某公路隧道项目炭质板岩段大变形控制技术分析

李凯

摘要 随着交通工程技术的发展，我国的公路隧道建设取得显著成就。但由于隧道施工环境条件较差、地质状况复杂，施工中存在的不可控因素较多，极易产生隧道坍塌和变形，严重威胁施工安全。基于此，文章结合某公路隧道工程实例，对公路隧道项目炭质板岩段大变形控制展开研究，分析了隧道炭质板岩段施工中的常见问题及具体成因，总结了大变形控制施工技术要点，并提出了炭质板岩段隧道变形加固的具体措施，实现了隧道施工炭质板岩段大变形的有效控制，保证了隧道工程建设的顺利完成，取得了良好的经济和社会效益。

关键词 公路隧道项目；炭质板岩段；施工控制技术；大变形控制

中图分类号 U451.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0119-03

0 引言

我国目前的经济发展速度很快，为了加快运输效率，很多复杂地形区纷纷开展隧道工程建设，极大地提升了运输能力。在整个运输体系中，隧道的重要性越来越突出，工程建设的数量不断增多，实际施工中存在许多安全隐患，对工程的正常进行和实施造成了很大影响。隧道工程施工周期比较漫长、施工进度较为紧迫、涉及内容十分广泛，导致隧道工程安全状况堪忧。尽管部分项目企业认识到安全管理的重要性，制定了相关的安全管理体系，但是存在内容不完善、管理模式老套、缺乏创新管理模式、管理流程僵化等问题，导致隧道工程安全管理效果并不理想。针对这一情况，应当积极制定安全标准化管理体系，结合施工现场的具体情况，把安全管理工作落实到各个环节，以保证施工的安全、可靠。

隧道工程施工地质条件复杂、环境恶劣，施工中存在的不可控因素较多，极易产生坍塌和变形风险，严重威胁施工安全。尤其对于炭质板岩段隧道施工，因高地应力作用，隧道开挖围岩承载力较低，稳定性较差，极易导致围岩剪切破坏，产生大规模岩体变形，给初支和二衬施工带来较大困难，严重影响施工质量，若不及时采取科学措施控制大变形发展，势必会引发隧道坍塌等重大质量事故，严重威胁施工安全，增大建设成本。为此，该文针对公路隧道项目炭质板岩段大变形控制技术进行分析，提出了科学有效的大变形控制措施，取得了显著成效。

1 工程概况

某1#隧道采用双洞单线交通设计，两幅距离为30～40 m，为分离式布置，总里程1 416 m。Ⅴ级围岩复合衬砌技术参数如下：超前支护采用长度为3 m的超前小导管35根，初期支护采用长度3.5 m的R25中空注浆系统锚杆，双层￠6钢筋网，26 cm厚喷射混凝土，120a型钢拱架，纵向间距75 cm，50 cm厚C30钢筋混凝土二衬，设计预留形变量为12 cm。隧道开挖施工时，岩层破碎部位利用台阶法施工，坚硬岩层部位采用爆破法施工。

该1#隧道掌子面岩层为板岩夹砂岩，呈灰黑色，为中厚层一薄层构造，变余泥质结构，节理发育，风化程度一般为强风化，板理发育，表面较为平滑，隧道中线与岩层分布方向呈中等角相交；岩体陡峭，质地软硬交错，稳定性较差，局部位置存在渗水现象，造成岩层软化并出现膨胀现象。炭质板岩力学性能与岩层结构面倾角密切相关[1]，当结构面受到荷载作用后，极易产生剪切破坏和整体滑移现象，且遇水后强度显著下降，降幅超过50%。

2 施工中出现变形情况

隧道掘进过程中，围岩产生大变形，且始终处于发展状态，初支变形最大处位于出口左洞ZK58+520～ZK59

+460段，其围岩等级Ⅴ级，埋深37 m。该路段左侧起拱线部位日变形量达2 cm，拱脚处累计变形量超过30 cm，导致初支混凝土破坏，拱架变形侵限。

采用增加锁脚锚杆的方式对初支实施加固，但效果不理想，围岩变形仍旧处于持续状态，钢拱架变形严重，且变形速率较快，单日形变量超过4 cm，显著增大变形控制难度，导致局部位置初支变形侵限，二衬施工困难，变形持续增加，不得已中断施工。

3 隧道炭质板岩段施工阶段常见问题

（1）隧道开挖后未喷射混凝土前，围岩结构稳定、完整，但随着暴露时间的延长，岩体逐渐出现脱落，若不及时采取支护措施，势必造成岩体垮塌[1]。

（2）隧道炭质板岩遇水易软化，承载性能显著下降，尤其对于渗水部位施工时，岩体变形更大，造成拱部岩层大规模松动，进而引发隧道坍塌[2]。

（3）初支后期变形严重，发展速度快。通过实时监测数据发现，隧道初支完成后，其变形速度及变形量持续增大。部分路段产生了大于30 cm的大变形，最大累计变形超过40 cm。产生大变形的区域初支破坏严重，其具体表现形式为初支混凝土脱落、拱架变形超限等[3]。

