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不同工法在炭质片岩隧道大变形控制中的应用研究不同工法在炭质片岩隧道大变形控制中的应用研究王兴彬（中铁隧道集团一处有限公司，重庆401123）摘要：

隧道施工工法在控制位移变形、资源投入、工程进度、施工成本以及保证施工和结构安全等方面有着重要的作用。

为解决炭质片岩隧道修建过程中存在的大变形、坍塌、初期支护及二次衬砌开裂等问题，以谷竹高速公路宴家隧道、关垭子隧道为例，对复杂地质条件下，含绢云母炭质片岩隧道施工工法的适用性进行了研究。

通过对软岩隧道施工工法进行分析，并结合工程的地质特征和隧道的断面大小对施工工法进行了优选，经过现场实际验证，说明三台阶法、CRD法、双侧壁导坑法能有效控制围岩大变形，且控制能力依次增强，另外超前预支护对预防隧道坍塌有显著的安全保障作用。

关键词：

炭质片岩隧道；施工工法；三台阶法；CRD法；双侧壁导坑法；隧道大变形0引言炭质片岩属于软岩的一种，具有一般软岩的特性，由于其组分、结构、构造和内部应力分布等较为复杂，所以其大变形机理比较特殊，大变形的情况比较严重。

康勇等［1］对深埋隧道围岩的损伤破坏模式进行了数值模拟研究，揭示了深埋隧道围岩破坏的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力、岩体纵波波速等因素的变化特性；陈海锋［2］对炭质片岩隧道变形信息化控制技术进行了研究，说明了炭质片岩隧道的变形具有随机性、突发性、持续性和不可预见性的特点，炭质片岩隧道的大变形给施工安全和结构安全构成了较大的威胁。

蔚等［3］对宜万铁路施工中14座隧道发生的21次变形原因进行了分析，结果表明：

不良地质、开挖方法、辅助工法、初期支护及时性和监控量测信息反馈是影响变形的主要原因，控制软岩隧道的大变形，除对支护结构采取加强措施外，施工方法和施工工艺对控制大变形有很重要的作用。

近年来，对软岩隧道施工工法的研究与探索从未间断，目前形成了全断面法、台阶法、三台阶法、单侧壁导坑法、CRD法、双侧壁导坑法等工法。

徐勇等［4］提出，铁路双线软岩隧道采用大拱脚台阶法是最安全、经济的；蔡路军等［5］认为三台阶七步法能很好地控制炭质片岩隧道的大变形；江贵［6］在爆破方法对炭质片岩隧道稳定影响方面进行了研究，提出了有利于开挖稳定的分区设置爆破参数方案。

这些工法研究大多是针对某一项、某一种工法进行的分析、论证和总结，对于复杂地质条件下的炭质片岩隧道，系统的进行工法选择的研究比较少，这包括大断面的分割、支护体系的转换、支护的时机与步序、挖掘的方式、辅助措施等。

以谷竹高速公路宴家隧道和关垭子隧道为例，对不同地质条件下炭质片岩隧道的工法选择和相应的施工技术措施进行了研究，提出了炭质片岩隧道工法选择的依据、抑制大变形和预防坍塌的辅助措施，可为类似工程提供借鉴。

1工程概况1．1设计概况谷竹高速公路宴家隧道位于竹溪县境内，为分离式小净距隧道。

隧道长1085m（左洞ZK226＋712～ZK227＋797，右洞YK226＋718～YK227＋803），右洞最大埋深134m。

关垭子隧道长1628m（左洞ZK227＋945～ZK229＋573.587，右洞YK227＋945～YK229＋571.587），最大埋深约170m，左右洞净距25～32m。

