蒋美军

(广西壮族自治区交通运输厅，广西 南宁 530012)

0 引言

伴随着国民经济的稳步发展，以及交通基础设施建设的大力推进，修建高速公路面临的水文地质条件越来越复杂，尤其是在我国西南部山岭重丘区，路线线位大多情况下需要穿越崇山峻岭，部分高速公路项目桥隧比例高达80%。因此地质选线的理念变得愈发重要，设计阶段会尽量选择绕避不良地质体的方案，但受工程经济以及勘察深度等因素的制约，隧道工程仍不可避免地受到不良地质体的影响，从而引发隧道塌方、突泥涌水等地质灾害。

实践表明，灰岩与砂岩交界带往往围岩地质条件较差，且两者的物理特性差异大，岩体风化强烈，岩体非常破碎，遇水极易软化崩解，为典型的力学不稳定地层，离散性较强，属于隧道工程建设所面临的特殊不良地质体。而且，可溶性岩(灰岩)与非可溶性岩(砂岩)交界段，往往地下水资源较为发育，地下水补给路径较多，会大大降低交界区岩体的物理力学参数。在隧道施工荷载作用下，地层的初始平衡状态很容易被破坏，掌子面前方部分土体容易发生松动，然后逐渐对掌子面上部土体的稳定性产生影响，从而引起地层损失和洞内失稳沉降，如施工不当易造成洞内拱顶掉块、塌方甚至冒顶等事故，雨季易出现突水、突泥等不良地质事故。

国内学者对于隧道施工引起洞内失稳变形的问题进行了大量研究，主要集中在失稳变形机理及处治控制措施等方面。房倩等[1]利用离散元数值模拟软件及室内模型试验对砂土地层变形规律进行研究，分析隧道埋深、地层损失率、颗粒粒径以及级配对砂土地层变形的影响；张龙生等[2]依托江西省昌宁高速公路莲花山隧道，利用多物理场耦合模拟软件，对富水软弱围岩隧道塌方机理与处治技术展开研究；徐前卫等[3]针对隧道滇中红层软弱围岩，利用数值模拟手段分析其失稳断面的变形及应力特征，并提出相应的控制措施；林明才等[4]利用理论分析手段和数值模拟手段，分析不同荷载释放系数下隧道围岩特征点和测线位移、隧道围岩系统势能、隧道断面相对变形率3类指标变化规律。刘德安等[5]以巴东隧道穿越富水紫红泥岩段为研究背景，基于岩土控制变形分析法探讨开挖面失稳过程及前方围岩变形破坏特征，并提出相应的加固措施。

目前，关于隧道穿越灰岩与砂岩交界带引起洞内失稳大变形问题的研究还较少，本文以广西地区某公路隧道穿越灰岩与砂岩交界区为研究背景，总结隧道施工过程中所面临的施工难点。结合现场实际情况，深入分析该不良地质段落岩体所表现出的力学特性，研究该不良地质段落岩体受隧道施工荷载扰动后的变形失稳机理，并提出合理有效的安全控制措施，相关经验可为今后类似工程建设提供参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

某公路越岭隧道位于广西河池市南丹县城以西，是项目的关键控制性工程。该隧道起止桩号为K2K1+430～K2K2+740，设计长度为1 310 m，为越岭长隧道。隧道进、出口设计高程分别为748.959 m、714.485 m，最大埋深约为316 m，线路总体近似呈东西走向，线路纵坡坡度设计为2.75%。隧道区域地质平面线位关系如下页图1所示。

隧址区属构造剥蚀低山地貌，山体连绵起伏，地形起伏较大，地形地貌主要受地层岩性及地质构造控制，山脉走向多呈西北-东南向，与区域构造线走向基本相同，与隧道走向大致平行。隧址区常年多雨，雨季频繁，多年平均降雨量约为1 400 mm。隧道洞口位置冲沟发育，隧道洞身地质条件复杂多变。

图1 隧道区域地质平面线位图

1.2 工程地质条件

根据地质钻探及工程地质测绘，隧道区地层主要由第四系冲洪积层(Qal+pl)、第四系残坡积层(Qel+dl)、石炭系下统地层(C1d)、二叠系下统(P1q)地层组成，隧道洞身段围岩裂隙发育，完整性较差，岩体风化程度以强-中风化为主。根据现场地勘报告结果，统计本隧道各级围岩主要物理力学参数，如表1所示。

