炭质泥岩隧道开挖变形控制技术研究

刘俊锋,柏文军,曾智勇,燕 新,张怡兴

(1.广东省路桥建设发展有限公司,广州 510630；2.长安大学，西安 710064；3.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830006)

随着我国隧道建设的高速发展，隧道建设中所遇难点也逐渐增多，高应力下软岩以及破碎岩综合问题一直是隧道施工中的难点[1]，设计和施工措施不当不仅会造成重大经济损失，还可能产生生命安全问题。

由于不同围岩的差异性，软岩隧道出现的问题也呈现不同特点，国内外学者针对不同软岩隧道在变形特征和支护结构方面进行了大量研究[2-3]，所研究的国外隧道如瑞士的辛普伦隧道、日本的惠那山隧道、意大利的都灵隧道等；国内隧道如四川的鹧鸪山隧道、甘肃的木寨岭隧道、陕西的杜家山隧道等。基于以上工程研究，我国学者提出了不同的支护方法和支护理念，李晓红等[4]基于Poyting-Thomoson(鲍尔丁-汤姆逊)模型，对软岩隧道围岩进行了黏弹性分析，得到的初期支护在一定程度上抑制了隧道的变形速率，为确定二次衬砌的时机提供了理论依据；孙伟亮[5]、王水善[6]针对不同隧道进行了施工力学行为分析，制定了“超前支护、初期支护加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的快速施工原则和总体方案。

炭质泥岩作为典型的软弱破碎围岩，其矿物成分复杂、种类繁多，大多具有强度低、遇水易软化并且易崩解的特点。在炭质泥岩中修建隧道时，围岩变形量大、变形速度快、持续时间长且后期蠕变显著。李育枢等[7]通过室内外试验对炭质泥岩的物理力学性质开展了大量研究；曾铃等[8]对炭质泥岩在路基工程力学方面开展了分析研究。但针对炭质泥岩隧道大变形及变形控制问题，目前国内还未见相关研究。本文以其古顶炭质泥岩隧道为研究背景，结合现场监测和试验，综合分析炭质泥岩隧道大变形的特征和影响因素，提出有效治理措施。

1 工程概况

其古顶隧道位于广东省梅州市梅县区，隧道穿过低缓丘陵、低山丘陵地貌区，地势起伏大，地面标高为150～440 m，地面相对高差约为290 m。山体围岩属于二叠系龙潭组页岩、二叠系文笔山组砂页岩及炭质泥页岩等，岩石较破碎。根据调绘及勘探成果，局部见燕山晚期酸性岩侵入岩脉，褶皱、挠曲较常见，岩层产状多变。隧址区地层岩性为第四系坡残积粉质黏土和碎石，基底为二叠系上统龙潭组(P2l)浅黄色砂岩及下统文笔山组(P1w)灰黑色炭质泥岩、砂岩等，龙潭组地层上覆于文笔山组地层，厚度小且局部为破碎带。围岩主要为全-强风化炭质泥岩，岩体是由岩粉、压碎的岩石碎屑和碎片等组成，存在大量节理和顺层摩擦面。隧址区位于低缓丘陵区，地表水不发育且主要来源为大气降雨、沿山谷汇流，为季节性地表水。隧址区地下水类型为松散层孔隙水及基岩裂隙水，多赋存于残坡积层和基岩岩层中，水位的变化受到季节影响，水量受基岩裂隙发育程度影响，局部裂隙带可能存在富集现象。

2 围岩破坏特性及原因分析

2.1 破坏特性

1)地表沉降大

在浅埋段进洞施工时，由于围岩条件差致使支护结构发生显著变形，造成围岩大面积变形沉降。对于地层表面而言，地表下沉会产生地裂缝：洞口右侧边坡至坡顶出现1条长约为60 m、宽为3～30 mm的贯穿裂缝，其周边零星分布着长为3～10 m 的小裂缝，套拱拱顶左侧也出现1条长为0.7 m、宽为3 cm的裂缝，洞口仰坡挂网喷混凝土处出现多处开裂，洞口段裂缝分布如图1所示。根据现场监测的8个地表沉降点(从左至右为1-1～1-8)，YK11+493断面地表下沉最大值为220.7 mm，右侧地表沉降累计值小于左侧沉降累计值，YK11+493断面地表沉降关系如图2所示。YK11+482断面地表下沉最大值为72.5 mm，右侧地表沉降累计值小于左侧沉降累计值，监测区域沉降量较大。在每次开挖扰动后围岩会产生较大变形，对隧道内部变形较大的区域监测数据进行分析，其中最大变形速率可达89 mm/d，最大沉降量可达218.3 mm，并且同一个断面可能发生多次沉降。

