全风化千枚岩围岩

全～强风化千枚岩围岩双连拱隧道变形控制1引言近年来，随着国家对交通基础建设投入不断加大，各地建设项目陆续展开，施工单位在建设实践过程中积累了很多经验，在常规地质条件下，双向六车道双连拱隧道施工技术日益成熟，而对于处在全风化千枚岩、滑坡体上、地表水丰富等特殊地质、水文条件下的双连拱隧道，若按照常规方法施工，工序复杂并且施工安全风险极大，严重影响工期和成本控制，因此完善特殊地质条件下双连拱隧道的施工工艺，对缩短工期、节约建设投资和确保隧道施工安全具有非常重要的实际意义。本文借助西北地区市政隧道的施工作为平台，对全风化千枚岩隧道变形控制技术作简要介绍。2工程概况

香溪洞隧道是安康市环城主干道控制性工程。该隧道属双向六车道双连拱隧道，全长190米，最大埋深28m，开挖高度9.818m，宽度达33.834m，隧道围岩为Ⅴ级全风化千枚岩围岩，隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌。中墙采用曲中墙形式。隧址区属于低谷~丘陵地带，该隧道构成场地的地层由下志留统的千枚岩组成，全风化千枚岩呈灰黄色、极破碎、呈土状、性软、无自稳能力、物理力学性能差，用手可轻易捏成碎沫，冲击可钻进，镐锹能直接开挖，风化节理裂隙十分发育。施工揭示围岩均为全风化千枚岩，无自稳能力，强度受含水量影响变化大。隧道地质地形条件十分复杂：跨度大、埋深浅、偏压严重，且隧道位于滑坡体上。3变形情况中导洞开挖后收敛变形非常大，围岩初期支护后在开始观测的30天内没有出现稳定迹象，收敛和沉降累计值均达到30cm以上，导致施工难度和安全风险很大。正洞开挖时，由于变形过大，很容易就侵入了设计净空，经观测正洞10天累计值最大沉降达到435.26mm，收敛值达到466mm。洞身开挖支护后，当天即达到5cm左右，15天内的变形量很大，变形速率较稳定，随着时间的推移，变形速率会相应减小，但累计变形值越来越大，无稳定迹象，开挖预留变形量为50cm。根据施工情况来看,一般来说15天内不进行二次衬砌施工，初期支护即有侵入设计净空的风险，累计变形量非常大。因山体滑移的推挤作用，靠山侧的左侧壁导坑开挖后，立即在拱腰和拱脚位置采用I20a纵向按50cm间距进行横向临时支撑，按原设计进行支护时，强大的压力会造成横向支撑全部压弯，初期支护喷射混凝土会出现掉块现象，以及拱架与喷射混凝土产生开裂，甚至出现分离现象，特别是在阴雨天尤为严重。中导洞断面调整前后中导洞变形后上下两排临时支撑，下排已压弯相应的变形量对比4全风化千枚岩的特性分析

全风化千枚岩按坚硬程度划分属极软岩，岩体基本质量等级为V级，具细粒鳞片变晶结构，千枚状构造，上部为灰黄色，下部为青灰色，性软，用手捏极易成碎末。含水量大时呈团块状，含水量少时为鳞片状，失水后变成粉末状，片理极其发育，层厚0.01~2mm，岩体完整性指数=0.14，岩体属极破碎，片理面手感光滑，有丝绢光泽。千枚岩属副变质岩，主要由沉积岩中的页岩经区域变质作用形成，主要矿物成分是绢云母、石英、绿泥石等，基本已全部重结晶，软弱矿物成分较多，因而千枚岩硬度小，单轴抗压强度小于1MPa，膨胀率13%以上，围岩暴露后风化非常迅速。挤压紧密的炭质千枚岩层具有弱透水性。开挖后呈碎石、角砾状，掌子面无明显渗水，但开挖后有渗漏水、滴状及面状淋湿，拱部有掉块、坍塌现象。围岩整体稳定性较差。4全风化千枚岩的特性分析

