軟弱千枚巖隧道施工病害及防治措施分析

兀 森，李寶地，李 軍，李寶葒

(陜西路橋集團(tuán)第一工程有限公司 西安市 710000)

0 引言

千枚巖是一種具有千枚狀構(gòu)造區(qū)域淺變質(zhì)巖[1]。工程中遇到的千枚巖多為炭質(zhì)千枚巖，內(nèi)含絹云母、石英等雜質(zhì)，自然狀態(tài)下巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，質(zhì)軟，風(fēng)化迅速、易剝落，承載力低，具有明顯的遇水軟化、碾壓易泥化等特性[2-6]，屬于軟弱千枚巖。

隨著西部地區(qū)基礎(chǔ)交通設(shè)施的不斷完善，穿越軟弱千枚巖地層的隧道越來越多，如烏鞘嶺隧道[2]、木寨嶺隧道[3]、鷓鴣山隧道[4]等。在這些工程中，由于軟弱千枚巖圍巖自承載能力弱，自穩(wěn)時(shí)間短，開挖后應(yīng)力調(diào)整階段圍巖變形速率快、變形量大，持續(xù)時(shí)間長，易發(fā)生大變形、侵限、坍塌等工程事故[7-8]?？偨Y(jié)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)可知，大部分軟巖公路隧道是通過及時(shí)支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)等施工方式來阻止圍巖發(fā)生大變形[7,9]。

通過對(duì)大量軟弱千枚巖隧道施工病害和施工技術(shù)進(jìn)行整理分析，總結(jié)了該類隧道變形特征和常見施工病害，并從施工各個(gè)環(huán)節(jié)提出了防治措施。

1 軟弱千枚巖隧道變形特征

軟弱千枚巖較破碎，且具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化等特性。當(dāng)在軟弱千枚巖地層中修建隧道時(shí)，圍巖具有如下變形特征：

(1)開挖后瞬時(shí)變形量大。分析大量現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見，在隧道爆破后，初期支護(hù)施做前，圍巖產(chǎn)生了較大瞬時(shí)變形，最大變形量可達(dá)數(shù)十厘米。這是由于隧道開挖前，圍巖賦存較高的初始地應(yīng)力，在爆破開挖時(shí)，地應(yīng)力瞬間釋放，且由于巖體自身強(qiáng)度低、較破碎，圍巖自承能力差，故發(fā)生了較大的瞬時(shí)塑性變形。

(2)累計(jì)變形量大、變形速率較快。在軟弱千枚巖隧道開挖之后，圍巖變形速率較快，尤其是隧道剛開挖前幾日，變形速率可達(dá)每天幾厘米，遠(yuǎn)大于《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(Q/CR9218-2015)中拱頂下沉、水平收斂速率5mm/d，且累計(jì)變形量較大，甚至超過100cm。主要原因是隧道開挖后，初期支護(hù)施作較慢并且不能及時(shí)閉合，且現(xiàn)有規(guī)范對(duì)類似圍巖支護(hù)沒有針對(duì)性支護(hù)方案，導(dǎo)致根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)施工時(shí)支護(hù)抗力偏小，不能有效約束圍巖變形。

(3)變形持續(xù)時(shí)間長。通過長期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，軟弱千枚巖隧道開挖后，圍巖持續(xù)發(fā)生變形，即使在隧道初期支護(hù)完成后，變形仍在繼續(xù)。主要是因?yàn)槌跗谥ёo(hù)的支護(hù)抗力不足，而軟弱千枚巖在長期荷載作用下會(huì)發(fā)生蠕變。若有效加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，變形將逐步停止；否則，變形將持續(xù)較長時(shí)間，最終影響隧道圍巖穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)安全。

(4)深部圍巖破壞范圍大。通過現(xiàn)場監(jiān)測(cè)可知，隨著隧道施工的進(jìn)行，圍巖壓力不斷增大，圍巖的塑性區(qū)也隨之不斷擴(kuò)大，進(jìn)而松動(dòng)圈半徑也不斷增大。這是由于軟弱千枚巖強(qiáng)度低，較破碎，呈薄層狀分布，且常含石英、云母等雜質(zhì)，受到外界擾動(dòng)易發(fā)生破壞。

(5)變形分布不均勻、變形量難預(yù)測(cè)。根據(jù)對(duì)軟弱千枚巖隧道現(xiàn)場變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，同一斷面不同部位的變形量差異較大，變形量沿橫斷面分布很不均勻。主要是由于千枚巖自身強(qiáng)度低，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響明顯，使得巖體節(jié)理發(fā)育程度、巖層走向以及巖層厚度無明顯規(guī)律可循，即使同一里程斷面分布也不均勻，且層厚較薄處的變形量較大；厚度相同時(shí)，節(jié)理較發(fā)育的位置變形量大。