表1 各级围岩物理力学参数参考取值表

本隧道存在灰岩与砂岩的岩性接触带段落为K1+530～K1+650、K1+700～K1+840。在灰岩与砂岩交界带，往往围岩地质条件较差，且段落可能较富水。两者的物理特性差异大，砂岩为强透水性，灰岩为弱透水性，岩性交界区雨季易出现突水、突泥等不良地质事故，如施工不当易造成洞内拱顶掉块、塌方甚至冒顶等事故(见图2)。

图2 隧道岩性交界区分布范围及围岩特性分析图

2 隧道穿越岩性交界区失稳变形机理分析

灰岩与砂岩岩性交界带地层以强风化基岩构成主要的骨架，并夹杂着湿润软弱土体，岩体风化强烈，岩体非常破碎，遇水极易软化崩解，为典型的力学不稳定地层，呈现出较强的离散性与不稳定性。在外界施工荷载的扰动下，易失去原来的稳定平衡状态。与单纯的砂岩或灰岩地层相比，岩性交界区地层粘聚力不高，不能承受拉应力，掌子面土体容易出现失稳破坏现象，失稳破坏形态为剪切破坏。

同时，隧道岩性交界区段落地下水补给路径发育，地下水丰富，地层中细颗粒会随着地下水的渗透而流失，加速岩体的软化崩解，使岩体从相对稳定结构变成松散结构，且松散结构不稳定。此时，土体间的咬合作用将会变弱，土体力学性质降低，使得隧道洞内沉降控制变得更为困难，更容易引起洞内失稳大变形现象，引起初支结构侵限和开裂。

施工荷载扰动及地下水渗流还会使前方部分土体发生松动，进而对掌子面上部土体的稳定性产生影响，加大上部土体的松动范围(见图3)。随着掌子面上方土体的松动塌落，上方土体部分土拱效应会被破坏，导致掌子面上方出现地层空洞现象。在地下水位变化和季节降雨等因素的影响下，地层空洞顶部的松散体会不断掉落，产生相应的地层损失，使得拱顶以上塑性区不断向上发展，从而引起拱顶塌方等事故。

图3 隧道施工对岩性交界区地层的扰动规律示意图

3 隧道施工难点分析

根据隧道现场实际施工情况与岩性交界区地层特有的力学特性，依托工程隧道穿越灰岩与砂岩岩性交界区存在的施工风险与难点主要有洞内沉降控制困难和易发生洞内灾害问题两个方面，需对症下药，选择合理可靠的施工控制措施。

3.1 洞内沉降控制困难

由于岩性交界区段落水文地质条件复杂，在隧道施工荷载作用下，地层的初始平衡状态很容易被破坏，开挖后岩体塑性区会加速往外扩展，围岩保持自稳能力的时间很短，使得隧道洞内的沉降控制变得更为困难，更容易引起洞内失稳大变形现象。如施工工序衔接不紧凑，施工某个环节没有做好，仰拱没有及时闭合，则洞内沉降变形会极速变大，导致隧道初支结构侵限。隧道穿越不同岩性交界区以来，共发生过三次洞内初支结构侵限问题，后期需要换拱处治，侵限段落长达40 m，最大侵限值高达25 cm。

3.2 易发生洞内灾害问题

隧道穿越不同岩性交界区以来，隧道洞内共发生两次拱顶塌方事故。施工荷载扰动及地下水渗流会使前方部分土体发生松动，进而对掌子面上部土体的稳定性产生影响，加大上部土体的松动范围。随着掌子面上方土体的松动塌落，上方土体部分土拱效应会被破坏，地层空洞顶部的松散体不断掉落，产生相应的地层损失，使得拱顶以上塑性区不断向上发展，从而引起拱顶塌方等事故。

4 隧道施工控制措施研究

结合不同岩性交界区地层水文地质条件、岩体力学特性与开挖失稳变形机理，根据现场施工遇到的技术难点，本文对隧道穿越不同岩性交界区采取的综合控制措施进行总结，主要包括隧道开挖方法优化、加强超前支护与锁脚支护措施以及其他施工辅助措施三个方面。实践证明，这些处治措施实施效果良好，能有效确保隧道安全通过此岩性交界带。

4.1 隧道开挖方法优化

对于富水软弱破碎围岩，选择合理的隧道开挖工法，既要考虑初期支护闭合成环的及时性，以有效控制洞内沉降，也要考虑施工工序的衔接转换难易程度，尽可能减少隧道施工工序间的相互制约。为减少隧道施工对围岩的扰动，从施工工序转换及围岩控制变形的角度考虑，将原长台阶法调整为短台阶法(三台阶)，并充分预留核心土，加快初期支护闭合成环的速度。

