梁靖 鄭寰宇 廖翼強(qiáng)

摘要：廣西賀巴高速公路永靖隧道為全Ⅴ級(jí)圍巖，長(zhǎng)690 m，以炭質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、砂巖互層為主，流水量與降雨量成正比，掌子面圍巖松散、易發(fā)生大面積坍塌。文章通過(guò)對(duì)炭質(zhì)泥巖、煤巖、泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出永靖隧道炭質(zhì)泥巖松散性、脆性、膨脹性的工程特殊性，并針對(duì)圍巖的特殊性制定相應(yīng)的施工技術(shù)措施，經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證有效控制了隧道變形，取得良好效果。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)泥巖；脆性；膨脹性；力學(xué)性質(zhì)；隧道變形

中圖分類號(hào)：U456.3+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

女意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0142-03

0 引言

炭質(zhì)泥巖帶有軟巖的基本特性，強(qiáng)度低、孔隙大、易變性、易滲水，對(duì)隧道的安全和質(zhì)量造成影響，這類巖石在隧道工程中應(yīng)給予重視，采取針對(duì)性的技術(shù)措施。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道變形控制進(jìn)行了大量研究，錢蓉等［1］提出“圍巖松動(dòng)圈”理論；吳真瑋等［2］在總結(jié)新奧法支護(hù)基礎(chǔ)上，提出“聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”；向武松［3］提出“噴錨復(fù)合支護(hù)”，但隧道圍巖大變形問(wèn)題尚未列入設(shè)計(jì)規(guī)范，炭質(zhì)泥巖圍巖的變形機(jī)理仍然需要完善，隧道軟巖及各類圍巖的支護(hù)技術(shù)仍然需要研究。本文針對(duì)都安至巴馬高速公路永靖隧道炭質(zhì)泥巖全Ⅴ級(jí)圍巖的工程特性，研究炭質(zhì)泥巖巖性的特殊性，提出相應(yīng)的變形控制措施。

1 工程概況

1.1 基本情況

廣西賀州至巴馬高速公路永靖隧道在大化瑤族自治縣內(nèi)，位于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)北部，年平均氣溫為18.2 ℃～21.7 ℃，年降雨量為1 249～1 637 mm。隧道所在位置為丘陵地貌，地形起伏較大，永靖隧道穿越相同山體，地面高程為240～350 m，山體表面總體較為平緩，最大埋深為126.8 m。根據(jù)鉆探及工程地質(zhì)測(cè)繪，隧道地層主要由第四系填筑土、殘坡積層、三疊系中統(tǒng)百逢組地層組成，其中洞口段巖層以第四系填筑土、殘坡積層為主，大部分為粉質(zhì)黏土；洞身段巖層為三疊系中統(tǒng)百逢組，以中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖、砂巖、頁(yè)巖互層為主，呈深黑色，炭質(zhì)頁(yè)巖、砂巖與泥質(zhì)膠結(jié)，層理和薄層構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯染手、質(zhì)軟、破碎塊夾碎粒狀。隧道附近地表水較小，主要為溪流存在于地表上，降雨量對(duì)隧道水流量有顯著影響，具有季節(jié)性。地下水類型分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，主要來(lái)源為大氣降雨。

1.2 永靖隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情況

對(duì)永靖隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工觀察，隧道左洞進(jìn)尺至160 m時(shí)掌子面圍巖為炭質(zhì)泥巖、砂巖、頁(yè)巖互層，巖層變形量大、松散性強(qiáng)、沉降較大，有少量水從掌子面滲出，雨季流水量明顯增多，易大面積垮塌，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)初噴混凝土26 cm后，7 d內(nèi)累計(jì)變形量仍＞30 cm，初支多處出現(xiàn)開(kāi)裂、掉塊，由于巖層松散未采用爆破施工，現(xiàn)場(chǎng)采用“七步臺(tái)階預(yù)留核心土法”進(jìn)行機(jī)械挖掘施工，嚴(yán)格控制安全步距。

