炭质板岩地层隧道施工要点及变形防治措施探讨

傅璇

炭质板岩地层隧道施工要点及变形防治措施探讨

傅璇

一、工程概况

苍稼岭隧道位于湖南省邵阳市洞口县境内，进出口分别位于月溪乡大凉山村和长塘乡长塘村，是怀邵衡铁路控制性工程之一，隧道设计为单洞双线隧道，全长7976m，最大埋深为540m。隧道进口里程为DK76+343，出口里程为DK84+319。该隧道设计一座斗山冲斜井，长1437m，双车道施工，出口横洞一座，长330m。苍稼岭隧道属I级风险隧道，地质各系、组接触带交叉频繁，发育多条断层，有页岩气、高地应力、断层破碎带等不良地质。另外，隧址区地表水和地下水具有酸性侵蚀和氯盐侵蚀性，成为怀邵衡铁路全线中的施工重点、难点工程。

二、炭质板隧道施工中存在的问题

1.存在的问题

炭质板岩地从外观上看一般以灰褐色和黑褐色为主，构造为薄-中层状，重结晶不明显，主要由泥质、砂质、炭质、钙质等成分构成，炭质板岩地含有石英细颗粒，遇水后容易软化，炭质板岩地是区域变质作用的低级产物，均向压力和温度都不是很高，主要受到应力作用的影响。Ⅳ级是软石，坚固系数1.0～1.5，Ⅲ级是硬土,坚固系数为0.81～1.0。板岩的力学特征和其结构面的破坏有着直接关系，比如板岩结构面受力之后，极易发生顺层理面滑移和剪切破坏等现象，进而导致炭质板岩容易浸水，一般情况下，浸水软化后强度会降低50%左右。另外, 苍稼岭隧道存在游离页岩气，其是一种非常规天然气资源，赋存于有机质泥质页岩及其夹层中，以吸附及游离状态为主要存在方式，成分以甲烷（CH4）为主（占比85%以上）附带少量的乙烷(C2H6)、丙烷丁烷(C3H8)，外观特征无色无味，与空气混合临界点9.1%时极易产生爆炸。成因以生物作用，沥青裂解及综合几方面因素。

在板岩地层隧道爆破作业结束后，掌子面成型锯齿状明显。随着岩体在空气中暴露时间的变长，风化使得隧道的开挖面岩体出现掉块的情况，进而导致坍塌。在坍塌附近若富含裂隙水，会使得坍塌规模变大，坍塌情况加剧，造成施工中掌子面轮廓线成形差。在隧道开挖过程中，炭质板岩不能与水接触浸泡，如果长时间遇水，会导致围岩出现膨胀软化呈泥糊状的现象，使其强度大幅度降低。在有水地带进行开挖作业，容易使围岩掉块的情况持续变长，随着掉块的增加会导致隧道顶部的围岩出现更大的松动范围，会造成掌子面及其周边产生大规模的塌方。

2.原因分析

根据爆破的岩层可以看出，炭质板岩一般为0～30cm的薄层状，围岩破碎，节理发育。在隧道爆破作业后，岩体的应力重新分布，从而形成松动圈，降低了岩体阻力；另外，在重力和地应力的相互作用下，会出现开挖面表层岩块掉落的情况，岩块的下落会使得岩体的应力再次重新分布，形成松动圈继续扩大的趋势，最终引发大的塌落。直到岩体整体的应力重新达到平衡，坍塌掉块才会停止，围岩岩层应力会重新处于稳定状态。

炭质板岩的岩性为软质岩，主要构成成分包括钙质以及石英细粒和炭质等。遇水后会使其整体强度大幅度下降，从而对其稳定性产生影响，导致整个岩面出现坍塌的情况。炭质板岩在高地应力的作用下，会导致变形持续的时间增长，变形量增多。

三、炭质板岩地层隧道施工要点及大变形防治措施

1.隧道施工要点

在对炭质板岩地层隧道施工的过程中，为了能够更好地降低安全风险，使施工作业安全得到保证，应注意对隧道开挖、支护等施工要点进行掌握。

第一，隧道开挖阶段的施工要点包括施工前和施工中两大部分。施工前期对拱部进行超前小导管支护作业，采用直径为Φ42*3.5mm的超前小导管，为拱部岩体提供向上的支撑作用，并进行注浆将岩体内裂隙充填固结，进而减少爆破作业后岩体掉落的情况，同时也避免松动圈扩大趋势等。隧道开挖采用的是三步台阶法开挖和光面爆破工艺，这种方法工艺能尽可能地降低爆破作业时对周边岩体的扰动，从而增强岩体结构本身的承重力和自稳定性能；此外，加强对页岩气层的超前地质预测预报、页岩气浓度监测等，避免因页岩气积聚而引起重大灾害，保障隧道施工安全。

