護理念，李曉紅等[4]基于Poyting-Thomoson(鮑爾丁-湯姆遜)模型，對軟巖隧道圍巖進行了黏彈性分析，得到的初期支護在一定程度上抑制了隧道的變形速率，為確定二次襯砌的時機提供了理論依據；孫偉亮[5]、王水善[6]針對不同隧道進行了施工力學行為分析，制定了“超前支護、初期支護加強、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛柔并濟、及時封閉、底部加強、改善結構、地質預報”的快速施工原則和總體方案。

炭質泥巖作為典型的軟弱破碎圍巖，其礦物成分復雜、種類繁多，大多具有強度低、遇水易軟化并且易崩解的特點。在炭質泥巖中修建隧道時，圍巖變形量大、變形速度快、持續時間長且后期蠕變顯著。李育樞等[7]通過室內外試驗對炭質泥巖的物理力學性質開展了大量研究；曾鈴等[8]對炭質泥巖在路基工程力學方面開展了分析研究。但針對炭質泥巖隧道大變形及變形控制問題，目前國內還未見相關研究。本文以其古頂炭質泥巖隧道為研究背景，結合現場監測和試驗，綜合分析炭質泥巖隧道大變形的特征和影響因素，提出有效治理措施。

1 工程概況

其古頂隧道位于廣東省梅州市梅縣區，隧道穿過低緩丘陵、低山丘陵地貌區，地勢起伏大，地面標高為150～440 m，地面相對高差約為290 m。山體圍巖屬于二疊系龍潭組頁巖、二疊系文筆山組砂頁巖及炭質泥頁巖等，巖石較破碎。根據調繪及勘探成果，局部見燕山晚期酸性巖侵入巖脈，褶皺、撓曲較常見，巖層產狀多變。隧址區地層巖性為第四系坡殘積粉質黏土和碎石，基底為二疊系上統龍潭組(P2l)淺黃色砂巖及下統文筆山組(P1w)灰黑色炭質泥巖、砂巖等，龍潭組地層上覆于文筆山組地層，厚度小且局部為破碎帶。圍巖主要為全-強風化炭質泥巖，巖體是由巖粉、壓碎的巖石碎屑和碎片等組成，存在大量節理和順層摩擦面。隧址區位于低緩丘陵區，地表水不發育且主要來源為大氣降雨、沿山谷匯流，為季節性地表水。隧址區地下水類型為松散層孔隙水及基巖裂隙水，多賦存于殘坡積層和基巖巖層中，水位的變化受到季節影響，水量受基巖裂隙發育程度影響，局部裂隙帶可能存在富集現象。

2 圍巖破壞特性及原因分析

2.1 破壞特性

1)地表沉降大

在淺埋段進洞施工時，由于圍巖條件差致使支護結構發生顯著變形，造成圍巖大面積變形沉降。對于地層表面而言，地表下沉會產生地裂縫：洞口右側邊坡至坡頂出現1條長約為60 m、寬為3～30 mm的貫穿裂縫，其周邊零星分布著長為3～10 m 的小裂縫，套拱拱頂左側也出現1條長為0.7 m、寬為3 cm的裂縫，洞口仰坡掛網噴混凝土處出現多處開裂，洞口段裂縫分布如圖1所示。根據現場監測的8個地表沉降點(從左至右為1-1～1-8)，YK11+493斷面地表下沉最大值為220.7 mm，右側地表沉降累計值小于左側沉降累計值，YK11+493斷面地表沉降關系如圖2所示。YK11+482斷面地表下沉最大值為72.5 mm，右側地表沉降累計值小于左側沉降累計值，監測區域沉降量較大。在每次開挖擾動后圍巖會產生較大變形，對隧道內部變形較大的區域監測數據進行分析，其中最大變形速率可達89 mm/d，最大沉降量可達218.3 mm，并且同一個斷面可能發生多次沉降。

圖1 洞口段裂縫分布

圖2 YK11+493斷面地表沉降關系

2)初支變形及沉降收斂大

全風化炭質泥巖開挖后，圍巖強度急劇下降，產生范圍較大的松動圈，并作用于初期支護措施上。初期支護剛度設置無法抵御圍巖產生的變形，同時隧道剛進洞內，掌子面以及附近有少量積水，炭質泥巖遇水會產生膨脹變形，進一步加劇了初支產生的變形和圍巖的沉降。斷面沉降過大，同時斷面出現混凝土開裂，局部出現拱架鼓包外凸等情況。初期支護環向裂縫如圖3所示，YK11+465斷面變形累計值曲線如圖4所示，YK11+465斷面收斂曲線如圖5所示。

