某高速公路炭质板岩隧道初期支护大变形处治技术研究

王宾

摘要：某山区高速公路隧道洞口段位于炭质板岩地段，隧道在进洞80m后在初期支护中陆续产生裂缝、大变形等病害，本文描述了该隧道的病害特征，分析了该隧道的病害成因，并对病害处治措施进行了详细介绍。

Abstract： The tunnel section of a mountainous highway tunnel is located in the carbonaceous slate section. After 80m of the tunnel， the tunnel will cause cracks and large deformations in the initial support. This paper describes the disease characteristics of the tunnel， analyzes the causes of the disease in the tunnel， and introduces the treatment measures.

关键词：山区高速公路;炭质板岩;隧道;大变形;换拱

Key words： mountainous highway;carbonaceous slate;tunnel;large deformation;change the arch

中图分类号：U455.4                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）24-0141-04

0  引言

炭质板岩具有遇水软化的特性，由于其干燥状态时强度较高，因此在勘察设计阶段常常不能得到足够的重视，而实际上炭质板岩属于软岩的范畴。炭质板岩在我国西南地区分布较广泛，近年来，随着我国西部大开发战略的不断深入，西南地区的铁路、公路隧道工程不断增多，炭质板岩带来的隧道大变形问题越来越凸显，也越来越得到工程界和学术界的重视。在兰渝铁路、成兰铁路、长昆高铁、临合高速公路等工程的修筑过程中，多座隧道遇到了炭质板岩的问题，工程界围绕炭质板岩的工程特性、炭质板岩隧道大变形的成因、施工处治措施等问题开展了初步的探索和研究。本文以西部某高速公路炭质板岩隧道工程初期支护的大变形病害处治技术为例，进一步分析大变形病害成因、特征及其处治措施，以期为今后类似工程建设提供参考。

1  隧道病害情况描述

1.1 工程概况

某山区高速公路隧道是一座分离式隧道，左线隧道全长1350m，右线隧道全长1356m，隧道进口端原设计采用SF4a衬砌支护类型，在施工过程中进行了支护类型变更，按照不同位置分别变更变为SF5a和SF5b支护型式。该隧道进口段施工开挖到左线80m、右线120m时，由于连续下雨导致左线及右线隧道内发生初期支护开裂、下沉等病害。观测到病害时，隧道累计开展洞内施工65天，左线隧道累计施工进尺：80m，仰拱施作65m，二次衬砌施作10m;右线隧道累计进尺100m，仰拱施作80m，二次衬砌施作42m。

1.2 工程地质概况

原勘察设计文件将进口段围岩定为Ⅳ级围岩，强风化板岩;呈松散结构，围岩易坍。实际地质情况为灰黑色板岩、页岩、泥灰岩，围岩产状混乱，结构面结合差，结构为碎裂状、散体状结构，节理裂隙发育。结构面错综复杂，多填充软弱夹层，遇水后易软化，层间结合差，自稳能力差，开挖过程中拱顶易坍塌，侧壁易失稳，渗、滴水现象严重，见图1所示。

1.3 工程病害情况

受连续降雨影响，在隧道进洞后2个月左右发现隧道左、右幅初期支护均发生了不同程度的变形开裂现象。左洞边墙局部出现裂缝;右洞出现环向裂缝;已施作完成仰拱段落，初期支护裂缝仍继续产生，并在拱脚位置出现纵向裂缝;已支护完成的上断面、边墙钢拱架局部出现变形，局部位置初期支护渗水严重。在发现隧道病害后施工单位及组织洞内机械人员全部调离，停止施工作业，搭设临时支撑，防止恶化，同时对现场进行了进一步的监控量测。经第三方检测单位测量，获得隧道的病害情况如下：

1.3.1 初期支护变形情况

左线隧道洞口段0-25m范围内左侧初期支护断面侵限，右侧略有富余，初期支护左侧局部最大侵限17cm;25-35m范围内断面左侧侵限较为严重，右侧略有富余，初期支护左侧最大侵限28cm;35-45m范围内断面左侧侵限，右侧略有富余，个别断面初期支护左侧最大侵限16cm;45-80m范围内断面左侧侵限严重，右侧略有富余，断面左侧最大侵限20cm。

右線隧道洞口段0-40m范围内隧道整体侵限，左侧相对较为严重在8-15cm之间，局部最大22cm，右侧在5-12cm之间，局部最大18cm;进洞40-70m范围内侵限较小，最大侵限5cm左右。

1.3.2 初期支护混凝土裂缝

左线隧道进口洞内20-30mm处裂缝沿隧道左侧拱腰延伸至拱顶，长约3.6m，宽约3-6mm;左线隧道进洞40-50m处裂缝沿隧道左侧拱腰延伸至拱顶，长约4.8m，缝宽约4-7mm。右线隧道进洞20m处裂缝沿隧道左侧拱腰延伸至拱顶，长约3.2m，缝宽约4-8mm;右线隧道进洞30-40m之间有6处裂缝沿隧道左侧拱腰延伸至拱顶，长约4.1m，缝宽约3-6mm。