2座隧道洞身位于同一岩层，所涉及的地层主要为志留系，隧址位于向斜翼部，整体产状为单斜，斜向北东，产状为27°～40°∠34°～36°。

围岩为强风化—中风化炭质片岩，强度低，岩体破碎，节理裂隙发育，遇水极易软化。

炭质片岩单轴抗压强度RC为2.5～19.5MPa，属于软岩区，隧道极可能产生大变形。

2座隧道的设计工法均为上下台阶法开挖。

1．2施工揭露围岩宴家隧道和关垭子隧道揭露地质均为炭质片岩，绢云母含量较高，手摸有滑腻感，层间夹杂有大量的弱胶结矿物，节理十分发育，暴露后强度衰减较快，围岩揭露遇空气具有膨胀、疏松，遇水软化的特点，开挖后基本无自稳能力，若支护措施不当或不及时，极易发生塌方。

1．3工程大变形情况隧道施工按设计要求采用台阶法开挖，但施工过程中初期支护变形严重，宴家隧道YK226＋911～YK227＋154多处发生开裂、表层剥落、钢支撑外鼓、扭曲等现象，初支变形最大值达到60cm，初期支护变形及开裂情况见图1［7］；关垭子隧道ZK228＋050～＋165处，初期支护30d后变形仍不收敛，甚至随着开挖的扰动变形有加速发展的趋势，开挖后变形曲线见图2［8］。

另外宴家隧道开挖过程中YK226＋954～＋926处围岩掉块严重，甚至坍塌，坍腔长12m，高7m［9］。

宴家隧道进口处Ⅳ级围岩地段仰拱隆起达31cm，长度达240m，两侧排水沟内的钢花管被挤压破坏，二次衬砌开裂及剥落段长度达180m，线路左侧（中夹岩部分）二次衬砌变形侵入设计轮廓线。

图1宴家隧道初期支护变形及开裂情况

Fig．1DeformationandcracksofprimarysupportofYanjiaTunnel图2关垭子隧道初期支护后的收敛及沉降变形累计曲线（2013年）

Fig．2CurvesofconvergenceandsettlementofGuanyaziTunnelafterprimarysupporting（in2013）2大变形原因分析2．1围岩软弱1）隧道围岩主要为经泥岩变质而来的绢云母，伊利石、绿泥石（泥质）含量之和超过25%，天然单轴抗压强度为10．1～10．45MPa，饱和单轴抗压强度RC为5．74～7．89MPa，属于低强度围岩。

2）测试围岩最大主应力σmax为5．29MPa，则RC／σmax＝1．085～1．491＜4，属于极高地应力范围，最大主应力与隧道轴线大角度相交。

3）围岩还具有可塑性、弱膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。

4）区域地质构造较为强烈，为复式褶皱挤压和揉皱围岩。

5）节理裂隙较为发育，地下水发育段围岩进一步软化，变形加剧。

2．2施工方法和支护时机不当1）施工工法采用上下台阶法，台阶长度30～50m，不能及时封闭成环，不利于围岩稳定；2）一次开挖断面过大，围岩成洞及支护抗力削弱；3）多次爆破扰动使围岩变形产生突变；4）支护时机不当可直接导致大变形和坍塌。

2．3支护形式和参数炭质片岩Ⅳ级围岩段采用间距1m的I16工字钢架，喷厚20cm的混凝土，不设置仰拱，支护强度显然偏弱，不足以抵抗外压，且对底板隆起无抵御性。

3施工工法选择参照高地应力、炭质页岩、炭质千枚岩、炭质板岩、膨胀岩、千枚岩等工程地质类似的隧道工程施工工法，选取全断面法、三台阶法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步预留核心土法、CD法、CRD法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法等8种工法进行了研究，各施工工法的优缺点及适用性见表1。