第二，隧道支护施工要点。隧道初期支护作业是在隧道开挖结束后进行的，采用型钢钢架与钢筋网喷射混凝土支护方式。支护是使还未被整体破坏的岩体得到径向抗力，并将局部应力状态进行转化至拱架，进而增加岩体的承重能力。

第三，受高地应力影响的炭质板岩地层隧道施工，与普通的隧道施工存在不同，其施工要点如下：

（1）受高地应力的影响，炭质板岩存在变形量大、持续时间长等特点。在隧道开挖后，采用型钢钢架与钢筋网锚喷的支护方式，其中初喷层的厚度为5cm；岩层应力释放达到平衡状态，当隧道变形速率降低后进行复喷，复喷厚度保持在20cm以上。

（2）为了对个别变形较大的地段，提高其支护承重能力，应采用在上台阶底部设临时钢拱架封闭成环受力的方式，使变形得到尽早控制和对下一工序施工提供安全保证。

（3）对于洞身富水的地带，在掌子面前的岩体处，施做止浆墙，采取超前周边注浆止水的方式，将基岩裂隙的水径流方向加以改变，从而使掌子面的前方岩体的10～30m范围内无水，有效地避免了炭质板岩遇水及扰动软化成泥，引发大面积坍塌现象的发生。

（4）加强对开挖初期隧道变形速度和位移的监控量测，将量测结果及时反馈到相关负责人。及时分析并采取措施，掌握岩体的变化规律，进而确定炭质板岩的预留变形量空间，指导掌子面施工。炭质板岩地层隧道的变形量通常在10～40cm之间，开挖作业时按照实际测量的预留情况适量放大开挖断面的尺寸，避免隧道支护变形后侵限，后期换拱安全风险极大。

（5）隧道断面优化要点。对于隧道变形较大的地带，采用圆弧形的临时仰拱支护形式，解决上台阶支护结构受力较大、变形不均匀的问题，将变形尽可能地缩小，从而避免风险事故的发生。

2.变形防治措施

（1）初期支护及加固

在洞身变形控制中，变形较大的地段需要台阶底部挖出仰拱沟槽和墙角，在这基础上增设临时仰拱，期间严禁使用机械对全幅仰拱拆除，否则容易使墙脚悬空并引发隧道塌方，对炭质板岩进行加固时，需要沿着洞身的纵轴线方向进行连接筋加固，并喷射混凝土封闭，使底部支撑形成网格状分散受力。

当洞身的变形速率过大使得其变形超出限值位移时，就会导致支护施工的表层出现崩壳、开裂等情况，这就需要采用竖向支撑临时加固方式，在临时仰拱左右拱腰部位进行竖向加固，加固使用的材料首选钢管，竖向受力较工字钢好。

（2）径向小导管注浆加固

在变形阶段的初期支护表面，在拱部呈梅花形设置小导管注浆，使其加固初期支护背后松散岩层，形成岩体加固圈。在对其注浆前需用喷混凝土将岩体裂缝进行封闭。然后自下而上进行隔孔注浆作业，当注浆压力达到0.5MPa或出浆量缓慢时，停止注浆施工。

（3）长锚杆加固

在注浆结束后，在沿拱墙范围呈梅花状布置补打长度不小于5m的中空锚杆，并进行注浆固结。

四、结语

综上所述，根据对怀邵衡铁路苍稼岭隧道施工中，高地应力炭质板岩变形的问题及成因进行分析。炭质板岩大变形的主要原因是开挖施工中，岩层应力重新分布影响了原地层结构的稳定性，进而产生变形。文章对炭质板岩地层隧道的变形采取强支护、拱部导管径向注浆、长锚杆加固等措施，达到对板岩地层变形控制的目的。但是，我们应在炭质板岩变形防治方面进行更深入的探索、实践，为今后类似隧道炭质板岩地层隧道变形提供更科学、更合理的技术参考。

中铁二十局集团第二工程有限公司）