1.3.3 拱顶沉降

2016年7月17日观测ZK94+460、ZK94+465拱顶下沉发生突变，单日沉降速率达到2.1mm/d-3.1mm/d（累计沉降量已达到115.7mm-121.6mm，Ⅳ及围岩已超出原设计预留沉降量，Ⅴ级围岩已超出原设计预留沉降量的2/3）;2016年7月18日观测YK94+470、YK94+480、YK94+490拱顶下沉发生突变，单日沉降速率达到7.5mm/d-11.8mm/d（累计沉降量已达到88.6mm-121.5mm，Ⅳ及围岩已超出原设计预留沉降量，Ⅴ级围岩已超出原设计预留沉降量的2/3）。

1.3.4 周边位移

据监测数据，左线隧道周边位移单日位移速率达到2.3mm/d-3.6mm/d（累计位移量已达到110mm-120.4mm）;右线隧道周边位移单日位移速率达到8.2mm/d-9.1mm/d（累计位移量已达到85.3mm-105.6mm）。

1.3.5 地表沉降速率

据监测数据底边沉降速率未出现突变情况，单日沉降速率为0.1mm/d-0.11mm/d，无地表开裂现象。

2  病害成因分析

根据设计施工资料分析，本隧道产生开裂、大变形病害的首要原因是勘察设计单位对于围岩的物理力学性质认识不足，在勘察设计阶段将炭质板岩当成普通的强风化板岩，围岩类别定为Ⅳ级围岩，采取的施工支护措施明显偏弱，未针对炭质板岩遇水软化易变形的特殊工程特性采取针对性的处治措施。在隧道开挖后，未及时变更围岩类别，虽然将支护类型从SF4a变更变为SF5a和SF5b支护型式，但未针对炭质板岩的特殊工程特性增加预留变形量、调整施工支护参数，因此导致病害的逐步积累发生。

另一方面，从现场反馈的信息来看，洞口段开挖采用台阶法施工，左线隧道掌子面距离仰拱15m，掌子面距离二次衬砌70m;右线隧道掌子面距离仰拱20m，掌子面距离二次衬砌60m。施工支护参数存在明显不合理，二次衬砌到掌子面距离过长，针对软岩地段未做到二次衬砌紧跟、及时封闭仰拱，这也是导致初期支护变形开裂的直接原因。

3  病害处治方案与实施

3.1 病害处治方案

经专题会议研究，制定了临时支撑、换拱方案对病害地段进行加固处理，临时支撑采用扇形支撑方式;凡侵入二次衬砌净空且二次衬砌厚度不能满足40cm的部位采取换拱处理，并在隧道内标注换拱部位;二次衬砌厚度满足40cm且小于设计厚度段落，二次衬砌采取加强处理。

3.1.1 左洞病害处治

对于能满足40cm二衬厚度要求的地段，提前施作二次衬砌，并对二次衬砌进行加强处理;对于初期支护由于侵限严重地段，需进行换拱处理同时对该段二次衬砌进行加强处理。对于仰拱还未施工地段，根据监测数据情况，由于该段按照满足40cm二衬厚度，也采取二次衬砌补强处理。

3.1.2 右洞病害处治

对整体侵限地段，进行换拱处理;为防止初支继续下沉，侵占二衬厚度，采用I18工字鋼进行临时支撑。对于侵限较小且二衬厚度均满足45cm及以上地段，由于不能满足原设计50cm二衬厚度要求，因此对该段落二衬厚度作加强处理。

二衬做加强处理具体实施为：原设计二衬砼厚度由45m变为40cm，原环向主筋规格Φ22不变，间距由200mm加密为100mm，仰拱已施工段与仰拱预留钢筋相接，加密钢筋采用植筋与仰拱连接，未施工仰拱段钢筋一并加密调整，其余钢筋均不变。二衬加强地段采用打设Φ42×4小导管注水泥浆对初期支护周边围岩加固处理，小导管间距按设计径向锚杆间距布设（Ⅳ级0.8m，Ⅴ级0.6m），长度3.5m。

3.2 换拱施工方案

3.2.1 换拱施工工艺流程

侵限段落临时支护→打设径向注浆管注浆→打设超前注浆管注浆→逐榀进行换拱→浇筑二次衬砌。

3.2.2 换拱段进行临时支撑

①环向支撑采用I18工字钢钢架进行支撑，间距1.6m，钢拱架与初支面空隙采用木屑进行卡缝，钢拱架底脚直接支撑在已浇筑的仰拱填充混凝土上，支垫牢靠;

②中间拱顶位置、两边拱腰位置竖向立支撑及拱顶纵向连接均采用I18工字钢支撑，间距为两榀环向支撑间距，即为3.2m;

③临时支撑长度10m，循环使用，并超前于换拱位置3m。

3.2.3 换拱前注浆处理

换拱前先在侵限每榀钢拱架拱部按120°内范围内按环向间距50（30）cm打设4.5m长？准42×4mm超前小导管并注浆，水泥浆达到终凝后开始换拱。

3.2.4 换拱步骤

利用钢筋台车进行换拱，原有初期支护主要采用人工持风镐或机械配套，禁止采用爆破作业，以减少对围岩的扰动及对已有钢架的破坏。为避免换拱后沉降侵入净空，新拱架考虑20cm预留变形量。