结合隧道围岩情况，对于炭质片岩软岩类隧道，确定较为合理的工法为：

三台阶临时仰拱法［10］、CRD法［11］和双侧壁导坑法［12］。

表1各施工工法的优缺点及其适用性

Table1Advantages，disadvantagesandapplicablerangesofeveryconstructionmethod优点缺点适用范围全断面法作业空间大，利于机械化施工；工序少，施工速度快施工方法需严格控制爆破作业，掌子面的稳定性差Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩及对掌子面采取稳定措施后的Ⅳ、Ⅴ级围岩三台阶法灵活多变，适用性强；作业空间大、施工速度快；利于开挖面的稳定三台阶临时仰拱法有利于控制拱部水平变形；作业空间大，利于大型设备施工临近台阶作业相互干扰，台阶开挖增加了对围岩的扰动次数增加了台阶支护工序，下台阶的施工有一定的空间限制节理发育的Ⅱ、Ⅲ级围岩；无水、有一定自稳能力的Ⅳ和Ⅴ级围岩Ⅳ、Ⅴ级围岩；有一定自稳能力、围岩压力较大、水平变形较大的围岩开挖断面100～180m2且具有一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩，以及对围岩变形要求高的情况CD法施工安全度较高，控制地表变形效果好三台阶七步预留核心土法工序多、工序间相互影响；施工相对安全，有利于掌子面的稳定；成本低预留的核心土对施工有影响，对突发事件应对能力较差，须加强地质超前预报及监测力度工序多，工序间相互影响，效率低、速度慢偏压地层、埋深大于1．5倍洞跨的软弱围岩地层CRD法利于控制拱顶沉降和地表变形工序多、工序间相互影响；临时支撑多，难以实现机械化施工，临时支撑拆除过程中受力体系转换对地表沉降有控制要求、埋深不大于1.5倍洞跨的软弱围岩以及显著偏压的地层单侧壁导坑法利于控制拱顶沉降和地表变形；单侧导坑先行的方法有利于探明掌子面前方的地质情况工序多，全断面闭环时间长，临时支撑拆除过程中受力体系转换适用于围岩较差、跨度大、埋深浅、地表沉降需要控制的地段和小净距隧道双侧壁导坑法每个分块都是在开挖后立即各自封闭，施工安全，对变形控制能力较强分块多，扰动次数多，速度慢，成本高，临时支撑拆除过程中受力体系转换适用于浅埋大跨度隧道及地表下沉量要求严格且围岩条件很差的地段4工程施工4．1三台阶临时仰拱法在宴家隧道左洞ZK227＋539～＋757、右洞YK227＋539～＋743位置采用三台阶临时仰拱法施工，开挖断面为12．62m×9．79m。

该处围岩为中—强风化炭质片岩，岩体较破碎，节理裂隙较发育；地下水呈点滴状出露，局部地段滴水成线；属于Ⅳ级围岩。

4．1．1施工方法及主要技术参数采用42注浆小导管进行超前支护；微台阶开挖，上台阶长3～5m，中台阶长5～7m，下台阶长25～30m，上台阶设临时仰拱；下台阶与仰拱同时开挖、同时进行初期支护，仰拱二次衬砌距开挖面50m以内。

三台阶临时仰拱法施工示意图及现场图见图3，主要技术参数见表2。

图3三台阶临时仰拱法施工示意图及现场图

Fig．3Sketchdiagramandworkingsiteofthreebenchtemporaryinvertmethod表2三台阶临时仰拱法施工的主要技术参数

Table2Maintechnicalparametersofthreebenchtemporaryinvertmethod项目名称主要技术参数备注超前支护42超前小导管，间距25～30cm，长3．5m，搭接长度不小于1．5m围岩较破碎时可采用2层钢架采用I20b工字钢，间距0．8～1m围岩破碎时间距0．5～0．8m初期支护系统锚杆22药卷锚杆，长3．5m，间距80～100cm（纵）×120cm（环）围岩破碎时间距20～80cm（纵）×120cm（环），成孔较难时宜用R25自进式锚杆钢筋网8＠20×20cm钢筋网，2层喷混凝土C20喷射混凝土，厚26cm二次衬砌C25钢筋混凝土，厚50cm4．1．2变形分析大变形得到有效控制，该段没有出现支护开裂、围岩坍塌等现象。