4 问题的原因分析

（1）结合隧道掘进过程中岩层特征分析，炭质板岩发育强烈，稳定性较差。隧道开挖时，围岩在应力作用下，岩体出现剪切破坏，从而使岩体内部原有应力分布被打乱，呈现新的分布方式，受爆破作用影响导致开挖面暴露岩体松动，稳定性降低，发展速度较慢。随着时间的逐步推移，受空气及应力共同作用，开挖部位岩体出现脱落现象，在时间损伤效应影响下，内部应力逐渐增大，导致岩体稳定性急剧下降，出现坍塌现象。

（2）炭质板岩属典型的软质岩石，强度较低，遇水易软化和裂解，强度迅速下降，变形增大，稳定性显著降低，导致开挖部分岩体产生坍塌。

（3）炭质板岩呈节理裂隙发育，抗剪强度较低。按照隧道平衡拱原理，围岩开挖后，导致节理破坏，向洞内变形加剧，岩体稳定性越差，其变形越严重。因此，洞顶岩体产生变形，导致初支荷载作用明显增大，并由拱架逐渐传递至拱脚部位，由于拱脚位置岩体强度较低，不足以约束顶部传递的荷载作用，造成初支出现疲劳破坏[4]。

5 隧道炭质板岩大变形控制施工技术要点

5.1 炭质板岩隧道开挖阶段施工

（1）隧道施工前，应先通过φ42超前小导管对其顶部区域实施超前支护，并注射水泥浆进行加固处理，以有效固结顶部破碎岩石，增大顶部径向抗力作用和岩体强度，防止岩体脱落，避免頂部松动圈增大。

（2）隧道爆破施工前，应结合地质勘察及现场具体情况制定爆破方案，合理布设爆破孔位置及填药量，降低爆破对周边岩体造成的影响，避免岩体稳定性下降。

（3）选用微台阶法进行隧道施工，并严格控制阶高与阶长，确保阶长不超过7 m，阶高不超过3 m，并在上台阶位置保留核心土。同时，应合理控制开挖深度，确保每次循环进尺为1榀拱架长度，且小于1 m。利用微台阶开挖，可最大限度地减小岩体变形，保证岩体稳定性[5]。

5.2 炭质板岩隧道初期支护阶段施工

（1）隧道施工完成后，应及时通过喷锚支护+钢拱架完成初期支护，并增设锁脚锚杆，为产生变形的岩体提供径向抗力作用，同时应严格控制施工速度，保证3 h内完成初期支护。

（2）施作顶部及两侧初期支护时，应同步完成各部位锁脚锚杆加固。锁脚锚杆可采用规格为42 mm×4 m的钢管，各拱架应保证至少施加8根长度不小于4 m的锁脚锚杆，并与各台阶拱架牢固连接。锚管按照45°倾角进行施作，并通过U形钢筋与钢拱架可靠连接。注浆作业待锚管安装完成后开始，在施工过程中要严格控制注浆压力，使其始终保持在0.3～0.5 MPa范围内，经注浆处理使围岩强度及整体性显著提高，防止遇水整体软化，同时用水泥浆填充岩体缝隙，使破碎岩体固结成一个整体，增强锁脚锚杆性能。其具体布置形式如图1所示。

（3）下台阶施工应严格控制掘进深度，单次掘进进尺不得大于2榀钢拱架，且应在喷射混凝土承载力满足要求后施工，以防止上台阶钢拱架变形脱落。同时，将上台阶混凝土喷射施工中产生的残渣清除，焊接上下钢筋网，使其形成一个整体，确保拱架稳定和可靠。

5.3 炭质板岩隧道施工技术措施

由于炭质板岩遇水易软化，稳定性较差，因此在隧道开挖时应及时完成初期支护及二次衬砌施工，同时还要严格控制以下几点：

（1）炭质板岩受时间损伤效应影响，变形始终处于发展状态，且变形量较大，开挖完成后应及时完成初期支护，对于岩体稳定性较差、变形量较大部位应二次施作初期支护。首次支护采用“锚网喷+钢拱架”形式随开挖同步完成支护，施工中严格控制混凝土喷射厚度，确保不低于20 cm，以有效控制岩体初期变形；待围岩应力大部分释放且仰拱施作完成后，通过增加锚杆数量，再次悬挂钢筋网，并喷射10 cm厚混凝土，避免岩体及初支变形超限。

（2）仰拱应紧跟初支进行施工，以确保隧道开挖断面及时封闭成环，提高初支径向抗力。针对局部变形量较大的部位，需在上台阶底部设置临时仰拱钢架，与两侧钢拱架形成整体，以有效提高初支强度、刚度和稳定性。