对变形段初支加固完成后，根据注浆前与注浆后的量测资料分析，围岩稳定，无变形，则开始对变形段拱架进行更换，换拱时由外向里进行，每次一榀，每榀拱分3-4段换完，先换左侧边拱，再换拱顶，当围岩较差、出现掉块、变形速率增大时，拱顶分两段换拱，最后换右侧边拱，见图4所示。

拱架拆除与安装：

①左侧B单元拆除与安装。人工凿除线路左侧B单元与C单元和A单元的拱架接头环向1m范围内初支砼，露出拱架接头后用乙炔将接头螺栓割除，使左侧B单元与拱架分离，割除钢架连接钢筋及钢筋网，并用风镐对拱架位置进行修整，达到设计开挖轮廓线后，先初喷一层混凝土封闭开挖面防止掉块，再将加工好的钢拱架安装进去，当左侧B、C单元连接好后，施作拱架定位钢筋，打设锁脚锚杆、挂网喷砼、打超前小导管。由于新换拱架考虑了20cm的预留变形量，为了保证B、C单元的连接，新加工的B单元与C单元连接端的连接板要加大，宽度较设计加宽10cm，长度靠内弧一侧要加长20cm。为了换拱拱架连接，喷射砼时在先换拱架接头处采用水泥袋包裹。

②拱顶A单元拆除与安装。凿除线路右侧B单元与A单元的拱架接头，右侧A单元与拱架分离，拆除拱架、扩挖及初喷，安装拱架，A单元左侧拱架采用连接螺栓与换好的左侧B单元连接，A单元右侧落在未换的右侧B单元上;当A单元长度不足，A、B单元拱架连接处缝隙较大时，加垫木板并用木楔楔紧，当A单元长度过长时，根据现场尺寸，割除B单元接头。当围岩较差、出现掉块、变形速率增大时，拱顶（A单元）分2段换拱，其它方法同上。见图5所示。

③右侧B单元拆除与安装。凿除线路右側B单元与C单元的拱架接头，使拱架分离，拱架拆除后，按设计安装新拱，为了便于与B单元、C单元连接，在加工右侧B单元时，要比设计加长50cm，且与C单元连接的一端不焊接连接钢板，根据现场尺寸量取，对右侧B单元进行切割，将预留连接板与C单元的连接板连接后，再将B单元焊在已连接好的钢板上，见“拱架接头处理图”。最后施作锁脚锚杆、挂网喷砼、打超前小导管。为保证边墙及仰拱的稳定，对C单元换拱后增加锁脚小导管。其它拱架参照第一榀拱架处理，新处理的初期支护封闭成环后，及时进行二次衬砌施工，确保结构的稳定。

④换拱时按设计要求重新打设径向Φ22砂浆锚杆注浆（Ⅳ级围岩）及Φ25中空注浆锚杆加固（Ⅴ级围岩）。砂浆锚杆与钢拱架焊接在一起，钢筋网片、喷射混凝土施工与设计相同。

3.2.5 换拱期间的监控量测

换拱地段每一榀拱架更换完成后，及时布设监控量测点，进行拱顶下沉、周边收敛。之后每完成3m布一组量测点，测点设置5个点，即拱顶下沉点1个，径向收敛点4个（中台阶2个，下台阶2个），每组点均要在同一断面上。量测频率每天3次，当变形速率大于3mm时要增加量测频率。每次量测完后1h内计算出量测结果，对量测结果进行回归分析，用以指导施工，量测布点见图6所示。

4  结语

本文结合工程案例介绍了炭质板岩隧道大变形病害的特征，并对病害产生的原因及病害处治措施进行了分析，后续结果证明本工程的病害处治措施是有效的，在换拱以后，隧道大变形病害基本得到了控制。论文的研究得出以下主要结论：

①本隧道产生病害的主要原因在于设计单位、施工单位对于炭质板岩的工程性质认识不足，而施工支护参数选择不合理是导致病害产生的直接原因。

②炭质板岩隧道施工处治措施的关键在于：一方面，要预留足够的变形量，释放围岩的应力;另一方面要加强支护的强度和刚度，二次衬砌紧跟，及时封闭仰拱，将围岩的变形限制在合理的范围内，形成围岩变形与结构约束之间的动态平衡。

参考文献：

[1]张波.木寨岭隧道板岩变形机理研究[J].铁道建筑，2014（05）.

[2]王维富.炭质板岩地层隧道施工要点及大变形防治措施[J].隧道建设，2010（06）.

[3]邹翀，王超朋，张文新，高攀.兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究[J].隧道建设，2010（02）.

[4]巨小强.木寨岭隧道越岭区区域地应力特征分析及应用[J].铁道勘察，2010（02）.

[5]刘招伟，王明胜，方俊波.高地应力大变形隧道支护系统的试验研究[J].土木工程学报，2010（05）.

[6]苟彪，张奕斌.新蜀河隧道炭质片岩大变形控制技术研究[J].铁道工程学报，2009（11）.

[7]李国良，朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术[J].铁道工程学报，2008（03）.