4.2 加强超前支护与锁脚支护措施

超前支护改为采用φ108×6 mm注浆钢管，管棚施工采用跟管钻进工艺，环向间距为40 cm，长度为9.0 m，纵向间距为7.0 m，外插角为10°～15°。注浆前应先进行相应的注浆现场试验，相关注浆参数应结合现场试验提前确定。注水泥净浆后钢管内利用M30水泥砂浆填充，以增强管棚的整体强度与刚度。要求管棚钢管从钢拱架腹板开孔穿过，钢管尾端并与钢拱架进行焊接，以确保洞内管棚尾端具备有效支撑。

将原设计中、下台阶左右侧各设置2根长度为350 cm的φ42×4 mm锁脚锚管调整为上、中、下台阶左右侧各设置2根长度为600 cm(根据实际情况进行调整)的φ108×6 mm锁脚大钢管，钢管内采用M30水泥砂浆进行填充，并确保钢管桩嵌入中风化岩层厚度≥50 cm，钢管桩与型钢拱架焊接连接。如图4所示。

图4 洞内锁脚大钢管支护示意图(mm)

4.3 其他开挖辅助措施

隧道开挖前，对掌子面前方拱顶围岩进行注浆预加固处治，提高岩体的自稳能力，以防开挖时拱顶孤石及松散体掉落。考虑到该段地下水发育，注浆浆液选择效果更好的双液浆(水泥+水玻璃)，水泥浆水灰比1∶0.75；水玻璃浓度为35°Bé；水玻璃模数为2.4；注浆压力为初压0.5～1.0 MPa，终压为2.0 MPa。

切实做好拱架之间的纵向连接，除正常的纵向连接钢筋外，还在仰拱以上部位的初支型钢拱架接头板两侧采用Ⅰ14工字钢加强纵向连接，以加强型钢拱架的整体稳定性和抗扭转能力。

为确保隧道洞内施工安全，在对隧道侵限段落进行换拱之前，应确保该段落仰拱已施作完毕，等后续不良地质段落均做完二衬后，再返回进行换拱作业。换拱前在隧道侵限段落增设洞内复拱。复拱采用工字钢组成，相邻钢架间采用Ⅰ14纵向工字钢连接，复拱与初支间的空隙采用木楔楔紧，钢架落脚处采用槽钢铺垫。

当采取上述措施后收敛变形仍有异常，则应及时采取临时仰拱控制变形。现场平整场地后，于中台阶位置直接浇筑40 cm厚C15素混凝土作为临时仰拱(拱脚处铺设塑料膜，方便后期拆除)，可适当添加速凝剂，要求整段严格满浇筑，以有效控制洞内沉降。

5 结语

本文以广西地区某公路隧道穿越灰岩与砂岩不同岩性交界区为研究背景，深入分析该不良地质段落岩体所表现出的力学特性，研究该不良地质段落岩体受隧道施工荷载扰动后的变形失稳机理，并提出合理有效的安全控制措施。研究结果表明：

(1)灰岩与砂岩岩性交界带地层以强风化基岩构成主要的骨架，并夹杂着湿润软弱土体，岩体风化强烈，岩体非常破碎，遇水极易软化崩解，为典型的力学不稳定地层，呈现出较强的离散性与不稳定性。在外界施工荷载的扰动下，易失去原来的稳定平衡状态。掌子面土体容易出现失稳破坏现象，失稳破坏形态为剪切破坏。

(2)隧道岩性交界区段落地下水补给路径发育，地下水丰富，地层中细颗粒会随着地下水的渗透而流失，加速岩体的软化崩解，使岩体从相对稳定结构变成松散结构，松散单粒结构不稳定。此时土体间的咬合作用将变弱，土体力学性质降低，使隧道洞内沉降控制变得更为困难，更容易引起洞内失稳大变形现象，引起初支结构侵限和开裂。

(3)隧道穿越灰岩与砂岩岩性交界区存在的施工风险与难点主要有水文地质条件复杂、洞内沉降控制困难和易发生洞内灾害问题三个方面，应对症下药，选择合理可靠的施工控制措施。

(4)隧道得以安全顺利通过灰岩与砂岩岩性交界区，主要依靠隧道开挖方法优化、加强超前支护与锁脚支护措施以及其他辅助措施等综合性处治手段，相关施工经验可供今后类似工程建设参考。