2 軟弱千枚巖隧道常見危害

軟弱千枚巖的礦物成分以絹云母、綠泥石為主，且碳質(zhì)物質(zhì)含量較高，具有較薄的絲絹狀片理。在軟弱千枚巖地層中開挖隧道后，巖體在自然狀態(tài)下迅速風(fēng)化剝落，承載力進(jìn)一步低，使碾壓易泥化，加之賦存較大地應(yīng)力，施工中若措施不當(dāng)或支護(hù)不及時(shí)，易引發(fā)各種病害。

(1)掌子面滑塌

軟弱千枚巖的巖體較破碎，受到爆破及現(xiàn)場施工的擾動(dòng)時(shí)，圍巖變得更加松散。在隧道開挖后，軟弱千枚巖將在空氣中發(fā)生氧化，若不能及時(shí)噴射混凝土封閉掌子面，可能會(huì)造成掌子面滑塌，如圖1。掌子面滑塌將嚴(yán)重威脅現(xiàn)場施工人員的安全，影響隧道的施工進(jìn)度。當(dāng)掌子面發(fā)生滑塌時(shí)，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土封閉圍巖，阻止繼續(xù)氧化，防止掌子面發(fā)生二次滑塌。

圖1 掌子面滑塌

(2)初支開裂、掉塊

軟弱千枚巖隧道開挖后，在長期荷載的作用下，圍巖發(fā)生蠕變。若初支的支護(hù)抗力不足，圍巖將產(chǎn)生較大的變形，可能造成初期支護(hù)的混凝土開裂，甚至可能發(fā)生拱頂?shù)魤K等施工危害，威脅現(xiàn)場施工人員的安全，影響施工的進(jìn)度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)初支混凝土開裂后，應(yīng)及時(shí)調(diào)查開裂原因，同時(shí)補(bǔ)噴混凝土，增強(qiáng)初支的支護(hù)抗力。必要時(shí)可加密錨桿或注漿改善初支的受力情況，阻止混凝土進(jìn)一步開裂擴(kuò)張。

圖2 初支開裂

(3)隧道侵限

在軟弱千枚巖地層中開挖隧道時(shí)，在地應(yīng)力與圍巖的蠕變作用下，圍巖將發(fā)生持續(xù)變形。若初期支護(hù)的支護(hù)抗力不足，隧道將發(fā)生大變形，影響施工安全。如果隧道的開挖預(yù)留量不足或開挖后的變形較大，甚至可能會(huì)造成隧道侵限，影響二襯的厚度。當(dāng)隧道侵限時(shí)，需在侵限部位回填土堆，拆除初期支護(hù)，并將圍巖開挖至設(shè)計(jì)開挖輪廓線，達(dá)到要求后，重新施作支護(hù)措施。

圖3 隧道侵限

3 軟弱千枚巖隧道大變形的防治措施

軟巖千枚巖隧道變形量大、變形速度快，若不采取及時(shí)的強(qiáng)支護(hù)措施，將使隧道發(fā)生施工病害。因此，為了防止軟弱千枚巖隧道開挖后發(fā)生較大的變形，將圍巖變形控制在合理范圍內(nèi)，達(dá)到提高圍巖承載能力、確保隧道結(jié)構(gòu)安全的目的，必須進(jìn)行相關(guān)的處理措施，具體如下。

3.1 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在隧道進(jìn)行爆破施工前，為了了解掌子面前方的圍巖級(jí)別與圍巖穩(wěn)定性，為隧道設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)，需要對(duì)隧道進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中常見的方法是地質(zhì)雷達(dá)法、TSP探測(cè)法和超前水平鉆孔法。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可快速、便捷地推斷掌子面前方30～100m范圍內(nèi)的巖性及地質(zhì)構(gòu)造，分析不良地質(zhì)體的位置和結(jié)構(gòu)特征，提前預(yù)警，為隧道安全施工提供可靠依據(jù)。

3.2 施做超前支護(hù)

在軟弱千枚巖地層中修建隧道時(shí)，施工擾動(dòng)會(huì)使圍巖發(fā)生大變形，嚴(yán)重時(shí)將引起掌子面失穩(wěn)、隧道塌方等施工病害，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了防止施工擾動(dòng)造成的施工病害，可采用隧道超前支護(hù)來控制圍巖的變形，從而達(dá)到保證隧道施工安全的目的。隧道超前支護(hù)的方式主要有管棚、小導(dǎo)管、水平旋噴樁等。

在現(xiàn)場施工中，常用的超前支護(hù)方式為超前小導(dǎo)管注漿。超前小導(dǎo)管注漿是在掌子面開挖前，在掌子面的斜上方注漿，使較破碎、松散的巖塊成為一個(gè)整體，加固圍巖，改善圍巖情況，保證掌子面穩(wěn)定。通過超前小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)能夠在掌子面前方形成受力支護(hù)結(jié)構(gòu)，提升隧道施工的安全性，優(yōu)化隧道質(zhì)量。超前小導(dǎo)管能夠有效地處理圍巖松散地段的隧道開挖問題，保證開挖過程中圍巖的穩(wěn)定，防止事故發(fā)生。

