碳质片岩浅埋偏压隧道出洞施工技术研究

2022-07-10全民段芳芳

四川建筑 2022年3期

全民段芳芳

[摘要]：为了确保碳质片岩隧道浅埋偏压条件下安全出洞，文章以谷竹高速公路关垭子隧道为例，通过试验研究、工程应用，介绍在施工条件困难、软岩偏压的情况下，通过CRD及小导洞等工艺，反向施做超前大管棚，最终实现洞内安全出洞。

[关键词]：公路隧道; 出洞; 试验研究; 碳质片岩; 施工

U455.49B

随着公路网及铁路网的加快建设，山岭隧道在工程建设中占比越来越高、工程选线所面对的地质水文条件越来越复杂，尤其隧道施工中频繁出现软岩和高地应力，以及富水及偏压的不良施工条件，给隧道工程的设计和施工增加了安全隐患。而隧道贯通做为隧道施工中最关键的一个环节，一般选择在隧道中段围岩较好段落，但对于只能单向掘进特殊施工条件下隧道贯通案例较少，尤其针对软弱围岩、偏压隧道通过洞内独头掘进方式出洞研究更加罕见。

针对隧道洞口存在偏压的出洞施工技术，国内工程实例较少，部分学者在隧道出洞技术方面开展了一些研究。如罗德[1]对成贵铁路廖家坡隧道浅埋偏压双线铁路隧道出洞开展专项施工设计，采用洞内大管棚方式对围岩进行预加固。秦柳江[2]对沪蓉西高速公路夹活岩隧道，采用隧道外侧修筑挡墙缓解偏压、内部小导坑出洞创造工作面方式实现安全出洞。但目前的研究主要集中在膨胀性、高应力以及节理化软岩方面，对炭质片岩隧道变形机制和控制技术研究较少[3]，目前仅限于杨河隧道、新蜀河隧道和旬阳隧道，以及花石沟隧道、新茨沟隧道 [4-6]，数量有限。谷城至竹溪高速公路关垭子隧道围岩以炭质片岩为主。本文结合谷竹高速公路关垭子隧道炭质片岩隧道围岩特性及浅埋、偏压特点，为隧道独头掘进出洞施工提供施工参考。

1 项目概述

1.1 工程概况

关垭子隧道位于湖北省十堰市竹溪县蒋家堰镇，左全长1 626 m。隧道出口端位于陕西省安康市平利县境内山区，无施工场地及水、电、路等施工条件，因此变更出口超前管棚设计，出洞方式为洞内独头掘进。

1.2 出口段地形情况

本隧道位于海拔高程在618～808 m构造剥蚀侵蚀低山地区，地表地形起伏较大，坡面植被较发育。出口位置为单斜地层、强风化片岩，地层产状为65°∠25°，发育一组节理L1：45°∠39°，坡向与岩层倾向组合关系为横向坡，隧道埋深较原设计存在较大出入，存在横向偏压，成洞条件较差，边坡稳定性差。

1.2.1 地貌偏压

在隧道开挖前，主应力（σ1 ）与山坡面方向平行，它在水平方向的分力产生偏压;而隧道开挖后，岩体中应力重分布，主应力偏转至σ1′方向，因此隧道断面右上角应力最大，隧道轮廓线上各点应力大小分布呈现倒置倾斜的抛物线型曲线（图1）。

1.2.2 结构偏压

隧道开挖以后出现自由变形空间，失去支撑的围岩发生向洞内的变形，若超出围岩本身所能承受的变形能力，围岩便发生破坏，表现为从母岩中脱落（坍塌、滑动或岩爆）。隧道走向与岩层产状的组合关系会形成不同的力学关系，隧道在薄层状片岩地区特别容易出现结构偏压，当隧道进行开挖时，释放残余地应力，这时隧道岩体会沿着层理面滑移，并且常常会出现垂直片理面发生片崩现象。层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素影响，其破坏形式主要有沿层面张裂、这段塌落、弯曲内鼓[8]。