現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)鋼拱架整體下沉量較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)信息顯示，鋼拱架在立拱和接拱的施工過(guò)程中拱頂沉降變形較大，尤其是在鋼拱架接拱的位置（拱腰、拱腳），初期支護(hù)混凝土易開(kāi)裂，當(dāng)仰拱跟進(jìn)后，拱頂?shù)某两盗口呌诜€(wěn)定，而拱腰位置開(kāi)始往隧道中線收斂的變形增加。

2 永靖隧道變形原因分析

2.1 巖層特性分析

許多學(xué)者研究認(rèn)為，在工程當(dāng)中炭質(zhì)泥巖呈現(xiàn)出較松散、易坍塌的特性與煤巖脆性大、易破碎、易受壓縮的特性相對(duì)應(yīng)［4-6］；炭質(zhì)泥巖的膨脹性與泥巖飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度較低、浸水易崩解軟化等特性相對(duì)應(yīng)［7-9］。

本文對(duì)永靖隧道炭質(zhì)泥巖與煤巖、南寧泥巖、六盤水炭質(zhì)泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析［9-12］，如圖1、下頁(yè)圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，4組巖類中，煤巖的密度最小，孔隙比最大，煤巖的粘聚力最小，內(nèi)摩擦角最大，永靖隧道炭泥巖與六盤水炭質(zhì)泥巖力學(xué)性質(zhì)相近。

密度小說(shuō)明煤巖的相對(duì)質(zhì)量較小，這與煤巖中有機(jī)質(zhì)炭含量較多有關(guān)；孔隙比大說(shuō)明單位體積內(nèi)的煤巖孔隙體積較大，土質(zhì)較松散，容水量較多，水更容易滲透巖層，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，在隧道工程當(dāng)中表現(xiàn)為圍巖易垮塌、涌水；而泥巖在4組巖類當(dāng)中密度最大，孔隙比最小。

煤巖粘聚力小說(shuō)明煤巖土體的抗剪強(qiáng)度低，土體顆粒間的相互吸引力較小，而有機(jī)質(zhì)炭的化學(xué)特性剛好相反，使得煤巖粘聚力較低，呈現(xiàn)出松散性和脆性。

而泥巖的內(nèi)摩擦角是最小的，與泥巖高密度、低孔隙比、高粘聚力的力學(xué)特性相反，認(rèn)為這與泥巖的膨脹性相關(guān)，泥巖的含水量對(duì)膨脹性影響較大，當(dāng)土體含水量增加，土體膨脹較快，土顆粒間的摩擦力減小，內(nèi)摩擦角減小。

永靖隧道炭質(zhì)泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)介于煤巖和泥巖之間，在工程當(dāng)中既具有煤巖特有的脆性和松散性，又具有泥巖特有的膨脹性，與許多學(xué)者研究的炭質(zhì)泥巖性質(zhì)類似，這類土質(zhì)在隧道工程當(dāng)中應(yīng)該考慮其特殊性。

2.2 永靖隧道變形特性分析

根據(jù)“圍巖松動(dòng)圈理論”所提出的，隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖的松動(dòng)破壞是不可避免的，在圍巖外部會(huì)形成圍巖松動(dòng)圈、塑性區(qū)、彈性區(qū)（圖3），隧道在掘進(jìn)過(guò)程中如何防止松動(dòng)圈的破壞是隧道支護(hù)的關(guān)鍵。

隧道施工中通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合，支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊形成了穩(wěn)定的拱支護(hù)，避免拱腰、拱腳處失穩(wěn)導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈土體失穩(wěn)。隨著圍巖土體變形逐步穩(wěn)定，鋼拱支護(hù)與松動(dòng)圈、塑性區(qū)整體協(xié)調(diào)趨向一致，使松動(dòng)圈圍巖的碎脹力分散到支護(hù)的表面，讓隧道支護(hù)形成“拱”效應(yīng)并讓支護(hù)整體受力。

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情況得知，鋼拱架整體的下沉量較大，隧道初支變形最大的部位在鋼拱架拱腰和拱腳的位置，也是鋼拱架連接部位。由前文分析可知：炭質(zhì)泥巖的脆性和松散性使得隧道支護(hù)表面受力不均勻，無(wú)法形成支護(hù)拱效應(yīng)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱的位置（拱腰、拱腳）處體現(xiàn)出來(lái)，而炭質(zhì)泥巖膨脹性在雨季圍巖滲水時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍圍巖整體強(qiáng)度下降，當(dāng)仰拱施工完成后，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)閉環(huán)，鋼拱架整體沉降量變小，而在原先最薄弱位置持續(xù)發(fā)生變形。

