炭质板岩软弱围岩隧道挤压变形规律及处理措施分析

罗虎LUO Hu

（中交二公局第四工程有限公司，洛阳 471013）

0 引言

当前，隧道施工所穿越的地质环境的复杂性和工程问题的多样性都是空前未有的[1]。对于修建在地质条件复杂地区的隧道，容易产生塌方、变形和支护开裂等地质灾害问题。围岩大变形是隧道工程界的一个重要研究课题，已有研究成果证实挤压和膨胀是软弱围岩隧道大变形的两种主要诱导模式[2-4]。隧道围岩变形初期不仅绝对量值较大，位移的速度也很快，且变形持续时间也较长。对于软弱围岩的上述大变形特征，若处理方案不当，会紧接着产生次生灾害或给隧道的未来运营埋下隐患。因此，由于隧道所处地区地质条件的复杂性，类似工程的大变形特点与防治通常需要进行合理而有效的研究。以某隧道为依托，通过室内试验，地质调查，并结合现场监测资料，对该隧道变形和相应的处理方案进行了研究。

1 工程地质环境

1.1 地形地貌

依托隧道左、右线分别长2268m、2286m。隧道多次穿越弯曲多变的黄洋河，河流两侧地势略显陡峭，山前坡积物发育，厚度约1-2m，下覆基岩断续出露。

1.2 地质条件

隧道围岩主要由不同风化程度的板岩构成。岩层物理力学性质见表1。

表1 岩体主要物理力学参数

1.3 地质构造

隧址区褶皱束构造格局为两个复背斜夹一个复向斜，位于断层斜穿隧道进口段，该断层与隧道呈大角度相交，其断裂方向呈近北西向展布，属于逆断层类型。

2 挤压变形特征

2.1 宏观特征

隧道挤压变形主要发生在不同风化程度的泥质、砂质板岩与断裂带中，最大变形为607mm。相应的变形特征如下：初期支护结构的断裂和变形导致了隧道的部分坍塌。随着隧道的逐步开挖，围岩经历了连续的变形，钢格栅出现扭曲，喷射混凝土出现劈裂和剥落。围岩最大变形达250mm。I14 号工字钢被用来支撑隧道右线10m 区域，但是并不能防止进一步的变形，隧道围岩仍然发生了崩溃。隧道拱顶出现严重下沉。当隧道右线开挖时，部分围岩为风化板岩、节理裂隙极发育并夹有小型褶皱造成地质偏压。在此阶段，隧道开挖断面出现了少量地下水渗出，导致围岩发生明显的变形。水平方向的收敛变形达到230mm，拱顶下沉140mm，同时喷射混凝土出现劈裂和剥落。典型的边墙挤压破坏，当隧道右线因小型褶皱造成地质偏压，边墙发生了严重挤压变形。水平收敛变形达到180mm，拱顶下沉110mm，喷射混凝土出现劈裂、剥落。典型的边墙失稳破坏，隧道右线开挖出现薄板岩层。板岩层在地质偏压的作用下，造成围岩产生较大挤压变形与坍塌。

2.2 现场监测分析

对隧道右线多个断面开展了现场监测，历时3 个多月。工作包括隧道拱顶下沉和周边位移量测。隧道V 级围岩岩体的时间-位移曲线如图1 所示。现场监测中，岩体变形通常出现在拱顶和边墙部位，同时伴随着喷射混凝土劈裂、剥落。边墙最大变形量分别高达62.5cm 和56.1cm。此外，在一些严重变形区，出现了初期支护损坏，甚至大面积坍塌的现象。

图1 隧道围岩收敛时间-位移曲线

大变形一般在初期支护施工完成后开始，随后持续一段相当长的时间。断面最大变形速率是34.18mm/d。受地下水的影响，围岩的水平收敛和拱顶下沉曲线出现了反弯点。同时，两个监测断面分别需要大约90-130 天，80-120天的时间来完成90%的变形，此时隧道围岩才基本趋于稳定。在软岩隧道中发生的这种大变形量和持续时间长的现象对隧道施工造成较大的影响。

3 变形影响因素

3.1 岩体强度

在隧道发生大变形的岩体主要为极软-较软砂质板岩，其岩体表现为抗风化能力差，遇水易软化。节理裂隙极发育，岩质不均匀等特点，相应参数的变异系数也较大。通过室内单轴压缩试验，对隧道岩体进行了天然和饱和状态下的强度试验（详见表2）。结果显示，大多数岩体的单轴抗压强度低于10MPa，同时测试样本的软化系数为0.85。这些特性有助于地层长期发生蠕变，从而引起较大的围岩变形。

表2 岩体单轴抗压强度汇总

3.2 岩体结构

现场围岩结构的划分是基于初步的地质调查结果，由以下参数，如：抗压强度、纵波速度、风化程度、裂隙发育，地下水条件，来进行等级划分。现场地质勘察显示，隧道穿越的整个地层围岩呈现明显的破碎状况；同时，岩体的不连续性主要包括结构节理和平面特征，而这两个特性会给裂隙储水提供空间，促使围岩的变形。隧道开挖在穿越此类地层时，由于自稳能力差，以及隧道开挖的扰动，极易造成围岩的变形和坍塌。