本隧道属倾斜层状围岩，因此变形方向表现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落，另一侧边墙岩块滑移，形成不对称的塌落拱，出现偏压现象[8]。

1.3 地质情况

关垭子隧道在施工过程中揭露的围岩为含绢云母的炭质片岩，风化及岩石破碎程度变换频繁，无明显变化规律。围岩中含大量绢云母，薄层状岩石层间结合较差，触感滑腻且夹杂大量弱胶结矿物，遇水软化膨胀，且暴露于空气中强度衰减较快，节理发育，开挖后基本无自稳能力，具有软岩明显的持续变形特征。

隧道在施工过程中多次出现拱部掉块、初期支护变形侵限和钢架变形情况，引起最大变形达到0.7 m，并伴随局部塌方。甚至，成洞区段部分在软岩蠕变、膨胀作用下发生二次衬砌开裂的情况。

2 岩石力学特性测试试验

2.1 概述

为顺利出洞做充分准备，通过现场取样后在室内进行性能测试，以获得岩石的力学特性指标，分析研究该隧道大变形发生的原因及机理

2.2 试验技术要求

2.2.1 试样制备

使用切割机将岩样切割成不同高径比的正方体试件，切割成型后，再对表面进行手工精磨处理，确保其平行度和平整度达到试验要求。

2.2.2 主要试验仪器

（1）MTS815程控伺服岩石刚性试验系统——单轴压缩强度及变形试验、三轴压缩强度试验、抗拉试验以及声发射试验。

（2）携带式岩土力学多功能试验仪——抗剪强度参数。

（3）SAEU2S声发射测试系统——监测岩石在受压过程中产生的声发射信号。

（4）岩石直剪流变试验系统——单轴压缩流变试验。

2.3 试验结果

试验测试工作严格遵照操作规程及试验流程，并对试验測试数据按规范进行处理，试验结果简述如下。

2.3.1 岩石物理水理性质

岩石物理水理性质如表1、表2所示。

2.3.2 岩石矿物成分分析

岩石矿物成分1#试件：伊利石33%、绿泥石49%、石英15%、钾长石、斜长石3%;2#试件：伊利石23%、绿泥石40%、石英35%、斜长石1%、方解石1%。

2.3.3 岩石强度指标

（1）岩石的单轴抗压强度差异较大，天然状态的抗压强度第1组的变化范围为8.44～11.77 MPa，第2组为2.78～11.48 MPa。饱水状态的抗压强度第1组试件为5.74 MPa，第2组试件的变化范围为：7.89～23.61 MPa。

（2）在直剪强度试验过程中出现个别异常试验数据，在统计计算时舍去异常数据。

（3）岩石抗剪强度（三轴应力状态下）的内聚力为0.07 MPa，内摩擦角是15°，在直剪状态下的的内聚力为0.05 MPa，内摩擦角是13°。主要是岩石的受力状态不同所致，所以在选取岩石的抗剪强度参数内聚力和内摩擦角时，建议内聚力和内摩擦角取值分别在0.05～0.07 MPa和13°～15°。

2.3.4 岩石地应力

地应力的测试分2组进行，每组中X、Y和XY 3个方向各3块试件，破坏应力在13.61 MPa～21.24 MPa之间，2组试件主应力σ1分别为5.29 MPa、4.52 MPa，主应力σ2分别为3.08 MPa、4.15 MPa。

2.3.5 岩石长期抗压强度

单轴压缩流变试验选取3组试件，测试最大轴向应力σ分别为9.82 MPa、8.93 MPa和23.22 MPa，长期抗压强度分别为8.05 MPa、8.04 MPa、19.64 MPa，综合考虑岩石结构差异、破坏形态等因素，建议值为8.04 MPa。

