宴家炭质片岩隧道塌方综合处治研究

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(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

1 工程概况

谷竹高速公路宴家隧道位于竹溪县境内，为一座上下行分离式小净距隧道。左幅隧道起讫里程桩号为ZK226+712—ZK227+797，长1 085 m，最大埋深134 m;右幅隧道起讫里程桩号为YK226+718—YK227+803，长1 085 m，最大埋深128 m，左右洞净距约20～25 m，设计为小净距隧道。隧道净宽10.25 m，净高5.0 m，隧道设置2处人行横洞，1处车行横洞。

宴家隧道围岩以炭质片岩为主。设计中Ⅳ、Ⅴ围岩占隧道总长的65%。围岩强度低，层理发育，局部富水，施工中多处塌方。

隧道区属构造剥蚀侵蚀中低山地貌，斜坡、冲沟地形。隧道横穿山脊，经过区域地表地形整体呈波状起伏，于ZK227+340左右跨越山体分水岭后，隧道穿出山体。隧道进洞口所在斜坡为凹型坡，坡角为40°～70°，坡向为112°;隧道出洞口所在斜坡为凸型坡，斜坡坡度40°左右，坡面植被茂密，坡向为275°。隧道两洞口处均发育垂直于路线的冲沟。

根据地质调绘及钻探、物探等勘察方式得出，隧址区表层覆盖第四系残坡积粉质黏土与碎石土。

碎石土:揭露最大深度1.0 m，深灰、褐杂色，中密，稍湿。碎石含量约55%，粒径3～9 cm，棱角状，成分较杂，以硬质岩为主。隙间较多黏性土充填。

粉质黏土:灰褐色，硬塑状，稍湿，以黏粒为主，粉粒次之，局部夹少量碎砾石。

下伏基岩为志留系中统竹溪群片岩。

强风化片岩揭露最大深度7.5 m，浅灰色，母岩结构大部分已被破坏，构造不清晰，节理裂隙十分发育，矿物成分已显著变化，岩芯多呈碎块状，原岩遇水极易软化，强度明显降低，手摸有滑腻感。

弱风化片岩揭露最大深度49.4 m，灰绿色，变晶结构，片状构造，主要矿物为绢云母、绿泥石、长约8 cm碎块状，最大节长40 cm。岩质新鲜、坚硬，锤击声脆，属较硬岩。

隧道区位于北西向的竹溪褶皱束所属的杨家山向斜内，所涉及的地层主要为志留系。隧址位于向斜翼部，整体产状为单斜产状，倾向北东，产状为27°～40°∠34°～36°，节理发育。隧道区未见发育区域性断裂。

隧道洞身围岩为志留系中统竹溪群炭质片岩。炭质片岩风化程度为中，节理裂隙较发育，岩体较破碎，围岩自稳能力较差，拱顶无支护时可产生局部坍塌，侧壁较稳定，地下水为点滴状。围岩分级以Ⅵ级围岩为主，占洞身总长的60%。隧洞掌子面揭露围岩情况表明，洞身围岩主要为强风化炭质片岩夹泥质片岩，云母含量较高，片状～鳞片状构造，岩性软。岩体破碎，片理面发育，节理裂隙发育，局部泥化严重，层间结合差。

至2012年8月2日，先后有ZK227+194—ZK227+160，ZK227+290—ZK227+274，YK227+279—YK227+267等5处发生塌方。设计支护类型与围岩特征见表1。

表1 塌方段落基本情况

2 塌方过程及原因分析

2.1 塌方过程

2011年6月26 日22时，宴家隧道右线掌子面开挖至YK227+147.7处(设计属于Ⅳ级围岩，衬砌类型为XS4b)，掌子面围岩破碎，为中风化炭质片岩，节理裂隙发育，拱部少量渗水，进洞右侧拱部滑层首先发生滑塌，至27日8时，形成纵向长度约4 m，环向长度达7 m，深度达3.5 m的坍腔。出现塌方情况后，为了确保塌坍不扩大，保证隧道的安全，采取了回填洞渣反压的措施。对YK227+147.7—YK227+144.0段采取打设超前小导管注浆固结围岩及塌体，然后泵送混凝土回填坍腔的措施。至7月3日塌方区围岩基本稳定，期间不定时的有塌方发生，塌腔不断扩大，最终形成自掌子面(YK227+147.7)一直延伸至YK227+141.0的塌方区，塌方区长约7 m，环向长度达10 m，最深约5 m，方量约为300 m3。

