武都西隧道千枚化炭质页岩大变形段施工技术控制

杜晓伟

【摘要】武都西隧道围岩软弱、破碎，节理非常发育，层理面光滑，隧道埋深大，地应力较高，易发生大变形，并且变形时间长、位置不规律、速度较快，严重影响工程稳定性；在理论分析和现场试验探索的基础上采用三台阶七步开挖法，运用双层拱架支护，特殊段采取超强支护，同时加强监控量测，管控施工细节。工程实践说明，以上措施是可行的、有效的。

【关键词】软岩大变形；开挖工艺；支护类型；控制措施

1、工程概况

武都西隧道位于成武高速公路终点，武都市西城郊乡黄家坝上没水山内，白龙江岸边。起止桩号为ZK83+810～ ZK87+573，YK83+831～ YK87+612，单洞长7544m，为分离式岩质公路隧道，是成武高速公路武都段的控制性工程，全隧道采用四心圆断面，运用新奥法施工设计原理，根据地质资料，采用Ⅳc和Ⅴb支护参数。

水文地质方面，隧道设计地质为中风化灰岩、泥灰岩，灰色，隐晶质结构，层状构造，裂隙发育，为较软岩，岩体较破碎，围岩稳定性较差，施工时有少量滴水，隧道最大埋深超过1000m。在实际施工过程中，隧道围岩地质情况与设计地质情况发生较大变化，施工开挖后隧道地质围岩为以千枚化的炭质页岩为主，夹千枚化的炭质泥灰岩，强风化，节理裂隙发育，岩体极为破碎，节理面光滑，属软岩，并受白龙江F5断层次生带垂直应力强力释放影响，围岩变形大，褶皱明显，围岩完整性及稳定性差，洞内干燥、围岩温度较高。

2、围岩性质的认识与分析

2.1大变形产生原因的分析

通过武都西隧道施工总结，反映出千枚化炭质页岩是一种具有沿層理面蠕滑、岩性流变和岩体构造破碎的一种特殊的岩体，在该岩体下产生隧道大变形的主要原因有：

一是岩体破碎，整体性极差，在隧道开挖过程中，围岩荷载平衡被破坏，自稳能力减弱，在自重作用下向净空内持续蠕变；

二是层理面光滑，岩体之间摩擦力小，岩质软弱，抵抗围岩变形的能力弱，使围岩蠕变时间更长，围岩迟迟不能稳定；

三是隧道埋深较大，最大埋深超过1000米，存在高地应力，在地应力的作用下隧道围岩变形进一步加剧；

四是受F5断层次生带影响严重，掌子面围岩褶皱明显，层理紊乱，压力释放较慢，使围岩变形持续时间过长；

五是围岩温度较高，最高时掌子面温度达48℃，温度越高时围岩变形越严重，说明该山体没有完全稳定，应力在持续释放，造成隧道围岩变形严重。

以上五种原因造成围岩对隧道初支压力持续增大，变形严重，使的原设计初支不能抵抗围岩压力，初支变形侵限并二次换拱。

2.2大变形的特点

2.2.1持续时间过长

从掌子面开挖至二衬混凝土浇筑，正常情况下期间有45天，但初支变形没有达到稳定状态，甚至个别段落在二衬浇筑完成550天后，仍然产生变形，表现为拱顶和拱腰位置产生45°斜角裂缝，裂缝规律明显。这说明围岩在经过长时间蠕变后并没有达到稳定状态，变形持续时间长。

2.2.2位置规律性不强

武都西隧道围岩变形位置分布错乱，掌子面左右两侧各有分布，同侧拱肩、拱腰和起拱线处各有分布，段落、断面没有规律，变形数据没有规律，导致预留沉降量控制难度大，二衬超重时有发生。

2.2.3速度较快

监控量测数据显示，在掌子面开挖至上导初支完成的短短14小时内，围岩已经发生较大变形，其中最大数值为86mm，初支完成后日变形量均为20～40mm，掌子面掘进仅5～7m时，初支开始出现环向裂缝，掘进10～15m时出现纵向裂缝，甚至钢拱架扭曲变形，混凝土表面破碎掉块，说明围岩变形速度较快。

2.2.4工序衔接时变形速率加快

监控量测曲线图显示，上中下台阶、下台阶与仰拱支护的工序衔接时间段内围岩变形速率有所加快，曲线图不在平稳，有拐点出现，主要原因是掌子面开挖时围岩受到扰动，尤其钻爆法施工中爆破对围岩的扰动极大，加大变形速率；其次是仰拱开挖后，钢拱架拱脚悬空，加大了围岩变形的速率。

3、施工技术控制

3.1选择合理的开挖方法

武都西隧道大变形段施工过程中，根据围岩受扰动情况和监控量测数据分析，探索了不同的开挖方法，主要有上下台阶预留核心土、三台阶、三台阶预留核心土和超短三台阶预留核心土七步开挖法等不同方法，最终认为三台阶预留核心土七步开挖法最适合用于千枚化炭质页岩大变形段的施工，并遵循“短进尺、早封闭”的原则，即每次开挖进尺0.75m，每台阶长度控制在5m以内，仰拱与掌子面控制距离控制在20m以内，掌子面、中导、下导同步骤施工，仰拱采用栈桥法全断面施工工艺，长度控制在3.5m以内。