3.3 膨胀

为研究隧道围岩中粘性材料对变形是否有影响，通过化学分析和X-射线衍射等测试手段检测板岩中的粘土矿物成份。根据X-射线衍射结果，板岩主要由绿泥石、伊利石等粘土类矿物组成，并夹杂有石英、长石等其他矿物。绿泥石呈针状、片状，长轴长50-75um。石英、长石等矿物主要分布于粘土矿物排列形成的孔隙中。粘土矿物粒径在10-30um，颗粒之间以孔隙充填式胶结为主。

通过化学分析确认了板岩各粘性化学成份含量。样本板岩含有大量的碱性氧化物：Fe2O3（6.43%-7.27%），K2O（3.45%-4.31%），Al2O3（19.46%-21.67%）。而K2O 的含量高则可能证明伊利石的存在。从试验结果可以判断出绿泥石及伊利石的百分含量可达到80%。板岩中的粘性材料含量很高，而这些粘性材料在隧道开挖遇到地下水时，会对围岩变形起到促进作用，不利于隧道衬砌的安全与稳定。

3.4 地下水

隧道各段预测的地下水最大涌入量如表3 所示。隧道各段的变化较大，涌水量从0-113m 段的19.5m3/d，到1483-2223m 段的149.7m3/d。

表3 预计最大涌水量

值得注意的是，隧道开挖过程中，有时随着地下水的出现，大变形量迅速增大。地下水的出现可能是由于隧道掘进形成的塑性区改变了围岩内原本的渗流场。水会渗透和流入隧道，地下水对变质板岩有明显的软化作用，降低了板岩的强度，造成开挖面不能维持稳定。此外，由于地下水的流动会产生一定的渗流力，同样对围岩变形起到推动作用。

4 处理方法与验证

4.1 处理方法

对于隧道试验段，其初始设计支护无法满足围岩稳定要求。从现场实际情况看，初支完成后由于围岩强度较低致使严重收敛，从而造成初支喷射混凝土开裂、变形，初支严重侵入二衬，导致二衬厚度不足。为减轻隧道地质灾害，提高和改善围岩承载能力，主要采用了以下处理方法：①拱腰至拱脚进行超前注浆导管预加固；②药卷锚杆和锁脚注浆导管；③拱部反向超前导管注浆加固。图2 所示为隧道衬砌变形处理方法。现场施工时，换拱在拱部施作反向超前导管注浆加固后进行。同时，安装I18 型工字钢临时支撑，换拱部位后方设置3 环临时支撑，前方设置6 环临时支撑。支护工字钢由I14 调整为I18，纵距调整为80cm，提高支撑能力。施作单层间距20×20cm 的Φ8 钢筋网片。系统锚杆拱部以上采用药卷锚杆与注浆小导管交叉布置，拱部以下与拱脚之间采用Φ22 药卷锚杆，C20 喷射混凝土厚度为24cm。超前支护采用30 根Φ42×3.5mm 超前小导管，每根长3.5m，排距为1.6m；仰拱初期支护增加I18 工字钢，C20 喷射混凝土厚度为22cm。注浆采用单液浆，水灰比为1：1，注浆压力0.5-1.0MPa。

图2 处理方法

4.2 效果验证

4.2.1 变形

图3给出了隧道右线两个测试断面在换拱后的围岩收敛时间-位移曲线。可以看出，两个断面的最大水平收敛分别为18.5cm 和13.9cm；拱顶最大下沉分别为12.3cm 和10.1cm。两个监测断面的大部分变形在支护完成后的20天内进行，最终均在40-50 天左右完成90%的变形，围岩基本趋近稳定状态。采取对应支护措施后，不仅围岩变形速率降低，最终变形完成时间减少，而且总变形量也大幅减少，因此，处理效果很理想。

图3 换拱后隧道围岩收敛时间-位移曲线

4.2.2 衬砌厚度

从隧道右线两个断面在三个时期的衬砌厚度变化可以看出，进行隧道衬砌的替换之前，两个断面的衬砌厚度损失严重，衬砌总厚度分别为13.8-32.3cm 和20.0-37.6 cm，尤其是断面1 右边墙衬砌厚度损失严重，最小仅为13.8cm。从现场情况来看，如果不进行换拱施工，初支侵入二衬的不良现象仍会继续。考虑到工程的安全性需要，衬砌厚度较原始设计有所提高。可以看到，在施工后40 天内，两个断面的隧道衬砌厚度减小量小于10cm，变形基本趋于稳定。

5 结论

①隧道变形主要表现形式为拱顶严重下沉，边墙压向外侧挤压变形，边墙局部屈曲破坏和隧道局部坍塌。隧道研究区段边墙最大变形量高达62.5cm，最大变形速率为34.18mm/d。大约需要80-130 天的时间来完成90%的变形，然后围岩才基本趋于稳定。板岩的软弱性导致板岩隧道中的变形持续时间长且变形量大。同时，岩体的膨胀和地下水作用也同样对围岩变形起到了推动作用。

②提出的三种处理方法：1）拱腰至拱脚进行超前注浆导管预加固；2）药卷锚杆和锁脚注浆导管；3）拱部反向超前导管注浆加固。在处理方法实施后，最大水平收敛为18.5cm；拱顶最大下沉量为12.3cm，最大变形量显著降低，仅为实施前的三分之一左右。