圖3 初期支護環向裂縫

圖4 YK11+465斷面變形累計值曲線

圖5 YK11+465斷面收斂曲線

3)易發生掉塊及塌方

開挖后掌子面揭露圍巖多為全-強風化炭質泥巖，巖體層間結合較差且松散，節理裂隙發育，強度較低、自穩能力較差，圍巖開挖后拱頂易發生掉塊和小范圍塌方。進洞以來，拱頂時常發生掉塊，多次發生塌方，塌腔前后段沉降較異常。

4)拱頂及拱腰沉降大

同一斷面圍巖存在較大差異，地質偏壓現象明顯。設計Ⅴ級圍巖比例為55%，施工過程中沉降較大，出現不同程度的初期支護變形及開裂情況。

隧道施工期間單日最大沉降量達274 mm/d(發生于左洞K19+575斷面)，累積最大沉降量達1 100 mm(發生于右洞K11+474斷面)，在施工過程中多次發生侵限，其中出口右洞換拱率高達78.9%。

2.2 破壞原因分析

隧道支護出現大變形由多方面因素造成，其中包括地形、地質和施工條件等方面，其古頂隧道的大變形原因分析如下。

1)隧道拱部形成的塌落拱荷載不均勻

根據現場監控量測，隧道地表左側沉降量大于右側沉降量，同時對不同部位的圍巖應力、鋼拱架應變以及混凝土應變進行分析，可以得出斷面圍巖應力、鋼拱架應變以及混凝土應變值分別存在不對稱性，呈現明顯差異性。斷面左側的壓力和應變值大于斷面右側的壓力和應變值，表明地質偏壓對隧道穩定性以及力學性質有顯著影響。

2)圍巖自穩能力差

炭質泥巖主要特性為：強度很低，裂隙層理密集發育；由于巖粉與石屑存在，巖體抗剪強度較低，其以炭質滑膜的形式存在于層理間，導致層理間摩擦系數很小，因此極易發生滑移現象；巖體易軟化，在水的浸潤下常為泥糊狀；易崩解，巖體碎后形狀為鱗片狀或粉末狀；由于巖體存在一定的膨脹性、各向異性和滑膜現象，在三者的綜合作用下，圍巖變形具有強烈的非對稱性；炭質泥巖的塑性變形范圍較大，會使隧道周邊形成松散破碎區和塑性變形區。

3)預留變形量不合理

對于同一斷面，左右側圍巖不僅差異較大，而且拱頂和兩側也有較大的差異性，如拱頂為中風化炭質泥巖，兩側又為全風化炭質泥巖。斷面差異性較大導致沉降量差異較大，預留沉降量難以控制，如有些斷面預留50 cm沉降量，但局部累計沉降僅10 cm，遠小于預留量，使澆筑二襯混凝土超方嚴重。沉降量與預留量差異較大同時會導致局部產生不均勻沉降、滑塌和滲水現象，使圍巖軟化，初期支護發生侵限。

4)超前支護及圍巖加固不理想

局部區段的掌子面圍巖為全風化炭質泥巖，圍巖整體較密實，巖體可注漿性較差，現場注漿效果很難達到預期的加固效果，因此在圍巖擾動后，隧道易發生塌落等現象。

5)上半斷面鋼拱架腳部出現穩定問題

隧道上臺階鋼拱架的反力依靠拱腳和鎖腳錨桿，然而下臺階和仰拱的開挖會破壞上臺階鋼拱架的穩定，且開挖后會出現懸空現象，從而導致隧道初期支護變形。

3 隧道變形控制措施

新奧法施工的基本原理是充分發揮圍巖的自承能力，即在掌子面開挖完成后，圍巖發生一定量的變形，在經過一段時間后重新達到平衡狀態，并在柔性支護下保持結構穩定。但是對于軟弱圍巖來說，其基本不具有自承能力，因此在支護過程中就要求“以抗為主”，不能“先放后抗”，防止變形加大。結合具體施工措施，主要從支護時間、支護剛度、施工工法以及預留變形量4個方面來控制圍巖能量合理釋放，保證圍巖穩定性。

3.1 施作臨時仰拱

先行導洞上下臺階，每榀采用臨時仰拱進行封閉成環措施。對已完成全斷面但未進行仰拱施工的隧道段采用I20環形鋼拱架臨時支撐，鋼拱架內設三角形內撐，并施作臨時仰拱，每榀間距為0.6 m；對已施作仰拱的隧道段采用I20環形鋼拱架臨時支撐，鋼拱架內設三角形內撐，每榀間距為1.2 m。