3.3 優(yōu)化開挖方式

軟弱千枚巖的巖體較破碎，易受到爆破的擾動(dòng)。因此，在隧道的實(shí)際施工中，應(yīng)采用新奧法施工原理，結(jié)合“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測(cè)、早支護(hù)”的原則，采用分部開挖法施工。軟弱千枚巖隧道中常見的施工方法有CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以及三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法施工是通過及時(shí)布設(shè)臨時(shí)仰拱，使開挖斷面的所有工作面封閉成環(huán)，控制變形，進(jìn)而實(shí)施分部開挖。三臺(tái)階預(yù)留核心土法通過臨時(shí)仰拱形成閉合結(jié)構(gòu)，控制變形。實(shí)際施工中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的施工情況與圍巖性質(zhì)進(jìn)行施工方法的選擇。

3.4 增強(qiáng)初期支護(hù)

在軟弱千枚巖地層中開挖隧道，如果初期支護(hù)施作不及時(shí)，圍巖變形可能超過其容許范圍，嚴(yán)重時(shí)將造成掌子面失穩(wěn)、隧道塌方等施工病害，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為有效支護(hù)圍巖，初期支護(hù)可從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：

(1)噴射混凝土封閉圍巖

軟弱千枚巖地層中開挖隧道時(shí)，為了防止千枚巖在空氣中發(fā)生氧化而發(fā)生威脅施工安全的施工病害，在隧道開挖后應(yīng)及時(shí)噴射混凝土，封閉圍巖外露面，并緊跟掌子面。初噴與爆破時(shí)間間隔不得大于8h。

(2)加厚混凝土噴層

軟弱千枚巖隧道的變形較大，初支的混凝土噴層常發(fā)生開裂。為了防止混凝土開裂，可采用分層噴射施工等方法，加厚混凝土噴層，保證支護(hù)的柔性和噴層的完整性。對(duì)于軟弱千枚巖隧道，噴射混凝土一般采用濕噴技術(shù)，不得采用干噴和潮噴，以確保噴射混凝土的質(zhì)量。

(3)加長錨桿

軟弱千枚巖隧道在開挖后，圍巖的松動(dòng)圈較大，錨桿無法穿越破碎區(qū)，達(dá)不到加固圍巖的作用。在軟弱千枚巖隧道的實(shí)際施工中，可適當(dāng)加長錨桿，加固塑性區(qū)圍巖，控制變形。

(4)立雙層拱架

軟弱千枚巖隧道在噴射混凝土封閉圍巖后，應(yīng)立即安裝鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿等，防止初期支護(hù)的變形過大造成隧道侵限。及時(shí)布設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行變形監(jiān)控，若隧道日均變形量較大，可通過架設(shè)雙層拱架來提高初期支護(hù)的支護(hù)抗力，減少變形量，預(yù)防侵限。

(5)及時(shí)閉合初期支護(hù)

軟弱千枚巖隧道在初期支護(hù)施作完成時(shí)，若仰拱跟進(jìn)較慢，應(yīng)及時(shí)架設(shè)臨時(shí)仰拱，使初期支護(hù)及時(shí)閉合，提高初支的支護(hù)抗力，改善隧道的受力情況，預(yù)防隧道發(fā)生侵限等施工病害。

3.5 及時(shí)施做二次襯砌

為了減少大變形對(duì)軟弱千枚巖隧道的影響，應(yīng)該在仰拱施作完成后及時(shí)布設(shè)二次襯砌，減少初支承受的圍巖壓力，并結(jié)合現(xiàn)場的觀察與監(jiān)控量測(cè)情況，適當(dāng)提高二次襯砌的混凝土標(biāo)號(hào)或采用鋼筋混凝土襯砌。

二次襯砌混凝土必須采用襯砌臺(tái)車泵送混凝土灌注，模筑襯砌外輪廓線以外與初期支護(hù)間一般用與模筑襯砌強(qiáng)度同級(jí)的混凝士回填。模筑襯砌拱部應(yīng)預(yù)留注漿孔，待襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，實(shí)施拱頂充填注漿，保證拱頂混凝土填充密實(shí)。

4 結(jié)論

在已有研究理論的基礎(chǔ)上，總結(jié)軟弱千枚巖隧道的施工病害，并結(jié)合現(xiàn)場施工情況，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、現(xiàn)場觀察以及監(jiān)控量測(cè)等方式，得出如下結(jié)論：

(1)軟弱千枚巖隧道施工中圍巖變形具有瞬時(shí)變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長、變形分布不均勻等特點(diǎn)，易發(fā)生掌子面滑塌、初支開裂、拱架變形、侵限等施工病害。

(2)針對(duì)軟弱千枚巖變形特點(diǎn)，從施工前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道超前支護(hù)分部開挖方式、初期支護(hù)參數(shù)和施做時(shí)機(jī)、二襯的加固等施工各個(gè)環(huán)節(jié)提出改進(jìn)措施。