通過(guò)分析可能存在以下幾點(diǎn)原因：鋼拱架整體強(qiáng)度不足、鋼拱架連接處強(qiáng)度不足、連接處鎖腳鋼管強(qiáng)度不滿足或施工質(zhì)量差、圍巖滲水變形。

3 永靖隧道變形控制措施及結(jié)果分析

3.1 變形控制措施

通過(guò)以上變形原因分析，現(xiàn)場(chǎng)提出了3種變形控制措施（圖4）：

（1）將原鋼拱架Ⅰ20工字鋼更換為Ⅰ22工字鋼，施作5 m縱向進(jìn)尺。

（2）將原鋼拱架縱向間距75 cm更改為50 cm，施作5 m縱向進(jìn)尺。

（3）將原拱腰及拱腳鎖腳鋼管350 cm更改為600 cm，每處根數(shù)由原來(lái)2根增加為4根，施作5 m縱向進(jìn)尺。

在采用上述3種施工方法對(duì)永靖隧道左右洞分別進(jìn)行分段施工，分別對(duì)比整體隧道變形情況，并在采用上述方法施工同時(shí)及時(shí)排出洞內(nèi)積水，防止水浸泡隧道拱腰和拱腳位置，并將原中空注漿錨桿更改為自進(jìn)式錨桿，在拱腳、拱腰位置開(kāi)挖后及時(shí)連接鋼拱架，縮短鋼拱架支護(hù)閉環(huán)時(shí)間，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，增加監(jiān)控點(diǎn)，及時(shí)收集變形數(shù)據(jù)，隨時(shí)做好安全防范措施。在開(kāi)挖過(guò)程中，左洞仰拱施作位置超前于右洞掌子面位置，且≥30 m，拉大左右洞掌子面和仰拱的施工間距，減少巖層的相互干擾。

3種變形控制措施監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如下頁(yè)圖5、圖6所示。

3.2 結(jié)果分析

由圖5、圖6可知，加強(qiáng)鎖腳與縮短工字鋼拱架縱向間距后沉降量下降趨勢(shì)明顯，而增加工字鋼尺寸對(duì)隧道整體沉降量的影響較小，學(xué)者分析原因如下：Ⅰ22工字鋼強(qiáng)度雖然提高了支護(hù)的整體強(qiáng)度但并未解決隧道支護(hù)薄弱位置（拱腰、拱腳）的變形控制，總體變形量較大；縮短工字鋼間距雖未對(duì)拱腰拱腳加固，但大大提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，使得總體變形量較小，但是此方法增加成本較多，不夠經(jīng)濟(jì)；增加隧道拱腰和拱腳處縮腳鋼管數(shù)量和長(zhǎng)度，對(duì)支護(hù)薄弱位置針對(duì)性加強(qiáng)有效減小了變形量，此方法較工字鋼方法成本可控。

在采用上述方法的同時(shí)，及時(shí)地排出隧道洞內(nèi)積水，減少了炭質(zhì)泥巖發(fā)生膨脹變形的可能，對(duì)隧道整體變形控制有顯著提升；同時(shí)采用自進(jìn)式錨桿的優(yōu)勢(shì)省去了鉆孔的過(guò)程，避免了錨桿在鉆孔的過(guò)程中圍巖垮塌的問(wèn)題；施工現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)接拱提前支護(hù)閉環(huán)對(duì)隧道整體變形控制起到了輔助作用。

永靖隧道現(xiàn)場(chǎng)采用了加強(qiáng)鎖腳方案及輔助措施后，拱頂每天的沉降量呈下降趨勢(shì)，拱腰每天的變形量相對(duì)加強(qiáng)鎖腳前減小，加強(qiáng)鎖腳對(duì)永靖炭質(zhì)泥巖隧道變形量控制效果明顯。

