炭质片岩地质隧道施工变形控制

董 杰 蔡亚丽

1 工程概况

新蜀河隧道全长 8 989m，是新建铁路襄渝二线胡安段的重点控制工程。设计采用带仰拱的曲墙复合式衬砌、除进出口 39m为碎石道床外其余均铺设弹性整体道床。整个隧道设 2座斜井和1座横洞，其中:渔王沟斜井长849.64m，险滩沟斜井长992.14m，沙沟横洞长263.16m。

隧道原设计Ⅲ级围岩 6 780 m，Ⅳ级围岩 1 852 m，Ⅴ级围岩357m，变更设计后Ⅲ级围岩 2 621m，Ⅳ级围岩4 317m，Ⅴ级围岩2 051m。地层岩性主要为石英云母片岩及云母石英片岩，呈互层状，局部呈夹层状，矿物成分主要为绢云母和石英等，片状及块状构造，变晶结构，岩层软硬互层，片理发育，片理面具丝绢光泽，受构造影响严重，褶曲发育，片理产状变化较大，岩体全风化～弱风化。

2 地质特点

隧道洞身通过地层主要以志留系下统云母片岩为主，受区域构造的影响，岩体中构造和小褶曲发育，岩体受应力和变质作用的影响，使区域范围产生大的褶曲构造，而且使岩层自身形成了局部的褶曲、揉皱，造成产状的多变。施工过程中洞身开始大量出现炭质片岩地质及部分零散段落。炭质片岩岩体的抗剪强度低且对振动影响很敏感，岩体扭曲、揉皱现象明显，节理发育，岩体节理面光滑亮泽，往往夹杂有石英岩脉侵入体，并伴有地下水渗流。施工过程中出现了不同程度的初期支护变形、侵限、拆换和危及施工安全现象。

3 炭质片岩特性和大变形特点分析

3.1 炭质片岩特性

经过近四年的现场施工情况分析，新蜀河隧道炭质片岩是一种具有沿片理面蠕滑、软质岩流变和构造破碎综合特性的特殊劣质岩。炭质片岩强度低、具有变形长时段发展的流变性质，在区域地质构造作用下，地层强烈扭曲揉皱，产生大量密集的节理和顺层摩擦镜面，岩体的整体性遭到严重破坏，由于富含炭质滑膜的作用，岩体抗剪强度c值、内摩擦角φ值极低，是导致初期支护开裂、变形、侵限的基本地质原因。

3.2 大变形特点分析

1)日变形量和累计变形量大:施工过程中围岩日水平收敛达30mm～50mm，随着隧道的掘进，变形也随之加快，洞身开挖支护完成后，导致初期支护在很短时间内变形侵限。2)蠕变加突变:开挖支护后，围岩蠕变持续时间长，拆换侵限初期支护时易发生突变，造成围岩失稳坍塌。3)工序转换易导致围岩变形加剧:工序转换时对围岩变形收敛影响大，比如掌子面爆破，下台阶落底及仰拱开挖时围岩均有明显的变形加剧现象(见图 1)。

4 方案选择

4.1 三台阶法施工

隧道上台阶开挖后，首先进行围岩封闭，接着进行上台阶翻碴、打设锚杆、挂设钢筋网、架立Ⅰ20钢架和施作喷射混凝土，同时进行中、下台阶出碴作业。出碴结束后即进行施作中、下台阶的初期支护，同时上台阶进行打设超前小导管和隧道开挖工作。小导管采用φ42无缝钢管，长3.5m，循环长度2.0m，环向间距30 cm，外插角5°～10°。中部和下部施工时，采用两侧错开开挖，纵向错开距离不小于 2m，单侧开挖长度不大于 1m。

4.2 正台阶法施工

采用长台阶加临时仰拱施工方案。正台阶增加临时仰拱采用Ⅰ20型钢，并浇筑C20普通混凝土。先对掌子面进行工序转换，进行上台阶施工，掌子面初喷混凝土封闭，上台阶底部增设临时仰拱，必要时预留核心土，下台阶分左右断面错开，仰拱及二衬混凝土根据步长控制要求穿插进行，及时跟进。开挖采用弱爆破，上台阶出碴采用小型挖掘机、装载机配合小型运输机械出碴，下台阶采用装载机、挖掘机配合自卸汽车出碴。上台阶开挖高度5.2m，台阶长50m。下台阶开挖高度4.03m，分左右断面开挖，断面错开 3m，仰拱开挖应超前临时仰拱拆除 2m。上台阶开挖循环进尺1m，下台阶左右断面开挖循环进尺均不超过1.5m，仰拱开挖循环进尺不超过4m。上台阶采用φ42超前小导管进行超前支护;初期支护采用Ⅰ20型钢拱架、φ25中空锚杆，φ8钢筋网及C20喷射混凝土;临时仰拱采用Ⅰ20型钢，并浇筑C 20普通混凝土。

4.3 方案确定

根据炭质片岩的变形特点，三台阶法不能有效控制初期支护的变形，导致初支大量变形拆换，正台阶法加临时仰拱，在临时仰拱的横向支撑下，能有效的阻止围岩的水平收敛，防止初支变形坍塌，确保了施工安全，加快了施工进度。经综合考虑，最终确定采用正台阶加临时仰拱的施工方法。