2011年7月17 日23时，宴家隧道左线中台阶(ZK227+167，设计属于Ⅲ级围岩，衬砌类型为XS3，变更为I16工字钢)施工时发现中台阶开挖围岩较上台阶更为破碎，以强风化～中风化绢云母片岩为主，岩性很软，岩体较破碎，且节理发育，局部含水，左部软弱围岩泥化明显，围岩稳定性较差。上台阶掌子面ZK227+160处首先出现掉块，靠近掌子面进洞左侧拱腰位置开始出现裂纹，初支混凝土发生掉块。人员、机械立即撤离至安全地段，掌子面随即发生较大规模掉块，并沿滑层向拱部及后方延伸。上台阶已支护段遭到破坏，至18日4:00时，滑塌纵向长度达6 m，环向长度约7 m。由于塌方速度较快，拱顶形成的塌腔高度无法进行确认，塌方量约为260 m3，坍体主要为松散风化岩，夹杂粒径不均片状石块并夹泥，坍腔高度较高，最终坍体几乎将掌子面封闭。

其余段塌方过程从略。

2.2 监控量测结果

监控量测是新奥法设计与施工的重要组成部分。通过监控量测结果可及时掌握围岩与支护结构变形发展趋势，为支护结构参数调整提供科学依据。

对ZK227+160塌方段在ZK227+164处布置了监测点，其监测结果如图1。对YK227+147塌方段在YK227+150处布置了监测点，其监测结果如图2。

图1 2011年ZK227+164处变形监测曲线

图2 2011年YK227+150处变形监测曲线

2.3 塌方原因分析

1)揭露围岩情况与勘察设计存在差异

设计中围岩类别不论是Ⅲ级或Ⅳ级，开挖揭露显示围岩主要为强风化炭质片岩，云母含量较高，片状～鳞片状构造，岩性软，岩体破碎，节理裂隙较发育，局部泥化严重，层间结合差，有渗～滴水现象，围岩自稳能力差。揭露围岩状况与设计围岩级别存在较大的差异。初期支护偏弱是初期支护开裂发展导致塌方产生的重要原因。围岩变形和初期支护变形在地下水作用下加大了塌方的影响范围。

2)炭质片岩强度低对围岩失稳变形起控制作用

由于揭露的围岩强度低，属于软岩。围岩变形具有持续性和突发性的特点。从ZK227+164和YK227+150两个断面变形监测曲线可以看出:围岩收敛变形和拱顶下沉在塌方前累计变形较小，但总的变形一直呈增长趋势。这种增长趋势正是软岩变形持续性的反映。在累计变形持续发展过程中，受到内部应力突然释放、地下水影响、开挖扰动等作用，发生突发性塌方。这种塌方正是软岩变形在时间和空间上突发性的具体表现。也正是软岩的这种特性导致其塌方控制难度加大。

3)炭质片岩结构面对围岩稳定性产生明显影响

围岩存在破碎带或软弱夹层，炭质片岩层状软岩结构面结合差，结构面遇水软化，降低了炭质片岩的力学指标，致使围岩整体性降低。软弱结构面本身容易产生塌方，在降雨或多次连续降雨或地下水作用下，地下水沿着炭质片岩结构面渗透引起围岩失稳破坏。对于顺层构造部位更容易产生塌方。

4)炭质片岩稳定性对地下水的影响敏感

隧道建设区域暴雨集中，暴雨多集中在6～7月份。在隧道开挖过程中，暴雨较多，大量降雨渗入基岩，软岩强度显著降低，导致围岩工程性质恶化。

3 塌方处治

3.1 应急措施

隧道出现塌方情况后，立即启动《安全应急预案》，安全领导小组赶赴施工现场。隧道安全员分3组24 h轮换值班，在距离隧道塌方位置50 m处设置警戒线，禁止人员进入，并组织量测人员每2 h对围岩动态进行观测，派专人随时监测，检查塌方区稳定情况。加强塌方段落地表变形观察与监测。2011年7月17日ZK227+242—ZK227+156出现塌方情况后，2011年7月18日查看宴家隧道左线洞顶原始地表，无明显迹象。为了防止塌方不扩大，保证隧道安全，采取了回填洞渣反压的措施。对 YK227+147.7—YK227+144.0段还采取打设超前小导管注浆固结围岩及塌体，然后泵送混凝土回填坍腔的措施。