采取以上措施后永靖隧道變形量減少，30 d累計(jì)變形量＜15 cm，解決了永靖隧道施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

由于隧道中炭質(zhì)泥巖地質(zhì)條件所引起的圍巖強(qiáng)度低和地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，隧道施工中易產(chǎn)生較大變形，為隧道工程施工所帶來(lái)的安全和質(zhì)量隱患一直以來(lái)都是工程界研究的重點(diǎn)和難題，本文通過(guò)對(duì)廣西賀巴高速永靖隧道的現(xiàn)場(chǎng)施工和炭質(zhì)泥巖的巖性進(jìn)行研究得出以下結(jié)論：

（1）炭質(zhì)泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)介于煤巖和泥巖之間，既具有煤巖松散性和脆性，又具有泥巖的膨脹性，巖性較復(fù)雜，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門的技術(shù)研究，確定炭質(zhì)泥巖類型和工程地質(zhì)條件，制定可行性技術(shù)方案。

（2）炭質(zhì)泥巖變形產(chǎn)生的主要原因是有機(jī)質(zhì)炭含量較多而導(dǎo)致的，巖土體強(qiáng)度低、松散性強(qiáng)、孔隙比大、易滲水，隧道變形控制方法應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件。

（3）炭質(zhì)泥巖中一般含有蒙脫石礦物，遇水易膨脹，施工時(shí)應(yīng)充分考慮圍巖膨脹性特點(diǎn)，采用加強(qiáng)支護(hù)和疏導(dǎo)相結(jié)合的辦法，不宜強(qiáng)堵水源。

（4）針對(duì)永靖炭質(zhì)泥巖大變形隧道，采用加長(zhǎng)加強(qiáng)拱腰鎖腳的方法，與及時(shí)排水、自進(jìn)式錨桿等措施相結(jié)合，變形控制效果較好。

參考文獻(xiàn)

［1］錢 蓉，鄧樹(shù)新，王明洋，等.深部工程圍巖松動(dòng)圈范圍確定及變形破壞機(jī)理［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，51（6）：839-845.

［2］吳真瑋，楊仕恒，姜洪亮，等.鋼帶-錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在軟巖隧道中的受力特性研究［J］.西部交通科技，2023（6）：105-108.

［3］向武松.軟弱圍巖隧道噴錨支護(hù)開(kāi)挖時(shí)的圍巖穩(wěn)定性分析［J］.中國(guó)公路，2022（5）：96-97.

［4］李波波，王忠暉，任崇鴻，等.水-力耦合下煤巖力學(xué)特性及損傷本構(gòu)模型研究［J］.巖土力學(xué)，2021，42（2）：315-323，332.

［5］張信貴，易念平.南寧盆地泥巖特性與工程樁基失效探析［J］.巖土力學(xué)，2006（S2）：1 273-1 276.

［6］方瑾瑾，楊小林，馮以鑫.原狀膨脹土的三向膨脹力變化特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023，42（S01）：3 722-3 730.

［7］王淑英，周富華，鐘守賓.寨任路炭質(zhì)泥巖邊坡穩(wěn)定性研究及防治措施［J］.廣西交通科技，2003（2）：42-45.

［8］楊永紅，呂大偉.高速公路碳質(zhì)頁(yè)巖高邊坡加固處治研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（2）：392-398.

［9］劉子昂，滿 立，別江波.貴州六盤水炭質(zhì)泥巖工程特性研究［J］.巖土工程技術(shù)，2014，28（1）：51-55.

［10］郭兵兵，陳國(guó)祥.煤礦軟巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水量關(guān)系試驗(yàn)研究［J］，煤礦安全，2013，44（12）：4-7.

［11］馬福榮，張信貴，麻榮廣.南寧盆地軟硬水平互層泥巖強(qiáng)度特性分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，37（1）：147-151.

［12］韓常領(lǐng)，姚鐵峰，徐英俊，等.高地應(yīng)力隧道軟巖大變形控制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.西部交通科技，2020（11）：129-132.

作者簡(jiǎn)介：梁 靖（1991—），碩士，工程師，主要從事施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、隧道工程管理工作。