ZK227＋590断面拱顶沉降曲线如图4所示，ZK227＋570断面下台阶水平收敛曲线，如图5所示。

根据监测数据，一般在开挖后20d开始趋于稳定，拱顶沉降一般为70～90mm，水平收敛一般为130～150mm，开挖后续单元时，前序单元变形速率增加。

图4ZK227＋590断面拱顶沉降

Fig．4TunnelcrowntopsettlementofcrosssectionZK227＋590图5ZK227＋570断面下台阶水平收敛

Fig．5HorizontalconvergenceofdownbenchofcrosssectionZK227＋5704．1．3主要加强措施主要采取的加强措施有：

1）上台阶设置临时仰拱闭合成环，有利于上部结构稳定；2）加密了超前小导管，有效防止围岩变形与坍落；3）下台阶与仰拱同时开挖与支护，实现快速闭环。

4．2CRD法在关垭子隧道左洞ZK229＋520～＋568、右洞YK229＋466～＋566洞口段采用CRD法施工，开挖断面为12．62m×9．79m。

隧道出口岩层为单斜地层，岩性为强风化绢云母炭质片岩，产状为65°∠25°，发育1组节理45°∠39°。

洞内水主要由地表降雨补给。

4．2．1施工方法及主要技术参数采用超前小导管支护；水平方向分2部分、上下分3层（也可分2层）开挖；循环进尺1榀拱架；上台阶长5～7m，先行侧上台阶可更长，可进行超前预报地质或提前导水；下台阶与仰拱同时开挖与支护；左右两侧纵向距离不宜小于1倍洞径；初期支护稳定后分段逐榀拆除中隔壁临时支护。

CRD施工方法示意图及现场图如图6所示，主要技术参数见表3。

图6CRD施工工法示意图及现场图

Fig．6SketchdiagramandworkingsiteofCRDmethod表3CRD法施工的主要技术参数

Table3MaintechnicalparametersofCRDmethod项目名称主要技术参数备注超前支护42超前小导管，间距25～30cm，长3．5m，搭接长度不小于1．5m围岩较破碎时可采用2层；涌水较大时可采用帷幕注浆加固围岩及堵水钢架主体采用I20b工字钢，中隔壁及横撑采用I16工字钢，间距0．8～1m围岩特别差、变形不易控制时，选用I22b初期支护系统锚杆22药卷锚杆，长3．5m，间距60cm（纵）×120cm（环）成孔较难时宜用R25自进式锚杆钢筋网8＠20×20cm钢筋网，2层喷混凝土C20喷射混凝土，厚26cm二次衬砌C25钢筋混凝土，厚50cm4．2．2变形分析在拱顶及先行、后行侧导坑设置测线监测，拱顶沉降及水平收敛曲线分别如图7和图8所示。

由监测结果可知：

变形控制较好，结构也较稳定。

拱顶沉降为40～50mm，先行侧水平收敛为40～60mm。

4．2．3主要加强措施通过左右分割和上下分层，使得断面跨径和高度都缩小一半，有利于控制变形，且中隔壁及横支撑可形成框架，约束围岩及支护变形。

图7ZK229＋530断面拱顶沉降

Fig．7TunnelcrowntopsettlementofcrosssectionZK229＋530图8ZK229＋530断面先行侧水平收敛

Fig．8HorizontalconvergenceoftopheadingofcrosssectionZK229＋5304．3双侧壁导坑法在宴家隧道左洞ZK227＋253～＋293、右洞YK227＋252．5～＋259．5为应急停车带，采用双侧壁导坑法施工，开挖断面为15．62m×10．61m。

