隧道穿越巖性交界區失穩變形機理與控制措施研究

蔣美軍

(廣西壯族自治區交通運輸廳，廣西 南寧 530012)

0 引言

伴隨著國民經濟的穩步發展，以及交通基礎設施建設的大力推進，修建高速公路面臨的水文地質條件越來越復雜，尤其是在我國西南部山嶺重丘區，路線線位大多情況下需要穿越崇山峻嶺，部分高速公路項目橋隧比例高達80%。因此地質選線的理念變得愈發重要，設計階段會盡量選擇繞避不良地質體的方案，但受工程經濟以及勘察深度等因素的制約，隧道工程仍不可避免地受到不良地質體的影響，從而引發隧道塌方、突泥涌水等地質災害。

實踐表明，灰巖與砂巖交界帶往往圍巖地質條件較差，且兩者的物理特性差異大，巖體風化強烈，巖體非常破碎，遇水極易軟化崩解，為典型的力學不穩定地層，離散性較強，屬于隧道工程建設所面臨的特殊不良地質體。而且，可溶性巖(灰巖)與非可溶性巖(砂巖)交界段，往往地下水資源較為發育，地下水補給路徑較多，會大大降低交界區巖體的物理力學參數。在隧道施工荷載作用下，地層的初始平衡狀態很容易被破壞，掌子面前方部分土體容易發生松動，然后逐漸對掌子面上部土體的穩定性產生影響，從而引起地層損失和洞內失穩沉降，如施工不當易造成洞內拱頂掉塊、塌方甚至冒頂等事故，雨季易出現突水、突泥等不良地質事故。

國內學者對于隧道施工引起洞內失穩變形的問題進行了大量研究，主要集中在失穩變形機理及處治控制措施等方面。房倩等[1]利用離散元數值模擬軟件及室內模型試驗對砂土地層變形規律進行研究，分析隧道埋深、地層損失率、顆粒粒徑以及級配對砂土地層變形的影響；張龍生等[2]依托江西省昌寧高速公路蓮花山隧道，利用多物理場耦合模擬軟件，對富水軟弱圍巖隧道塌方機理與處治技術展開研究；徐前衛等[3]針對隧道滇中紅層軟弱圍巖，利用數值模擬手段分析其失穩斷面的變形及應力特征，并提出相應的控制措施；林明才等[4]利用理論分析手段和數值模擬手段，分析不同荷載釋放系數下隧道圍巖特征點和測線位移、隧道圍巖系統勢能、隧道斷面相對變形率3類指標變化規律。劉德安等[5]以巴東隧道穿越富水紫紅泥巖段為研究背景，基于巖土控制變形分析法探討開挖面失穩過程及前方圍巖變形破壞特征，并提出相應的加固措施。

目前，關于隧道穿越灰巖與砂巖交界帶引起洞內失穩大變形問題的研究還較少，本文以廣西地區某公路隧道穿越灰巖與砂巖交界區為研究背景，總結隧道施工過程中所面臨的施工難點。結合現場實際情況，深入分析該不良地質段落巖體所表現出的力學特性，研究該不良地質段落巖體受隧道施工荷載擾動后的變形失穩機理，并提出合理有效的安全控制措施，相關經驗可為今后類似工程建設提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

某公路越嶺隧道位于廣西河池市南丹縣城以西，是項目的關鍵控制性工程。該隧道起止樁號為K2K1+430～K2K2+740，設計長度為1 310 m，為越嶺長隧道。隧道進、出口設計高程分別為748.959 m、714.485 m，最大埋深約為316 m，線路總體近似呈東西走向，線路縱坡坡度設計為2.75%。隧道區域地質平面線位關系如下頁圖1所示。

隧址區屬構造剝蝕低山地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大，地形地貌主要受地層巖性及地質構造控制，山脈走向多呈西北-東南向，與區域構造線走向基本相同，與隧道走向大致平行。隧址區常年多雨，雨季頻繁，多年平均降雨量約為1 400 mm。隧道洞口位置沖溝發育，隧道洞身地質條件復雜多變。

圖1 隧道區域地質平面線位圖

1.2 工程地質條件

根據地質鉆探及工程地質測繪，隧道區地層主要由第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系殘坡積層(Qel+dl)、石炭系下統地層(C1d)、二疊系下統(P1q)地層組成，隧道洞身段圍巖裂隙發育，完整性較差，巖體風化程度以強-中風化為主。根據現場地勘報告結果，統計本隧道各級圍巖主要物理力學參數，如表1所示。