3.2 設置合理支護時間和預留變形量

隧道在開挖擾動后圍巖應力發生改變，圍巖也發生相應變形。針對炭質泥巖特殊的物理以及力學性質，開挖后圍巖會產生大變形，因此合理支護時間以及預留變形量的設置是圍巖應力合理釋放以及圍巖松動圈限制的重要前提。炭質泥巖自身穩定性差、應力水平高、形變荷載大且變形速度快，若不及時采取支護措施，當圍巖自身應力的調整大過圍巖自身強度時，圍巖立即進入塑性狀態，進而塑性范圍擴大以至產生坍塌。因此合理支護時間的設置是圍巖穩定性和支護措施安全性的重要保障。

根據新奧法施工十八字方針中“強支護”的施工原則，炭質泥巖在無約束情況下變形快，因此約束情況下對圍巖應力釋放的控制就顯得格外重要。預留變形量不僅是保證圍巖約束后可以發揮變形量的一個重要措施，也是保證初期支護穩定性的重要舉措。結合其古頂隧道施工過程中的大變形問題，將變形量從原設計的12 cm變更到42 cm，增加支護后圍巖的變形空間，使圍巖變形能量可以合理釋放，減少初期支護發生局部隆起和混凝土開裂的現象。

3.3 加強監控量測

隧道監控量測可及時掌握隧道圍巖的動態信息，該隧道通過圍巖壓力、鋼拱架應變、拱頂下沉以及周邊收斂的數據分析，及時調整支護參數，控制步距。隧道由于變形較大且可能發生多次變形，監控量測頻率應保持每天至少2次，確保隧道施工過程安全。

3.4 控制合理支護剛度

圍巖變形能量需階段性釋放，保證圍巖的穩定性。根據現場實際施工分析，各支護措施是按照一定順序進行安裝和固定，因此每個支護措施受力性質以及受力大小均不同。針對每個支護措施的受力特點，其剛度應合理設置，因此須對其古頂隧道初期支護措施進行變更，支護措施變更如表1所示。

表1 支護措施變更

3.5 選取開挖方法

其古頂隧道在CD工法(中隔壁法)的基礎上設置臨時仰拱，提出“步步成環”的施工概念，降低斷面發生整體大變形的概率，有效控制大跨度軟巖隧道變形，但增加了每個斷面整體的封閉時間；臺階工法在圍巖相對穩定的情況下使用，不僅可以加快施工進度，也可保證開挖斷面的穩定性。強風化炭質泥巖采用CD工法施工，有效控制隧道發生大變形，中-弱風化炭質泥巖采用臺階工法施工，保證了隧道的穩定性。但CD工法轉變為臺階工法施工時，加劇了隧道變形，因此在工法轉變過程中須提前做好預支護。其古頂隧道右線開挖區域工法分布如圖6所示；左線開挖區域工法分布如圖7所示。

圖6 其古頂隧道右線開挖區域工法分布

圖7 其古頂隧道左線開挖區域工法分布

根據現場對ZK10+350、ZK10+360和ZK10+370斷面的監測數據分析可知，鎖腳錨管控制了圍巖變形速率，降低了開挖過程中圍巖變形的波動性；從ZK10+350斷面和ZK10+360斷面對比可知，收斂值分別降低了約54.2%和45.3%。新型縱向連接系統在開挖擾動瞬間，降低了圍巖應力的釋放，增加了圍巖產生的抗力，防止圍巖發生過大形變。分析現場監測數據可知，修改后的方案在各方面都有效控制了隧道的開挖變形。

4 結論

(1)其古頂隧道變形總體特征為變形量大、變形速率高、變形持續時間長。隧道圍巖主要是全-強風化炭質泥巖，圍巖性質差，因此在開挖過程中應加強監控量測和超前地質預報等手段，及時掌握圍巖變形情況，調整支護參數，確保施工安全。

(2)采用新奧法對炭質泥巖隧道施工，不能過分強調初期支護的柔性、充分發揮圍巖的自承能力，而應盡快采用強支護結構，使初期支護結構在短時間內閉合成環，并且盡快完成二次襯砌以承擔部分荷載，從而保證隧道結構的穩定。對于炭質泥巖隧道，上半斷面支護增加臨時仰拱可使上半斷面的鋼架支護及時閉合成環，形成閉合的受力體系，有效抑制圍巖過度變形。同時在施工過程中，應對已完成段的隧道監控量測數據進行綜合分析，預判未開挖段隧道預留變形量的多少和圍巖變形穩定的時間，從而確定仰拱和二次襯砌施作時間，使整個工程安全、穩定地運轉。

(3)主要從炭質泥巖隧道的破壞特性及破壞原因進行分析，提出一系列處治措施，未能從炭質泥巖的力學性能上綜合分析其變形機理，因此可進一步研究，深化結論。