（3）对于丰水区域，需通过超前支护注浆，对开挖面前方岩体进行止水加固。通过水泥浆将岩层裂隙中的水分排挤出来，并对破碎岩体实施固结，形成整体，使围岩内部水流改道，保证开挖面3 m区域范围内无渗水现象，防止围岩产生坍塌，提高施工安全等级。

（4）强化炭质板岩初支拱顶沉降及水平收敛监测，并结合监测数据，全面了解岩体基本状况，根据二衬施作的时间、空间等指标，合理确定炭质板岩施工段的预留变形量。通过现场实际检测，建议该区段变形量以20～50 cm为宜，实际掘进过程中结合实测值实时调整开挖尺寸，防止后期变形对二衬造成影响[6]。

6 炭质板岩段隧道变形加固措施

（1）经现场实际监测发现，炭质板岩段隧道洞顶沉降及水平收敛最为严重，且发展速度较快，必须尽快施作临时仰拱，与初期支护形成整体封闭成环，提高初期支护强度，增强抗变形能力。其具体操作流程如下：预先做好拱脚位置的降排水工作，并采用人工开挖方式挖出拱脚及仰拱沟槽，使设置的临时仰拱与初支形成整体[7]。由于该区域岩体稳定性较差，施工中严禁使用挖机进行大面积仰拱开挖，避免拱脚出现悬空现象，引发隧道垮塌。此外，待临时仰拱与初支封闭成环后，应沿隧道纵向在临时仰拱上部增设纵向连接件，使其形成稳定的受力体系，增强承载能力，其中纵向连接件可使用规格I16的工字钢，在两侧对称设置[8]。

（2）在隧道变形较大的部位，当初支产生裂缝且水平位移超限时，应设置水平横向支撑实施加固。实际施工时，应将其设置于边墙部位，并在洞体两侧对称设置2根Ⅰ16工字钢，然后将钢管两端分别固定在工字钢上，钢管布设时应严格控制钢管间距，最大不得超过2 m。

（3）炭质板岩破碎严重，强度较低，岩体存在较大变形。在施作初支时，应按照1.5 m×1.5 m的间距合理布设注浆锚管，对其后方围岩实施加固。锚管采用管径φ42 mm，壁厚4 mm，长度4.5 m的无缝钢管，并采用φ6钢筋在其底部设置加强箍，避免施工过程中底部变形影响后续注浆，实际安装时应将锚管端部支撑密闭锥形，便于导管安装。注浆前，应采用喷射混凝土方式对初支表面裂缝实施封闭处理，避免注浆浆液由裂缝流出。浆液为水灰比1∶1的水泥浆，实际施工过程中，应结合地质状况、现场试验及浆液固结时间科学确定浆液配合比。同时，注浆时应严格控制注浆压力，不得超过0.5 MPa，防止对岩体造成破坏。

（4）通过以上所有加固方案处理后，若隧道变形量及发展速度依旧处于增加状态，在确保初支不侵限的情况下，可在初支表面设置一层型钢拱架，再进行一次加强支护，提高初支强度。钢拱架采用规格为Ⅰ20工字钢，以间距0.5 m一道进行设置，钢拱架安装前，必须将原始初支表面清理到位，确保与新增拱架紧密结合。同时，在拱脚部位设置锁脚锚杆，并设置φ8钢筋网片，喷射混凝土。上述所有加固方式可结合现场具体情况及加固效果进行合理选用，直至加固效果满足施工要求[9]。

7 施工效果

该公路隧道工程1#隧道炭质板岩段施工，根据以上支护方式进行加固后，隧道开挖过程中无安全事故发生，有效提升了施工效率，隧道洞体变形控制良好。大变形区域通过施作临时支撑、临时仰拱封闭成环、三次初期支护、增设锁脚锚杆及初支壁后注浆等一系列加固措施，有效控制了变形发展，保证了施工安全，效果显著。

8 结语

综上所述，该文结合某公路隧道工程1#隧道施工实例，对公路隧道项目炭质板岩段大变形控制展开研究，分析了隧道炭质板岩段施工中常见问题及具体成因，总结了大变形控制施工技术要点，并提出了炭质板岩段隧道变形加固的具体措施，即采用短进尺、强支护、早封闭、及时施作二衬、增加预留变形量、多次初支、增设锁脚锚杆及初支壁后注浆等措施[10]。通过大变形区域的实际应用，实现了对隧道施工炭质板岩段大变形的有效控制，保证了隧道工程建设的顺利完成，取得了良好的经济和社会效益。

参考文献

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[4]郭新新， 朱安龙， 王万平， 等. 高应力炭质板岩隧道大变形特征及其机理分析[J]. 隧道与地下工程灾害防治， 2021（4）： 29-39.

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[8]于家武， 郭新新. 木寨岭公路隧道复合型大变形控制技术与实践[J]. 隧道建设（中英文）， 2021（9）： 1565-1576.

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