顺层偏压岩层中隧道支护

蒋建成

国内某顺层偏压隧道工程，在施工过程中初期支护出现了病害，通过专家会审、不断调整支护参数进行了多次试验后，最终确定了合理的支护参数。本文将处理顺层偏压病害的过程和措施进行总结，以便在以后施工过程中遇到相同病害时参考。

1 工程及地质概况

重庆某高速公路隧道，位于乌江侵蚀河谷发育的中低山峡谷地区，最大埋深约 1 000 m。隧道设计为单向双车道，全长约4 700 m。隧道穿越地层为志留系罗若坪组粉砂质页岩、页岩，夹少量粉砂岩，深灰、灰黑、灰色，层理发育，薄～中厚层状，粉砂状泥质结构。页岩裂隙面一般平直、光滑，多呈闭合状，无充填或钙质薄膜充填，岩芯失水后易起裂纹。岩石天然抗压强度25 MPa～40 MPa，具有一定脆性。隧道通过区域构造简单，地层单斜，岩层产状 280°～ 341°∠20°～ 48°，岩层走向与路线走向交角为 5°～20°，倾向路线右侧;主要节理有:110°～ 160°∠57°～ 72°，90°∠90°，节理间距1 m～2 m，多呈密闭或微张，延伸性一般。

2 工程地质特点

1)隧道通过的岩性主要为砂质页岩，其强度介于硬质岩与软质岩之间;岩层走向与路线走向交角小，隧道靠山侧边墙为顺层。2)埋深较大，且部分埋深急剧增大，最大埋深约1 000 m。3)深孔岩芯表明，围岩层理发育，发育 1组～2组裂面，裂面光滑、平直、密闭，与隧道开挖揭示的微节理发育一致。4)隧道深孔(孔深662.2 m)地应力测试，最大水平主应力为16 MPa，方向为N67°W，与隧道轴线交角约62°，且与岩层倾向基本一致，对隧道围岩较为不利。

3 施工过程中出现的问题

在施工至埋深约328 m开始，局部段落拱部在初期支护完成后，拱架表面喷混凝土在7 d～10 d内出现裂缝并逐渐变大，随掌子面开挖逐步前移，最后发展为爆壳。且随着时间推移，出现了格栅拱架变形现象。开挖后病害特点如下:1)隧道爆破后，围岩完整性较好，施工炮眼痕迹一般残留70%以上。2)在隧道埋深达350 m后，隧道支护变形量较大，沿隧道右侧拱部范围内出现纵向开裂。3)施工面不封闭时，几小时后围岩会沿微节理面及层理面产生松弛破裂，在拱顶、洞壁及掌子面会出现响声，且有围岩剥落掉块，开挖轮廓逐渐呈不规则状等现象，之后暴露面呈现出破碎～较破碎状态。4)围岩应力释放缓慢，时间长，且具有突然大量释放的特点，使得初期支护变形开始不明显，继而突然开裂，变形发展较快。5)地应力在左、右洞间，隧道进口段与出口段的表现不尽相同，具有不对称性、非均匀性，使左右洞、进出口段处理措施效果差异明显。

4 调整后支护参数及采取的措施

经专家会审，不断调整施工参数，分别进行了Ⅲ级围岩复合式(D型)、Ⅲ级围岩复合式(C型)、Ⅲ级围岩复合式(D1型)、Ⅲ级围岩复合式(E型)、Ⅲ级围岩复合式(E型)过渡加强段、Ⅲ级围岩复合式(F型)、Ⅲ级围岩复合式(G型)、Ⅲ级围岩复合式(H型)试验段施工。其详细支护参数见表1。

表1 隧道支护参数一览表

5 采取措施后的效果

Ⅲ(D)及Ⅲ(C)试验段施作的同时加强监控量测工作，设置测点及测试元件，收集围岩压力、钢支撑应变、锚杆轴力、拱顶沉降、水平收敛等数据，以确定试验段初支效果，指导后续施工。

但在试验段施作一个星期之后，试验段的Ⅲ(C)及Ⅲ(D)再次出现不同程度的裂缝，其中有几榀格栅拱部局部弯曲，主筋弯曲凸出，左线情况较为严重，右线支护开裂不明显。

相关专家对现场进行实地踏勘后，确定对支护进行加强，调整为格栅间距1.0 m/榀Ⅲ(D1)及格栅间距0.8 m/榀Ⅲ(E)衬砌，并在左、右线分别施作Ⅲ(D1)及Ⅲ(E)试验段，对比支护效果。

试验段施作过程中左洞Ⅲ(D1型)试验段在拱肩处的拱架位置出现开裂，并使格栅拱架外凸变形，初期支护局部轻微表面崩壳;Ⅲ(E型)个别轻微崩壳，在K41+165靠山侧拱腰处有一斜条裂纹，其余初期支护较完好。右洞Ⅲ(D1型)试验段拱顶喷混凝土开裂，开裂位置与掌子面距离13 m～20 m，其后开裂位置随开挖面前移，开裂处逐渐增长、扩大;Ⅲ(E型)在距离掌子面6 m～15 m拱顶位置出现崩壳、开裂。开裂距离较之前Ⅲ(D1)试验段距掌子面更近。

经专家会审，施作0.8 m/榀的工字钢架的Ⅲ(G)型衬砌、0.6 m/榀的格栅钢架的Ⅲ(F)型衬砌，在左右线分别进行对比试验。

根据试验段施作效果，上半断面初支仅左、右线在同一对应的里程上，左、右线的右半拱部附近有几榀钢架处有局部的剥落掉块现象外，其余均未发现异常，开裂变形情况远比Ⅲ(D1)，Ⅲ(E)等试验段要好，拱顶下沉累计值均在8 mm～33 mm之间，且趋于稳定。专家组经过现场对比各试验段支护效果，听取各方提供的资料，认为Ⅲ(F)，Ⅲ(G)支护均能满足要求，但从经济上比较，Ⅲ(G)要优于Ⅲ(F)，故决定Ⅲ(G)类型为后续施工段支护类型。

按照Ⅲ(G)衬砌施工至左线ZK41+420及右线K41+390以前段，均正常施工无异常情况。但施工左线ZK41+420～ZK41+510，右线K41+390～K41+568段初期支护喷混凝土再次纵向开裂和局部拱架变形，其中右线K41+395～K41+465段尤为严重，钢架严重扭曲变形，初支严重侵限，K41+395～K41+405右侧下部钢架发生剪切变形。

Ⅲ(H)试验段施作完成后，初支未见病害，监测数据表明，拱顶下沉累计值均在8 mm～33 mm之间，且趋于稳定。

6 结语

隧道的病害是由于上覆地层自重应力、顺层地层偏压、岩体微裂隙发育、岩体的强度介于软质岩和硬质岩之间等多种因素组合所形成的岩体在隧道开挖后的二次应力作用下发生的二次破坏，是一种特殊的地质病害。由于隧道围岩顺层偏压情况受地层岩性、埋深、岩体节理、地应力等多种因素影响，规律性不强，且左右洞对应段落也存在差异，这给准确的进行衬砌结构设计带来了很大的难度，唯有在施工过程中，根据监控量测的资料，及时分析反馈，动态调整初期支护，确定合理的支护措施。

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