万海洋 王学海 罗旭平
中交一公局第五工程有限公司 河北省 三河市 065201
摘要：我国地形具有构件复杂、地质多变的特点，这就导致在隧道工程建设环节隧道围岩建设工艺较复杂。隧道围岩性质的复杂增加了板岩隧道变形风险概率，特别是在碳质板岩地层隧道建设过程中。本文针对某隧道碳质板岩隧道初期支护变形情况，结合碳质板岩地层隧道施工要点，对碳质板岩地层隧道变形期间地质特性及变形机理进行了简单的分析，并提出了几点变形控制措施。
关键词：炭质板岩；地层隧道施工；大变形防治
前言：
某地层隧道建设区域地质为碳质板岩。在实际设计中主要采取分离式管理措施，即在该隧道左线进出口里程分别为 ZK234+610、ZK237+400，总长度2790.0m；而该隧道右线进出口里程分别为YK234+570、YK237+418,总长度为2848.0m。在此地层隧道支护工程中主要采用C25喷射砼，二次衬砌、仰拱为C30砼。左右施工线路长度分别为1990m、2030m，整体隧道内围岩等级为V级。本文对该隧道施工环节施工要点及变形缝防控措施进行了简单的分析，具体如下：
一、碳质板岩地层隧道施工变形风险
1、开挖后成形效率不佳
在碳质板岩地层隧道爆破环节，初期开挖工作完成后，整体隧道成型效果较佳。但是在长时间的运行中，隧道围岩会受到外界环境的不利影响，并逐渐出现开挖围岩掉块、崩塌。特别是在围岩裂缝水含量较丰富的区域，会出现较大面积的隧道解体情况。
2、初期支护后变形风险较大
在碳质板岩地层隧道初期支护工作完成后，其前期及累计变形量较大，其具有较短的收敛幅度。在实际勘测过程中，碳质板岩地层隧道初期支护最大变形速率可达到21.69mm/d，而最大累计变形量可在436.54Yim以上。当碳质板岩地层隧道变形量达到一个固定数值之后，相应碳质板岩地层隧道表层就会出现裂缝情况，且随着变形程度的加剧，在不采取加固措施的情况下就会出现严重的拱架变形、挠曲情况，甚至会出现整体初期支护结构坍塌。
3、围岩遇水强度下降幅度大
由于自身性质的影响，碳质板岩在与水接触之后，会出现岩体膨胀崩塌解体。随之出现大幅度的强度下滑。若在实际施工过程中，在水分子含量较大的掌子面开挖工序，开挖后隧道围岩会出现较长时间的掉落情况，而在长时间的掉落过程中，隧道顶部围岩会形成一个较大面积的松动土层，最终出现大面积地层崩塌情况。
二、碳质板岩地层隧道变形控制措施
1、工程概况
某隧道位于地槽褶皱系的中支秦岭海西-印支褶皱带。其整体构造线主要为东西-近东西南凸，为弧形展布。在该地层隧道工程施工过程中，区域褶皱带地块活动较剧烈，其呈断层发育趋势。再加上该区域内地层构造较复杂，地层隧道建设区域下部具有多种复杂的地质构造，主要为二迭系粉砂岩、压碎岩、炭质板岩强风化及中风化风化带。在该地层隧道施工过程中，通过进口掘进分析，发现该区域地层围岩为强风化性质的炭质板岩，同时局部分布有断层压碎岩[1]。而由于区域节理岩体呈破碎状发育，其整体地层隧道建设区域岩体主要为局部粉砂状+碎石角砾状，而风化程度严重的地质构造，也导致施工环节部分区域出现地下水渗漏情况。而地下水的长时间侵蚀下，该区域地层隧道拱部出现变形情况，且边墙溜坍频率较大，同时也出现了较为严重的初期支护局部段落变形情况。
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2、碳质板岩隧道开挖前期准备