图1 洞口段裂缝分布

图2 YK11+493断面地表沉降关系

2)初支变形及沉降收敛大

全风化炭质泥岩开挖后，围岩强度急剧下降，产生范围较大的松动圈，并作用于初期支护措施上。初期支护刚度设置无法抵御围岩产生的变形，同时隧道刚进洞内，掌子面以及附近有少量积水，炭质泥岩遇水会产生膨胀变形，进一步加剧了初支产生的变形和围岩的沉降。断面沉降过大，同时断面出现混凝土开裂，局部出现拱架鼓包外凸等情况。初期支护环向裂缝如图3所示，YK11+465断面变形累计值曲线如图4所示，YK11+465断面收敛曲线如图5所示。

图3 初期支护环向裂缝

图4 YK11+465断面变形累计值曲线

图5 YK11+465断面收敛曲线

3)易发生掉块及塌方

开挖后掌子面揭露围岩多为全-强风化炭质泥岩，岩体层间结合较差且松散，节理裂隙发育，强度较低、自稳能力较差，围岩开挖后拱顶易发生掉块和小范围塌方。进洞以来，拱顶时常发生掉块，多次发生塌方，塌腔前后段沉降较异常。

4)拱顶及拱腰沉降大

同一断面围岩存在较大差异，地质偏压现象明显。设计Ⅴ级围岩比例为55%，施工过程中沉降较大，出现不同程度的初期支护变形及开裂情况。

隧道施工期间单日最大沉降量达274 mm/d(发生于左洞K19+575断面)，累积最大沉降量达1 100 mm(发生于右洞K11+474断面)，在施工过程中多次发生侵限，其中出口右洞换拱率高达78.9%。

2.2 破坏原因分析

隧道支护出现大变形由多方面因素造成，其中包括地形、地质和施工条件等方面，其古顶隧道的大变形原因分析如下。

1)隧道拱部形成的塌落拱荷载不均匀

根据现场监控量测，隧道地表左侧沉降量大于右侧沉降量，同时对不同部位的围岩应力、钢拱架应变以及混凝土应变进行分析，可以得出断面围岩应力、钢拱架应变以及混凝土应变值分别存在不对称性，呈现明显差异性。断面左侧的压力和应变值大于断面右侧的压力和应变值，表明地质偏压对隧道稳定性以及力学性质有显著影响。

2)围岩自稳能力差

炭质泥岩主要特性为：强度很低，裂隙层理密集发育；由于岩粉与石屑存在，岩体抗剪强度较低，其以炭质滑膜的形式存在于层理间，导致层理间摩擦系数很小，因此极易发生滑移现象；岩体易软化，在水的浸润下常为泥糊状；易崩解，岩体碎后形状为鳞片状或粉末状；由于岩体存在一定的膨胀性、各向异性和滑膜现象，在三者的综合作用下，围岩变形具有强烈的非对称性；炭质泥岩的塑性变形范围较大，会使隧道周边形成松散破碎区和塑性变形区。

3)预留变形量不合理

对于同一断面，左右侧围岩不仅差异较大，而且拱顶和两侧也有较大的差异性，如拱顶为中风化炭质泥岩，两侧又为全风化炭质泥岩。断面差异性较大导致沉降量差异较大，预留沉降量难以控制，如有些断面预留50 cm沉降量，但局部累计沉降仅10 cm，远小于预留量，使浇筑二衬混凝土超方严重。沉降量与预留量差异较大同时会导致局部产生不均匀沉降、滑塌和渗水现象，使围岩软化，初期支护发生侵限。

4)超前支护及围岩加固不理想

局部区段的掌子面围岩为全风化炭质泥岩，围岩整体较密实，岩体可注浆性较差，现场注浆效果很难达到预期的加固效果，因此在围岩扰动后，隧道易发生塌落等现象。

5)上半断面钢拱架脚部出现稳定问题

隧道上台阶钢拱架的反力依靠拱脚和锁脚锚杆，然而下台阶和仰拱的开挖会破坏上台阶钢拱架的稳定，且开挖后会出现悬空现象，从而导致隧道初期支护变形。

3 隧道变形控制措施

新奥法施工的基本原理是充分发挥围岩的自承能力，即在掌子面开挖完成后，围岩发生一定量的变形，在经过一段时间后重新达到平衡状态，并在柔性支护下保持结构稳定。但是对于软弱围岩来说，其基本不具有自承能力，因此在支护过程中就要求“以抗为主”，不能“先放后抗”，防止变形加大。结合具体施工措施，主要从支护时间、支护刚度、施工工法以及预留变形量4个方面来控制围岩能量合理释放，保证围岩稳定性。

3.1 施作临时仰拱

先行导洞上下台阶，每榀采用临时仰拱进行封闭成环措施。对已完成全断面但未进行仰拱施工的隧道段采用I20环形钢拱架临时支撑，钢拱架内设三角形内撑，并施作临时仰拱，每榀间距为0.6 m；对已施作仰拱的隧道段采用I20环形钢拱架临时支撑，钢拱架内设三角形内撑，每榀间距为1.2 m。