围岩为中—强风化炭质片岩，岩体较破碎，节理裂隙较发育；地下水呈点滴状出露；属于Ⅳ级围岩。

4．3．1施工方法及支护参数拱部设置42注浆小导管超前支护。

导坑采用台阶法开挖，初期支护封闭成环。

先行导坑和后行导坑的间距为1～2倍的导洞洞径，中部开挖与后行导坑的间距为1倍洞径。

初期支护稳定后分段逐榀拆除临时支护，一般拆除长度为4～5m，必要时可在仰拱衬砌及填充完成后再拆除临时支护。

双侧壁导坑法施工示意图及现场图如图9所示，主要技术参数见表4。

4．3．2变形分析对先行导坑、后行导坑及拱顶设置测线监测，拱顶沉降及水平收敛曲线分别如图10和图11所示。

由监测结果可知，变形控制较好，结构也较稳定。

拱顶沉降为20～30mm，导坑水平收敛为20～30mm。

4．3．3主要加强措施设置双侧导坑，减小了开挖断面，利于稳定；超前支护有利于预防顶部围岩坍塌、变形。

图9双侧壁导坑施工工法示意图及现场图

Fig．9Sketchdiagramandworkingsiteofdoublesidedriftmethod表4双侧壁导坑法施工的主要技术参数

Table4Maintechnicalparametersofdoublesidedriftmethod项目名称主要技术参数备注超前支护42超前小导管，间距25～30cm，长3．5m，搭接长度不小于1．5m导坑及主体均施做超前小导管钢架主体采用I22b工字钢，导坑临时支撑采用I18工字钢，间距0．8～1m围岩特别差、变形不易控制时，间距可调整至0.6～0.8m初期支护系统锚杆22药卷锚杆，长3．5m，临时支护长2m，间距80～100cm（纵）×120cm（环）成孔较难时宜用R25自进式锚杆钢筋网8＠20×20cm钢筋网，2层喷混凝土C20喷射混凝土，厚28cm二次衬砌C25钢筋混凝土，厚50cm图10ZK227＋260断面拱顶沉降

Fig．10TunnelcrowntopsettlementofcrosssectionZK227＋260图11ZK227＋260断面导坑水平收敛

Fig．11HorizontalconvergenceofdriftofcrosssectionZK227＋2604．4工法运用效果分析对现场实施的3种方法对比分析发现，三台阶临时仰拱法、CRD法、双侧壁导坑法控制变形能力依次增强，功效依次降低，成本依次增高，围岩适应性依次增强，施工难度依次增大，大型机械施工适应性依次减弱。

4．5辅助措施1）采用微振非抛掷光面爆破，炭质片岩区与非炭质片岩区采用不同爆破参数［13］，严格控制爆破扰动。

2）拱部设置42注浆小导管超前支护，每单元拱架脚设置4根长4m的注浆锁脚锚管。

3）采用∠45×45角钢作为纵向连接，加厚钢架节点板（厚15～20mm），采用22高强弯形螺栓连接，钢架接头避开同一截面［14］。

4）初期支护背后回填注浆，防止脱空和密实松散围岩。

5）隧道开挖后应及时施作初期支护，仰拱初期支护应与下台阶同步完成。

5结论与体会1）采用三台阶临时仰拱法、CRD法、双侧壁导坑法等工法，辅以必要的超前预支护措施（如超前小导管、超前管棚、预注浆等）可以避免含绢云母炭质片岩的大变形和坍塌。

2）洞身中部宜采用三台阶临时仰拱法，洞口浅埋段及应急停车带宜采用CRD法或双侧壁导坑法，下台阶与仰拱宜同步开挖和支护。

3）对于软岩隧道，无论采用哪种工法都应坚持“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强基脚、早封闭、勤量测、严控水”的原则。

4）软弱围岩支护结构（含初期支护、二次衬砌）的拱墙与仰拱应等强度，临时支护与主体结构支护也应等强度。

另外应适度加强支护，初期支护宜采用不小于I20b的工字钢架，二次衬砌宜采用不小于50cm厚的C30钢筋混凝土。

预留变形量宜为15～20cm，钢架纵向连接宜采用角钢。

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