在该碳质板岩隧道开挖前期，除了必要的支护设施工艺布设之外，还需要对整体碳质板岩地层隧道开挖环节地层变形风险因素进行适当分析。首先依据斜井开挖进口掘进地层分析，可确定该碳质板岩地层隧道施工区域内为薄层状的结构，薄层厚度在6-28cm之间。且整体围岩破碎程度较大，在开挖爆破措施实施之后整体隧道围岩区域应力出现了重新排布情况。而由于外部裸露围岩大面积松动土层的存在，整体岩体层间具有较小的摩擦阻力，这种情况下重力、地表应力就成为表层岩体下落的主要作用力。而在表层岩体长时间掉落过程中，其自身应力也出现了重新排布情况，最终形成了更大面积的土层松动情况。其次由于碳质板岩具有软质岩体的性质，其与水接触后会出现大幅度的强度下降，最终导致整体岩层开挖不稳定风险较大[2]。最后通过对隧道褶皱构造分析，可得出该隧道围岩布设期间，一定深度处地应力大小。而在获得该施工区域内地层应力方向及其变化趋势之后，可发现在该区域地层隧道建设过程中，较高的地应力促使隧道围岩塑性流动、膨胀变形概率较大。
3、碳质板岩地层隧道开挖措施
依据以上碳质板岩地层隧道开挖阶段变形风险分析，在实际碳质板岩地层隧道开挖阶段，可采取超前支护的模式。即通过超前小导管预支付措施，为拱部变形风险较大的位置提供一个反向应力，从而保证在开挖爆破后，隧道围岩变形情况的有效控制，也可以避免隧道顶部围岩不稳定地层松动区域的持续拓展。在具体的隧道地层开挖环节，可在控制爆破方法的基础上，结合台阶法，逐步提升隧道围岩自身负荷承载力，降低开挖爆破对围岩表层地质稳定性的不利影响。在实际开挖前期，依据本工程实际地质情况，可确定具体的布眼位置及爆破药物剂量。同时在台阶设置环节应控制台阶长度在5.1-6.9m之间，其中上部台阶高度应在3.1-3.5m之间，而台阶循环进尺长度为1-1.9m之间，从而避免台阶过长对整体施工效果的影响。需要注意的是，由于台阶开挖具有导线超前的效果，因此在实际台阶开挖方法应用过程中，应综合考虑围岩应力变化及围岩变形历史趋势，保证台阶开挖过程安全稳定进行。
4、碳质板岩地层隧道支护施工要点
基于高地表应力的碳质板岩变形量大、变形时期长的特点，在初期支护过程中可选择两次加固施工。首先在工程开挖完毕后采取C25喷射砼支护的方式，整体喷射层厚度为18cm；随后在施工应力释放一定时期后，可选择补打系统锚杆的设置，结合钢筋网的设置，进行追加喷施措施，整体喷射层厚度为9cm。首先在隧道开挖工程后应第一时间进行初期支护作业，合理的初期支护布设可以控制不稳定围岩区域继续恶化。而通过初期支护作用力的提供，可以促使整体隧道围岩应力状态转换为三维模式，最终促使整体承载应力得到有效的提升。本文工程初期支护方案为C25喷射砼支护，在初期支护作业完毕后需要进行8个小时的稳定维护时间。同时在初期支护环节，可根据具体工程情况适当降低系统锚杆的设置。如在台阶拱架锁脚锚杆设置过程中，需控制区域拱架锚杆数量在6个以上，且锚杆程度在3.0m左右，在台阶拱桥中点位置进行合理设置[3]。此外，在下部台阶开挖时期，应加大对上部台阶、下部台阶拱架的固定强度。即在上台阶混凝土回弹污渍清除之后，采用钢筋网片将上部台阶、下部台阶进行有效连接。
总结：
综上所述，碳质板岩地层隧道，具有地层遇水强度下降幅度大、地层隧道变形程度大的特点。因此在碳质板岩地层隧道建设过程中，相应施工人员应结合区域地质勘测情况，对整体区域地质变形因素进行统一分析。在确定隧洞开挖环节变形产生机制后，可在具体施工环节从隧洞开挖、支护设置等方面进行变形控制措施实施，从而保证整体地层隧道施工环节安全、稳定进行。
参考文献
[1]傅璇. 炭质板岩地层隧道施工要点及变形防治措施探讨[J]. 中华建设, 2017(12):152-153.
[2]孙振川, 陈建立. 引松供水工程岩溶及软弱破碎地层敞开式TBM施工技术[J]. 隧道建设, 2017, 37(2):215-222.
[3]苏道振, 骆建军. 大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2016(a02):4029-4039.
论文作者:万海洋,王学海,罗旭平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/26
标签：隧道论文; 地层论文; 板岩论文; 围岩论文; 应力论文; 台阶论文; 初期论文; 《防护工程》2018年第15期论文;