表1 各級圍巖物理力學參數參考取值表

本隧道存在灰巖與砂巖的巖性接觸帶段落為K1+530～K1+650、K1+700～K1+840。在灰巖與砂巖交界帶，往往圍巖地質條件較差，且段落可能較富水。兩者的物理特性差異大，砂巖為強透水性，灰巖為弱透水性，巖性交界區雨季易出現突水、突泥等不良地質事故，如施工不當易造成洞內拱頂掉塊、塌方甚至冒頂等事故(見圖2)。

圖2 隧道巖性交界區分布范圍及圍巖特性分析圖

2 隧道穿越巖性交界區失穩變形機理分析

灰巖與砂巖巖性交界帶地層以強風化基巖構成主要的骨架，并夾雜著濕潤軟弱土體，巖體風化強烈，巖體非常破碎，遇水極易軟化崩解，為典型的力學不穩定地層，呈現出較強的離散性與不穩定性。在外界施工荷載的擾動下，易失去原來的穩定平衡狀態。與單純的砂巖或灰巖地層相比，巖性交界區地層粘聚力不高，不能承受拉應力，掌子面土體容易出現失穩破壞現象，失穩破壞形態為剪切破壞。

同時，隧道巖性交界區段落地下水補給路徑發育，地下水豐富，地層中細顆粒會隨著地下水的滲透而流失，加速巖體的軟化崩解，使巖體從相對穩定結構變成松散結構，且松散結構不穩定。此時，土體間的咬合作用將會變弱，土體力學性質降低，使得隧道洞內沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內失穩大變形現象，引起初支結構侵限和開裂。

施工荷載擾動及地下水滲流還會使前方部分土體發生松動，進而對掌子面上部土體的穩定性產生影響，加大上部土體的松動范圍(見圖3)。隨著掌子面上方土體的松動塌落，上方土體部分土拱效應會被破壞，導致掌子面上方出現地層空洞現象。在地下水位變化和季節降雨等因素的影響下，地層空洞頂部的松散體會不斷掉落，產生相應的地層損失，使得拱頂以上塑性區不斷向上發展，從而引起拱頂塌方等事故。

圖3 隧道施工對巖性交界區地層的擾動規律示意圖

3 隧道施工難點分析

根據隧道現場實際施工情況與巖性交界區地層特有的力學特性，依托工程隧道穿越灰巖與砂巖巖性交界區存在的施工風險與難點主要有洞內沉降控制困難和易發生洞內災害問題兩個方面，需對癥下藥，選擇合理可靠的施工控制措施。

3.1 洞內沉降控制困難

由于巖性交界區段落水文地質條件復雜，在隧道施工荷載作用下，地層的初始平衡狀態很容易被破壞，開挖后巖體塑性區會加速往外擴展，圍巖保持自穩能力的時間很短，使得隧道洞內的沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內失穩大變形現象。如施工工序銜接不緊湊，施工某個環節沒有做好，仰拱沒有及時閉合，則洞內沉降變形會極速變大，導致隧道初支結構侵限。隧道穿越不同巖性交界區以來，共發生過三次洞內初支結構侵限問題，后期需要換拱處治，侵限段落長達40 m，最大侵限值高達25 cm。

3.2 易發生洞內災害問題

隧道穿越不同巖性交界區以來，隧道洞內共發生兩次拱頂塌方事故。施工荷載擾動及地下水滲流會使前方部分土體發生松動，進而對掌子面上部土體的穩定性產生影響，加大上部土體的松動范圍。隨著掌子面上方土體的松動塌落，上方土體部分土拱效應會被破壞，地層空洞頂部的松散體不斷掉落，產生相應的地層損失，使得拱頂以上塑性區不斷向上發展，從而引起拱頂塌方等事故。

4 隧道施工控制措施研究

結合不同巖性交界區地層水文地質條件、巖體力學特性與開挖失穩變形機理，根據現場施工遇到的技術難點，本文對隧道穿越不同巖性交界區采取的綜合控制措施進行總結，主要包括隧道開挖方法優化、加強超前支護與鎖腳支護措施以及其他施工輔助措施三個方面。實踐證明，這些處治措施實施效果良好，能有效確保隧道安全通過此巖性交界帶。

4.1 隧道開挖方法優化

對于富水軟弱破碎圍巖，選擇合理的隧道開挖工法，既要考慮初期支護閉合成環的及時性，以有效控制洞內沉降，也要考慮施工工序的銜接轉換難易程度，盡可能減少隧道施工工序間的相互制約。為減少隧道施工對圍巖的擾動，從施工工序轉換及圍巖控制變形的角度考慮，將原長臺階法調整為短臺階法(三臺階)，并充分預留核心土，加快初期支護閉合成環的速度。

