隧道穿越千枚岩断层带大变形成因及处治技术研究

2022-09-07王恩波昝文博

黑龙江交通科技 2022年8期

王恩波，昝文博，黎豪

(陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西咸阳 712000)

截至“十三五”末，我国基本建成了较完善的高速公路网络，但东、西部地区之间的路网密度差异较大，特别是地质条件复杂的西部山区高等级公路仍然较少。随着西部大开发和“一带一路”倡议的深入推进，因而越来越多的交通线路向西部山区延伸，诸如千枚岩的大量软岩隧道频繁涌现，隧道变形持续时间长、累计变形量远远超过预留变形量是施工中普遍存在的问题[1-3]。纵观国内外研究现状可以看出，许多学者分别针对隧道穿越千枚岩地层和断层破碎带区段的变形机理及控制技术进行了研究[4-6]，但有关千枚岩与断层破碎带不良地质双重影响下的隧道变形特征及成因分析还比较少见，有关此种特殊地质区段的围岩大变形处治技术还很不成熟。鉴于此，以安岚高速公路隧道穿越千枚岩地层多处断层破碎带为背景，针对围岩整体强度极差、裂隙非常发育、自稳性极差，在隧道开挖和支护过程中频繁出现坍塌冒顶、初期支护侵入二次衬砌空间等施工技术难题，开展系统性的研究工作，深入分析隧道穿越千枚岩断层带大变形破坏特征及成因，并提出合理的综合治理技术体系，对于复杂地质条件下隧道施工大变形灾害的预防和治理具有深远的指导意义和参考价值。

1 工程背景

陕西省安康至岚皋高速公路是国家高速公路网G69银百线的重要组成路段，全长91.34 km。自2016年开工建设以来，隧道群穿越断层区段频繁出现初支变形侵限、支护体系失效破坏以及掌子面突涌水等严重问题，其中以多处穿越千枚岩断层带的跷溪河隧道灾害问题最为突出，严重影响本项目的工期与工程质量。跷溪河隧道围岩以炭质千枚岩、绢云母千枚岩为主，断层极其发育，受区域地质构造影响，岩体极为破碎，围岩级别基本为V级。隧道建设过程中受千枚岩岩体特性、施工工法、支护参数等因素的影响，产生了不同程度的大变形问题，并多次发生因变形量过大而导致初支侵限、钢拱架扭曲甚至支护体系坍塌破坏等灾害现象如图1所示。

图1 跷溪河隧道施工现场典型灾害事故

2 千枚岩断层带隧道大变形特征及成因分析

2.1 千枚岩断层带隧道大变形特征

拱顶下沉和水平收敛是综合反映围岩稳定性最简便、最经济且稳定可靠的指标，利用监测数据可以指导现场施工、变更和优化支护设计，同时能够及时预报险情以保证施工安全。现场选取千枚岩断层带典型断面量测数据进行分析，并绘制拱顶下沉、水平收敛及其速率随时间的变化曲线如图2所示。可以看出隧道穿越千枚岩断层破碎带时的大变形特征主要表现为。

图2 千枚岩断层带隧道现场监测数据分析

(1)隧道围岩变形持续时间长达6个月，拱顶下沉和水平收敛累计变形分别达到700 mm和600 mm以上，远远超过150 mm的设计预留变形量，侵占了二次衬砌空间。

(2)围岩变形速率总体较大，尤其是开挖后1个月内平均变形速率大于10 mm/d，最大变形速率超过20 mm/d；为及时控制变形速率，施工单位及时施作仰拱，仰拱施作后变形速率有所减小，但喷射混凝土多处开裂、剥落破坏，边墙、拱腰处出现纵向裂缝、错台。

(3)隧道多处初期支护钢拱架扭曲变形严重，大部分发生倾斜错动，边墙位置几处钢架连接处发生较大弯曲变形，法兰连接部位损坏。

2.2 千枚岩断层带隧道大变形成因分析

综合以上现场地质勘察及监测结果表明：隧道穿越千枚岩断层段初期支护的变形量和变形速率极高，远远超过了普通Ⅴ级围岩的变形速率和预留变形量，初期支护严重侵入了二次衬砌空间。其原因可归结为以下几点。