3.2 处治措施

3.2.1 后方仰拱及二衬施工

宴家隧道左线二衬里程ZK227+207，距离塌方处不足50 m，首先施作大边基及二衬，二衬施工至塌方段后方，然后进行塌方段处理。

3.2.2 坍腔处理

对坍塌处采用回填洞渣先行预压掌子面，使坍塌不延伸，对塌体喷混凝土固结后，采用三台阶法施工。因塌体高度高于拱顶，采用拱部120°范围打设一环超前小导管(长度L=6.0 m，环向间距40 cm)注浆固结拱部及掌子面松散塌体。拱部预留注浆管道泵送100 cm厚C25混凝土，再吹砂50 cm厚。

3.2.3 调整初衬类型并加固

采用 XS4b衬砌类型，增加I18工字钢(间距80 cm)，增加超前小导管4.0 m(塌方段纵向间距1.6 m，影响段纵向间距2.4 m，环向间距40 cm)，并预留注浆管道泵送C25混凝土回填坍腔。

3.2.4 增强二衬结构

为了防止塌腔混凝土泵送处理过程中存在的不密实现象对隧道结构的影响，对ZK227+194—ZK227+156和YK227+153—YK227+131两段二次衬砌增加衬砌钢筋。其它塌方段亦做类似处理。

3.2.5 加强监控量测工作

处治施工中加强洞内监控量测工作，严格执行3级预警机制，发现异常情况及时上报，并采取必要的处理措施。根据初衬监测结果决定二衬施作时机。二衬施作后，加强二衬变形监测，对处治效果进行评价。

3.3 处理效果评价

处治工程结束后，对拱顶下沉、围岩收敛、二衬混凝土应变进行了长期监测，ZK227+165及YK227+145监测断面变形曲线如图3。图3表明:两个监测断面累计围岩收敛和拱顶下沉都表现出增加趋势，但在相同时间内累计变形量减小约50% ～70%，变形速率也呈明显减小。变形趋势相同，但变形速率呈现明显减小趋势。初期支护加固处理后，初期支护的持续变形基本得到控制，初期支护后没有再次出现大变形现象。说明宴家隧道塌方段处治所采取的措施是合理的，处治效果良好。但是由于软岩具有流变特性，隧道变形仍未能达到完全稳定状态。

图3 监测断面变形曲线

ZK227+165监测断面应变曲线如图4所示。从图4(a)看出:纵向拉应变最大值位于拱顶部位，最大值为 198.56 ×10－6，为允许应变 2 000 × 10－6的9.93%。最大压应变位于左拱脚部位，最大值为46.11×10－6，远远小于允许应变。图4(b)表明:该断面纵向混凝土应变比较平稳，环向在拱顶、左拱脚、右拱脚先是受拉，大约12 d即转变为受压，但变化均比较平缓。该断面混凝土大多处于受拉状态，应变(纵向)比较平稳，未出现大的波动，而且应变值也未出现超过允许应变的情况，二衬混凝土在这种受力情况下状态良好，说明调整二衬支护参数的方案是合适的。

图4 ZK227+165处监测断面应变曲线

4 结论

塌方处理后，变形监测结果表明塌方处理方案是合理的，围岩累积变形量和变形速率都大大降低，说明采取的加固措施有效，可为以后相似工程的处理提供借鉴。

1)充分认识炭质片岩的变形特征，正确确定围岩的级别，采用合理的支护参数是防止炭质片岩塌方发生的根本措施。

2)炭质片岩围岩稳定性在地下水作用下显著降低，探明地下水发育状况对防止炭质片岩失稳塌方具有重要的意义。

3)加强炭质片岩泥化区、破碎区等区域施工工艺控制，及时调整施工方案，必要时采取超前小导管等工程措施进行围岩加固，是防止炭质片岩围岩塌方失稳的一种有效措施。

4)加强量测工作，对量测数据及时分析处理，按照变形趋势确定开挖方案和二衬支护时间，必要时及时对开挖方案、初衬和二衬支护参数进行调整。必须把监控量测工作贯穿于整个隧道施工过程之中。

5)塌方处治要根据围岩性质、塌方规模等采取相应的措施，并加强施工工艺控制。

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