4.2 加強超前支護與鎖腳支護措施

超前支護改為采用φ108×6 mm注漿鋼管，管棚施工采用跟管鉆進工藝，環向間距為40 cm，長度為9.0 m，縱向間距為7.0 m，外插角為10°～15°。注漿前應先進行相應的注漿現場試驗，相關注漿參數應結合現場試驗提前確定。注水泥凈漿后鋼管內利用M30水泥砂漿填充，以增強管棚的整體強度與剛度。要求管棚鋼管從鋼拱架腹板開孔穿過，鋼管尾端并與鋼拱架進行焊接，以確保洞內管棚尾端具備有效支撐。

將原設計中、下臺階左右側各設置2根長度為350 cm的φ42×4 mm鎖腳錨管調整為上、中、下臺階左右側各設置2根長度為600 cm(根據實際情況進行調整)的φ108×6 mm鎖腳大鋼管，鋼管內采用M30水泥砂漿進行填充，并確保鋼管樁嵌入中風化巖層厚度≥50 cm，鋼管樁與型鋼拱架焊接連接。如圖4所示。

圖4 洞內鎖腳大鋼管支護示意圖(mm)

4.3 其他開挖輔助措施

隧道開挖前，對掌子面前方拱頂圍巖進行注漿預加固處治，提高巖體的自穩能力，以防開挖時拱頂孤石及松散體掉落。考慮到該段地下水發育，注漿漿液選擇效果更好的雙液漿(水泥+水玻璃)，水泥漿水灰比1∶0.75；水玻璃濃度為35°Bé；水玻璃模數為2.4；注漿壓力為初壓0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa。

切實做好拱架之間的縱向連接，除正常的縱向連接鋼筋外，還在仰拱以上部位的初支型鋼拱架接頭板兩側采用Ⅰ14工字鋼加強縱向連接，以加強型鋼拱架的整體穩定性和抗扭轉能力。

為確保隧道洞內施工安全，在對隧道侵限段落進行換拱之前，應確保該段落仰拱已施作完畢，等后續不良地質段落均做完二襯后，再返回進行換拱作業。換拱前在隧道侵限段落增設洞內復拱。復拱采用工字鋼組成，相鄰鋼架間采用Ⅰ14縱向工字鋼連接，復拱與初支間的空隙采用木楔楔緊，鋼架落腳處采用槽鋼鋪墊。

當采取上述措施后收斂變形仍有異常，則應及時采取臨時仰拱控制變形。現場平整場地后，于中臺階位置直接澆筑40 cm厚C15素混凝土作為臨時仰拱(拱腳處鋪設塑料膜，方便后期拆除)，可適當添加速凝劑，要求整段嚴格滿澆筑，以有效控制洞內沉降。

5 結語

本文以廣西地區某公路隧道穿越灰巖與砂巖不同巖性交界區為研究背景，深入分析該不良地質段落巖體所表現出的力學特性，研究該不良地質段落巖體受隧道施工荷載擾動后的變形失穩機理，并提出合理有效的安全控制措施。研究結果表明：

(1)灰巖與砂巖巖性交界帶地層以強風化基巖構成主要的骨架，并夾雜著濕潤軟弱土體，巖體風化強烈，巖體非常破碎，遇水極易軟化崩解，為典型的力學不穩定地層，呈現出較強的離散性與不穩定性。在外界施工荷載的擾動下，易失去原來的穩定平衡狀態。掌子面土體容易出現失穩破壞現象，失穩破壞形態為剪切破壞。

(2)隧道巖性交界區段落地下水補給路徑發育，地下水豐富，地層中細顆粒會隨著地下水的滲透而流失，加速巖體的軟化崩解，使巖體從相對穩定結構變成松散結構，松散單粒結構不穩定。此時土體間的咬合作用將變弱，土體力學性質降低，使隧道洞內沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內失穩大變形現象，引起初支結構侵限和開裂。

(3)隧道穿越灰巖與砂巖巖性交界區存在的施工風險與難點主要有水文地質條件復雜、洞內沉降控制困難和易發生洞內災害問題三個方面，應對癥下藥，選擇合理可靠的施工控制措施。

(4)隧道得以安全順利通過灰巖與砂巖巖性交界區，主要依靠隧道開挖方法優化、加強超前支護與鎖腳支護措施以及其他輔助措施等綜合性處治手段，相關施工經驗可供今后類似工程建設參考。