2.3.6 破坏试件情况

进行了试验测试后的各试样的破坏形态如图2所示。

3.3.7 围岩岩性判定及分类

（1）参照GB 50218-94《工程岩体分级标准》及JTG D70-2004《公路隧道设计规范》对岩石坚硬程度的划分，可以判断出关垭子隧道围岩应属软岩类。

（2）GB 50218-94《工程岩体分级标准》对岩体初始应力场进行评估，关垭子隧道围岩最大主应力σmax为5.29 MPa，计算得Rcσmax=1.085，判定该隧道出口段属于极高地应力范围。

（3）由上节岩相鉴定和矿物成分分析结果知，关垭子隧道围岩主要成分为经泥岩变质而来的绢云母、伊利石及石英，其含量超过90%，其单轴抗压强度为10.1～10.45 MPa，没超过25 MPa，根据软岩分类，该隧道围岩属于膨胀性软岩。

综合以上试验测试结果，关垭子隧道围岩属于低强度软岩类，施工中极易发生大变形、塌方风险。

3 施工工艺及措施

3.1 施工总体部署

鉴于关垭子隧道出口端位于陕西境内设计洞口管棚不具备施做条件，只能采用洞内出洞的实际情况，同时结合岩石力学特性试验结果及实际地形地貌，并考虑地下水等不利因素影响为确保安全出洞、顺利贯通，确定超前支护采用双层小导管，采用CRD工法，上台阶导洞（左侧）首先贯通，然后施做出口洞口截水沟、边仰坡支护，最后施做洞口管棚，管棚施做完成后，在管棚掩护下实现贯通。

采用42 mm双层小导管进行注浆固结岩体，导管环向间距0.4 m、长度4 m。

3.2 洞身开挖

3.2.1 测量放线

出洞前洞完成洞内导线控制点复测工作。

首先由测量人员对开挖輪廓线进行放样，并检查上循环超欠情况，确保隧道中线及高程符合设计要求。

3.2.2 洞身开挖

采用CRD法开挖，预留变形量15～20 cm并根据监控量测及实际情况进行调整。上台阶左、右两侧均及时封闭成环，下台阶施工可根据拱顶下沉及水平收敛情况增设临时仰拱，确保安全出洞。

3.2.2.1 施工顺序

施工顺序见图3、图4。

施工顺序：①上台阶左侧开挖;上台阶左侧初期支护、中隔壁;②中台阶左侧开挖;中台阶左侧初期支护、中隔壁及临时仰拱;③上台阶右侧开挖;上台阶右侧初期支护;④中台阶右侧开挖;中台阶右侧初期支护、中隔壁及临时仰拱;⑤下台阶左侧开挖;下台阶左侧初期支护、中隔壁;⑥下台阶右侧开挖;下台阶右侧初期支护;⑦仰拱开挖、初支、衬砌及填充浇筑。

3.2.2.2 施工要求

（1）上、中台阶开挖每循环不超过1榀拱架距离，下台阶开挖每循环不超过2榀拱架距离。

（2）上高度2.99 m，中台阶高度2.73 m，下台阶高度3.11 m，台阶长度为3 m左右，左右两侧纵向距离宜小于1倍隧道洞径。开挖轮廓平顺，避免超欠过大。缩短开挖形成全断面时间，及时封闭成环。