3.2 设置合理支护时间和预留变形量

隧道在开挖扰动后围岩应力发生改变，围岩也发生相应变形。针对炭质泥岩特殊的物理以及力学性质，开挖后围岩会产生大变形，因此合理支护时间以及预留变形量的设置是围岩应力合理释放以及围岩松动圈限制的重要前提。炭质泥岩自身稳定性差、应力水平高、形变荷载大且变形速度快，若不及时采取支护措施，当围岩自身应力的调整大过围岩自身强度时，围岩立即进入塑性状态，进而塑性范围扩大以至产生坍塌。因此合理支护时间的设置是围岩稳定性和支护措施安全性的重要保障。

根据新奥法施工十八字方针中“强支护”的施工原则，炭质泥岩在无约束情况下变形快，因此约束情况下对围岩应力释放的控制就显得格外重要。预留变形量不仅是保证围岩约束后可以发挥变形量的一个重要措施，也是保证初期支护稳定性的重要举措。结合其古顶隧道施工过程中的大变形问题，将变形量从原设计的12 cm变更到42 cm，增加支护后围岩的变形空间，使围岩变形能量可以合理释放，减少初期支护发生局部隆起和混凝土开裂的现象。

3.3 加强监控量测

隧道监控量测可及时掌握隧道围岩的动态信息，该隧道通过围岩压力、钢拱架应变、拱顶下沉以及周边收敛的数据分析，及时调整支护参数，控制步距。隧道由于变形较大且可能发生多次变形，监控量测频率应保持每天至少2次，确保隧道施工过程安全。

3.4 控制合理支护刚度

围岩变形能量需阶段性释放，保证围岩的稳定性。根据现场实际施工分析，各支护措施是按照一定顺序进行安装和固定，因此每个支护措施受力性质以及受力大小均不同。针对每个支护措施的受力特点，其刚度应合理设置，因此须对其古顶隧道初期支护措施进行变更，支护措施变更如表1所示。

表1 支护措施变更

3.5 选取开挖方法

其古顶隧道在CD工法(中隔壁法)的基础上设置临时仰拱，提出“步步成环”的施工概念，降低断面发生整体大变形的概率，有效控制大跨度软岩隧道变形，但增加了每个断面整体的封闭时间；台阶工法在围岩相对稳定的情况下使用，不仅可以加快施工进度，也可保证开挖断面的稳定性。强风化炭质泥岩采用CD工法施工，有效控制隧道发生大变形，中-弱风化炭质泥岩采用台阶工法施工，保证了隧道的稳定性。但CD工法转变为台阶工法施工时，加剧了隧道变形，因此在工法转变过程中须提前做好预支护。其古顶隧道右线开挖区域工法分布如图6所示；左线开挖区域工法分布如图7所示。

图6 其古顶隧道右线开挖区域工法分布

图7 其古顶隧道左线开挖区域工法分布

根据现场对ZK10+350、ZK10+360和ZK10+370断面的监测数据分析可知，锁脚锚管控制了围岩变形速率，降低了开挖过程中围岩变形的波动性；从ZK10+350断面和ZK10+360断面对比可知，收敛值分别降低了约54.2%和45.3%。新型纵向连接系统在开挖扰动瞬间，降低了围岩应力的释放，增加了围岩产生的抗力，防止围岩发生过大形变。分析现场监测数据可知，修改后的方案在各方面都有效控制了隧道的开挖变形。

4 结论

(1)其古顶隧道变形总体特征为变形量大、变形速率高、变形持续时间长。隧道围岩主要是全-强风化炭质泥岩，围岩性质差，因此在开挖过程中应加强监控量测和超前地质预报等手段，及时掌握围岩变形情况，调整支护参数，确保施工安全。

(2)采用新奥法对炭质泥岩隧道施工，不能过分强调初期支护的柔性、充分发挥围岩的自承能力，而应尽快采用强支护结构，使初期支护结构在短时间内闭合成环，并且尽快完成二次衬砌以承担部分荷载，从而保证隧道结构的稳定。对于炭质泥岩隧道，上半断面支护增加临时仰拱可使上半断面的钢架支护及时闭合成环，形成闭合的受力体系，有效抑制围岩过度变形。同时在施工过程中，应对已完成段的隧道监控量测数据进行综合分析，预判未开挖段隧道预留变形量的多少和围岩变形稳定的时间，从而确定仰拱和二次衬砌施作时间，使整个工程安全、稳定地运转。

(3)主要从炭质泥岩隧道的破坏特性及破坏原因进行分析，提出一系列处治措施，未能从炭质泥岩的力学性能上综合分析其变形机理，因此可进一步研究，深化结论。