(1)千枚岩自身性质及初始应力场对隧道变形的影响。隧道穿越力学强度低的千枚岩地层，围岩节理裂隙发育，加之断层构造作用，该段围岩单轴抗压强度明显低于隧道周边其他岩体的抗压强度。

(2)地下水的影响。地下水的赋存和运移将导致岩体孔隙率变大、强度降低，洞室开挖后围岩自稳能力降低；同时千枚岩特有的“遇水成泥”特性进一步加剧了地下水对围岩力学性质的劣化作用；断层破碎段围岩含水量较大，开挖后均出现渗流水现象。

(3)初期支护的影响。由于千枚岩断层带围岩松动圈较大，隧道设计锚杆长度只有4 m，未能打入稳定岩体中，不能起到锚固控制围岩变形的作用；另外，初期支护中钢拱架支撑刚度偏小，不能抵抗巨大围岩荷载，导致围岩产生较大的变形。

(4)新奥法通常要求围岩变形趋于稳定后再施作二次衬砌，但基于上述不利因素的影响变形始终无法趋于稳定，现场变形监测数据也说明了这一点。针对这种情况，应该及时施作较强的二次衬砌来抑制隧道变形；但施工中一直等变形趋于稳定而错过了施作二次衬砌的有利时机，造成围岩变形增大。

综合以上分析表明，千枚岩特性、断层构造作用、地下水、初始地应力场是该段隧道大变形的内在因素，初期支护刚度不足、二衬施作不及时以及施工工法不完全适应围岩特性则是加剧隧道大变形的外部因素。

3 千枚岩断层带隧道大变形处治方案

3.1 主动加固围岩，提高监测频率

在分析隧道大变形成因的基础上，提出千枚岩断层带隧道大变形处理的基本思路为：(1)立即停止掘进、封闭掌子面；(2)加固已变形围岩防止变形进一步扩大，以保证施工安全；(3)提高监控量测频率，待变形基本趋于稳定后及时更换拱圈初期支护，并紧跟施作仰拱及二衬。

(1)增加锚杆长度。由于千枚岩断层带隧道开挖后松动圈较大，实际施工中可适当加长锚杆，加固塑性区围岩控制变形。Φ28自进式注浆锚杆长6.0 m，锚杆拉拔力≥200 kN；Φ22水泥药卷锚杆用HRB335钢筋，设计抗拉力不低于100 kN；注浆需密实、饱满，同时锚杆采用专门配套的锚垫板和螺母，垫板与混凝土应紧密接触。

(2)优化施工工序。①针对初支纵向裂缝位置及时施作临时支撑；对于拱顶开裂较大、喷射混凝土表面剥落、掉块的段落，设置临时竖向支撑，确保锚杆施工期间的结构安全和施工安全。②施作Φ22早强水泥药卷锚杆及Φ28自进式注浆锚杆。③在边墙纵向裂缝处施做4排Φ42×4 mm注浆小导管并保证注浆效果。上述工序完成后，进行拱顶沉降、水平收敛变形监控量测，并及时反馈相关监控量测数据。现场施工情况见图3。

图3 自进式中空注浆加长锚杆加固围岩

3.2 拆换拱架，提高支护强度

根据加固完成后的变形监控量测数据结果，提出拆换拱的支护方案。换拱时增加了钢拱架的刚度，选用了I22b钢拱架替换原来I20a拱架，并将拱架间距由75 cm调整为50 cm，增加初期支护的强度，并喷射C25早强混凝土28 cm；二次衬砌采用50 cm厚C30模筑钢筋混凝土；仰拱初期支护也设置I22b钢拱架，间距50 cm并与墙部拱架用螺栓连接成整体，并喷射C25早强混凝土28 cm；仰拱二次衬砌采用50 cm厚C30模筑钢筋混凝土，加强了仰拱支护。针对上述软弱千枚岩及其断层破碎带隧道在加固围岩、拆换拱架后变形仍然较大的情况，可通过架设双层拱架来提高初期支护的支护抗力，减少变形量，预防侵限。