同时得出最优机械组合是铣挖机配合破碎锤。即先用铣挖机进行掌子面开挖，并进行拱顶及拱腰修边，在拱脚围岩较硬铣挖机铣挖效果不明显的地方再有破碎锤进行开挖，以达到开挖速度合理，对围岩扰动小的效果。

3.2采用双层初支加强支护

武都西隧道大变形段施工中，分别采用了Ⅴb、Ⅴd支护参数、间断式双层初支支护参数，最终确定为双层初支支护参数才能满足大变形段初支荷载，具体支护参数为：Φ42超前小导管，长度4.5m，间距35㎝，搭接长度不小于1m，仰角10～15°；系统锚杆为R27中空注浆锚杆，长度4.5m，环向间距1m，纵向间距75㎝；第一层初支拱架为H175型钢，间距75㎝，第二层初支拱架为I20a工字钢，间距75㎝；喷射C25混凝土，厚50㎝；挂设Φ8双层钢筋网，网距20㎝×20㎝；采用Φ42锁脚钢管，长度4.5m，每榀24根；二衬C25混凝土采用模筑混凝土，厚度50㎝；主筋为Φ22钢筋，间距25㎝，双层钢筋网。

3.3特殊段落超强支护

武都西隧道大变形段在采用双层初支后，变形得到有效控制，初支满足现场施工要求，能抵抗围岩压力，确保隧道安全。但仍有段落变形依然较大，喷射混凝土开裂，甚至初支钢拱架扭曲变形。对于这种特殊段落，应采取局部超强支护的措施，具体是在变形段拱墙上布设钢花管并注浆，钢花管长6m，环向间距1m，纵向间距0.75m，浆液为水泥、水玻璃双液浆，水玻璃为水泥掺量的5%，注浆压力控制在2Mpa左右。对该段二衬可采用提高混凝土标号和增加配筋率的方法增强支护参数，具体为将二衬混凝土标号由C25提高到C30，将二衬主筋由Φ22提高到Φ25。

3.4控制措施

3.4.1加强监控量测

武都西隧道大变形段施工过程中，组建了专职监控量测小组，并制定了详细的量测制度和方案，确保量测数据准确真实，及时分析总结数据，根据结果调整施工方案和预留沉降量，综合运用全站仪、水准仪、收敛仪及激光断面仪进行断面检测、沉降观测、收敛观测和周边位移检测，每5m布置一观测断面，每个断面布置7个观测点，进行系统的监控量测控制。

3.4.2注重细节管控

武都西隧道施工过程中，施工质量细节控制一直是施工质量管理的重点，具体有：

一是保证钢拱架拱脚落在实处。施工过程中，清除拱脚虚渣，增加方木（20㎝×20㎝×50㎝），保证钢拱架落实，加大围岩的受力面积，减小钢拱架沉降，增强了稳定性；

二是严格控制锁脚钢管的施工质量。采用L型钢筋将锁脚钢管和钢拱架进行辅助焊接，L型钢筋为Φ25钢筋，长度为25cm+25cm，加大了钢筋与锁脚钢管和钢拱架的焊接面积，确保了锁脚钢管与钢拱架的焊接质量；

三是错开双层钢拱架的接茬位置。内层I20a工字钢和外层H175型钢在下料时取不同长度原料，焊接时把接茬位置错开，间隔分布；

四是双层钢拱架整体受力。环向每间隔1.5m进行10㎝的焊接，使双层钢拱架形成一个整体，增大支护刚性，充分发挥强支护的作用；

五是控制系统锚杆的施工质量。系统锚杆要保证数量、深度，确保注浆质量，加强松动圈的整体稳定性；

六是确保喷射混凝土的厚度和密实度。喷射混凝土时，质检人员现场旁站，保证混凝土密实，表面平整，无空洞、无杂物。对于超挖或者围岩坍塌严重处，喷射前可预埋注浆管道，待初支混凝土满足强度要求后，先采取临时加固措施，然后泵送贫混凝土回填空腔。如果拱顶有塌腔，上述方法同样适用；

七是速喷掌子面。掌子面围岩本身软弱，在开挖扰动下，极不稳定，易发生松动、掉块甚至崩塌。开挖到位后，采取先速喷掌子面，待其稳定后再立拱架支护的措施，这样做有助于保证作业工人的安全、掌子面围岩的稳定及喷射混凝土的质量。

4、结论

通过对武都西隧道大变形段的施工总结，认为在复杂地质环境下，超过围岩等级的大变形围岩客观存在，在该类围岩施工中，一定要坚持“短进尺、早封闭、强支护、勤量测”的隧道施工原则，合理的安排三台阶七步开挖法施工工序，有效的利用施工空间和时间，进行平行流水作业，避免交叉作业的互相影响；坚持合理的预留沉降量，尽量做到初支不侵限，二衬混凝土不超量。

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