（3）根据监控量测信息，初期支护稳定后，并根据仰拱施工长度，每次拆除不超过3 m中隔壁临时支护，拆除后立即施工仰拱初支，封闭成环，并应尽快施作二次衬砌。

（4）中台阶位置设置临时仰拱进行封闭，自上而下开挖，左右交叉进行。

（5）正洞及中隔墙处均打设超前小导管。

（6）施工至ZK229+553时施工1、2步至隧道贯通，同时要求二衬施工至ZK229+543。

（7）根据出口地形，可考虑将出口明洞向暗洞方向加长5 m，导向墙相应向小里程移动，确保大管棚施工长度（30 m）伸入二衬范围。

3.3 洞口边仰坡施工

左洞导洞出洞、挖掘机可以行至出口洞口后即开始边仰坡施工。

3.4 双层超前小导管

3.4.1 超前小导管设计

42×3.5 mm热轧无缝钢管，L=4.0 m，外插角10°～15°，环向间距40 cm，拱部120°范围打设，每环34根，每2.4 m施工一环。

3.4.2 施工工艺及方法

（1）测量放线。钢拱架按照设计位置放样并安装，为控制钻孔方向，可在拱架钻孔位置后方拱顶及边墙对应孔位手喷漆进行标识。

（2）钻孔。钻孔时采用TY28风钻，钻头直径50 mm钎头。拱架钻孔位置施钻内层孔，内层两相邻孔位之间拱架外侧施钻外层孔位。施钻过程中严格控制钻杆方向及外插角度，出现方向及外插角偏差时应及时予以调整。严格控制钻孔是安装施工质量，确保小导管能起到预期的支护效果。

（3）小导管制作及安装。小导管采用42×3.5 mm热轧无缝钢管制成，并在小导管前部钻注浆孔，梅花型布置（8×150 mm），前端加工成锥形，尾部留作为不钻孔的止浆段（长度100 cm）。

小导管由钻机顶入安装，顶入长度不小于设计长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹干净，安装完成后用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近喷射混凝土保护，以防工作面发生坍塌。

（4）注浆。小导管采用水泥浆单浆液注浆，使用ZYB70/80D型注浆机，水和水泥重量配合为1∶1，对于富水段可采用双液浆，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa。注浆过程中记录注浆量及压力情况二者之一达到设计规定时可作为判定结束注浆作业标准。

4 实际施工情况

方案确定的施工总体安排和施工方法得到较好的贯彻执行，CRD法施工开始阶段遇到一定困难，在具体施工细节上较方案也有所改变，具体如下：

4.1 开挖

三台阶转换为CRD工法开始阶段近5 m上中台阶结合部发生大变形，1+2步距较长，临时仰拱施作达到7～8 m后变形得到控制，通过技术交底和现场实际施工，不断熟悉CRD法施工组织和控制重点，迅速形成CRD法正常施工，施工歩距得到严格控制，每分步成环迅速，施工进度和质量得到保证。以左线1步导洞贯通时为例，各台阶施工里程及布局如图5所示。

4.2 超前支护

设计超前支护为42 mm钢管，L=4 m，纵向间距2.4 m，上下层分不同角度布设。鉴于双层施工钻孔精度要求更高，钻孔和注浆时间也较长，实际改为每循环单层打设，长度L=3 m。

4.3 临时支撑拆除

下台阶先行侧施工时如安装临时支撑拱架，则采用现有220挖机无法继续开挖，且上中台阶施工需要暂停，因此实际施工过程中竖向临时支撑拱架仅施工至中台阶，5步不施作竖向临时支撑，5步开挖前即将上、中步临时支撑拆除，每次拆除长度5 m。拆除后立即施工下台阶及仰拱。

4.4 监控量测

采用全站仪+全站仪反射片进行拱顶下沉及水平收敛量测。

根据量测结果调整预留变形量，上中下台阶预留变形量分别为：40 cm 、30 cm 、20 cm。監测显示在台阶接腿时变形发生较明显变化，但未发生局部突变的大变形现象，累计变形量较大但在可控范围之内。部分监测曲线如图6所示。

5 结束语

隧道出洞后，变形监测结果表明出洞方案是合理的，围岩累积变形量和变形速率都大大降低，说明施工工艺及支护参数是切实有效的，可为相似工程的处理提供借鉴。

（1）详细测绘出洞段地形地貌，完整保留山体原貌，减少开挖。

（2）充分认识碳质片岩的变形特征，正确评定施工风险，采用合理的施工工法及支护参数，防止碳质片岩变形、塌方发生。

（3）综合运用超前大管、超前小导管增加开挖安全系数，应用CRD工法临时封闭成环，充分利用临时支撑作为受力体系的转换，以及小导洞率先出洞以减小对围岩的扰动，保证了出洞的施工安全。