5 施工工艺

1)超前支护:开挖前，采用φ42超前小导管注浆对隧道拱部进行超前支护。钢管采用外径42mm，壁厚3.5mm，长3.5m热轧无缝钢管。循环长度2m，环向间距30 cm，纵向搭接长度 1m，外插角 5°～10°，全环 36根。浆液采用水泥砂浆(加速凝剂)，小导管与钢拱架牢固焊接。

2)上台阶开挖:严格控制打眼深度及装药量，尽量减少对围岩的扰动，根据围岩变化情况调整爆破参数。

3)支护及施作临时仰拱:上台阶开挖后，初期支护与临时仰拱同步施作。临时仰拱采用 φ22螺纹钢纵向连接，间距 100 cm。钢架下设φ8单层钢筋网，网孔间距20 cm×20 cm，并与型钢点焊连接，现浇C20混凝土(加速凝剂)，捣固密实。

4)下台阶开挖:采用两侧错开开挖，纵向错开距离不小于 2m，单侧开挖长度不大于 1m。

5)下台阶支护:下台阶开挖完成后，及时按设计施作初期支护。

6)仰拱施工:采用弱爆破开挖，栈桥跨越，每次施作 4m。

7)临时仰拱拆除:采用人工风镐凿除混凝土，气割型钢拱架，一次拆除长度4.5m。

8)防水板铺设:临时仰拱拆除后，人工及时铺设防水板，防水板焊接采用双缝热焊机焊接，单条焊缝宽度不小于1.5 cm。

9)绑扎衬砌钢筋:防水板铺设完成后，及时绑扎衬砌钢筋。

10)浇筑混凝土:钢筋绑扎完成后，模板台车就位，混凝土采取罐车运输，混凝土输送泵泵送入模，插入式振捣棒捣固密实。

6 采取的主要措施

1)加强支护措施。针对软弱炭质片岩变形特征及特点，严格按照“强支护”的原则组织施工。初期支护:采用 φ42超前小导管，环向间距30 cm，打设φ22系统砂浆锚杆，长度3 m，间距1 m× 1m，挂设φ6.5×φ8钢筋网，网孔间距20 cm×20 cm，架立2榀/mⅠ20型钢钢架，喷射C25混凝土厚27 cm。

2)控制工序步长措施。优化施工工艺，并对每个工序、工艺进行监控，确保工艺到位，严格控制工序步长，三台阶关键工序步长控制如下:a.上、中台阶长度在3m～5 m，循环进尺0.8 m～1m;b.仰拱施工一次不超过4m，仰拱距离下台阶不超过8m;c.二次衬砌距上台阶掌子面不大于 50m，仰拱紧跟下台阶等。

3)临时加固措施。a.对变形控制采用 φ42的小导管进行径向注浆加固，小导管长4m、间距 1m×1m梅花形布置。b.在软弱围岩段钢拱架连接板处增加锁脚锚杆，并对连接板处集中加固。c.正台阶施工，在起拱线部位增设临时仰拱，临时仰拱采用Ⅰ20型钢按照钢拱架的间距设置，灌注 25 cm厚 C20混凝土。

4)释放应力措施。由于炭质片岩特殊岩性的影响，围岩变形量大易导致初期支护变形侵限，因此对大变形隧道的处理应按照“先放后抗”的原则进行，在临时支护约束下尽量释放变形，然后施作初期支护，二衬及时紧跟。

5)控制爆破措施。开挖采用弱爆破和人工风镐配合修凿，坚持多打眼、少装药原则，尽量减少超挖，避免欠挖。

6)加强监控量测，增加预留变形量，满足施工需要。针对新蜀河隧道变形持续时间长、累计变形量大的特点，依据监控量测数据分析，增加了预留变形量，由设计的15 cm增加到45 cm。

7 炭质片岩大变形隧道施工建议

1)强化工序组织、快速成环，步序合理、工艺到位和采取的一系列措施对隧道变形具有抑制作用，以二衬施工控制开挖速度，是减少变形拆换的一个有效方法。

2)支护强度。炭质片岩隧道围岩变形非常严重，围岩变形量大，致使隧道初期支护变形、开裂掉块严重，侵占二衬空间，钢架扭曲，甚至被剪断。造成大量拆换，严重制约了施工进度。因此，炭质片岩隧道施工地段应加大钢架型号，提高喷射混凝土级别，抵抗围岩变形。

3)以暴露时间控制工序步长、控制预留变形量的值。初期支护暴露时间越长时，围岩变形就越大，从控制围岩变形角度来考虑，初期支护暴露时间越短越好，因此尽可能地缩短施工台阶，争取早封闭、快成环。然后对初期支护暴露时间内的监控量测数据进行分析，合理确定预留变形量数值。

8 结语

施工实践证明，采用正台阶法加临时仰拱施工，大大提高了软弱围岩地质隧道施工速度，确保了工期，总结了一套软弱围岩地质条件下隧道施工工法及工艺。对工期紧、围岩差、安全风险高的隧道，采用正台阶法加临时仰拱施工是比较合理的。

[1] TZ 204-2008，铁路隧道工程施工技术指南[S].

[2] TZ 231-2007，铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南[S].

[3] TZ 10417-2003，铁路隧道工程施工质量验收及标准[S].

[4] 铁建[2005]157号，铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].