综上所述，全风化千枚岩有三大工程特性：①抗压强度低，属极软岩，岩体破碎，力学性能极差，很容易失稳，易发生滑移；②节理裂隙发育，易风化，遇水泥化，多沿裂隙面形成泥化夹层，有膨胀性，失水成粉末状，丧失强度，整体性差；③弱透水性。有临空面即易失稳和滑移极软，风镐即可开挖围岩整体性差易造成掉块易风化，失水成粉末1）全风化千枚岩围岩整体性差，无自稳能力，开挖后，风化迅速，松动区迅速扩大，塑性区很大，对围岩原有结构的破坏很大，丧失原有强度和承载力，隧道周边岩体失去原有支撑，径向应力降低，围岩向洞内位移，产生相互挤压，切向应力升高，局部可能会产生拉应力，围岩应力状态会迅速恶化，对支护形成很大压力，在很短的时间内即出现大变形，若不采取有效措施加以抑制，则造成围岩松弛卸载，极易产生坍塌掉块。由于塑性区扩展迅速，应力快速释放，非常容易造成应力集中破坏支护承力结构，造成支护变形、开裂、直至破坏，危害性非常大。开挖后塑性区发展快、范围大，无法达到新奥法施工所倡导的充分发挥围岩的自承能力。5变形原因分析、变形特征及规律5.1变形原因分析2）全风化千枚岩遇水即泥化，丧失自稳能力，地表降水后滑坡体蠕动加剧，加之遇水围岩自稳能力变差，初期支护变形会迅速加剧。据国外资料介绍，当覆盖层厚度与隧道内径比小于0.6时，地表可能会随着隧道拱顶一起下沉，产生急剧的较大的变形量。3）处在滑坡体上也是发生大变形的主要影响因素，由于隧道走向设计为沿山体坡脚平行于山脊走向，且全风化千枚岩一旦有临空面即风化和蠕变迅速，开挖坡脚引起蠕变造成本是倾倒体的山坡滑坡复活。5.1变形原因分析5变形原因分析、变形特征及规律特殊地质条件下全风化千枚岩隧道变形，具有变形量大、变形速率高、变形持续时间长的变形特征。变形过程中，以徐变为主要特征，一般不会出现突然坍塌现象。发生的变形主要是塑性和流变性变形，开挖后应力重分布持续时间长，变形收敛持续时间也很长，一般在2~4个月左右。换拱后的初支，由于围岩应力已得到了充分释放，一般较为稳定，再次产生的变形量也较小。5.2变形特征及规律5变形原因分析、变形特征及规律6控制变形的措施针对出现大变形的情况和变形发展的规律，我们在原设计的基础上采取了一系列措施，通过减小围岩压力、增强围岩自稳和承载能力、优化开挖方案、提高初期支护强度等手段来成功的控制住了围岩的有害变形，确保了施工安全和工期，总之，控制隧道收敛应以“新奥法”基本原理为依据，隧道施工过程中，应遵循“少扰动、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则，具体措施有：（1）少扰动（2）短进尺（3）强支护（4）快封闭（5）勤量测（6）抗偏压6.1控制隧道收敛的施工措施（1）少扰动开挖过程中，应尽量减少对围岩的扰动，缩小松动圈和塑性区，降低地应力作用影响，达到充分保护围岩结构发挥围岩自承能力的目的。从开挖方法选取上，为安全起见，减小掌子面的临空面，我们采用环形开挖预留核心土的方法开挖，有利于掌子面围岩稳定，防止因暴露时间过长，出现失稳。因围岩是全风化容易开挖，全部使用人工掏槽，初期支护完成后，核心土才降为台阶，台阶高度控制在能为下一循环开挖留够施做空间即可，初期支护应立即施作紧跟掌子面，控制围岩因卸载产生的位移变形，提高施工效率。开挖时同一循环内减少开挖次数：侧壁导坑采取两台阶法开挖，正洞采用三台阶法施工，根据现场验证，台阶长度控制在3m左右比较合适，能够保证核心土体稳定，这样既可以保证初期支护闭合成环时间最短又能确保掌子面核心土体稳定，确保了安全，简化了施工工序，避免了“微台阶法”的多步序开挖，初期支护最快时间封闭成环，增强围岩的整体性，约束围岩产生有害变形和局部破坏，使初期支护和围岩成为一个强力的承重整体，发挥最佳的支护效能。6.1控制隧道收敛的施工措施分台阶环形开挖临时横向支撑预留核心土

稳固掌子面围岩，有效控制收敛核心土上的竖向临时支撑环形开挖预留核心土（2）短进尺控制围岩变形重要手段之一，就是控制支护结构封闭成环的时间，避免围岩长时间暴露和失稳。施工过程中通过控制台阶长度和二次衬砌至掌子面距离来实现。从开挖进尺控制上，每次只开挖0.7m即两榀拱架的间距，减小了每循环进尺，缩短工序转换时间，从而缩短围岩暴露时间。6.1控制隧道收敛的施工措施控制二衬距离掌子面距离未拆除的中导洞已施工的二衬缩短循环进尺至每循环进尺0.5米二次衬砌最小缩短至3米每循环，以达到紧跟掌子面的目的（3）强支护增设临时横支撑和竖支撑提高钢拱架型钢规格，缩短每循环支护间距，采用双层、双排支护加密连接钢筋或拱架内外双层连接使用长锚杆钢纤维混凝土和双层钢筋网超前小导管或大管棚进行注浆预加固临时仰拱或临时横、竖支撑，对初期支护进行加强初期支护完成后，可对周边围岩进行注浆加固，填充支护与围岩之间和围岩松弛产生的空隙，提高整体承重能力。该隧道正洞浅埋段初期支护加强后，收敛和沉降由原来的最大值达到50cm以上，到控制在20cm以内即基本稳定6.1控制隧道收敛的施工措施双层超前小导管进行强支护临时横撑进行强支护上下两层小导管6.1控制隧道收敛的施工措施项目原设计断面支护参数加强支护参数钢拱永久支护采用I22b型工字钢，临时支护采用I20a型工字钢，钢拱间距@=75cm。永久支护采用I22b型工字钢，临时支护采用I22a型工字钢，钢拱间距@=50cm。C25喷射砼永久支护砼厚28cm，临时支护砼厚15cm。永久支护砼厚28cm，临时支护砼厚26cm。￠8×20×20钢筋网片单层钢筋网片。双层钢筋网片。锁脚锚杆每榀钢拱每侧施作两根锁脚锚杆,单根长300cm。每榀钢拱每侧施作两根锁脚小导管，单根长500cm。Φ22砂浆锚杆拱部永久支护拱部锚杆间距100cm×50cm，单根长460cm，伸入拱架内缘60cm,呈梅花型布置。拱部永久支护拱部锚杆间距100cm×50cm，单根长460cm，伸入拱架内缘60cm,呈梅花型布置。Φ20连接钢筋间距150cm。间距150cm。Φ50×5径向小导管无每榀钢拱增加注浆型径向小导管，环向间距为150cm，单根长500cm，梅花型布置。Φ50×5超前小导管无增加注浆小导管，每250cm施作一环，单根长500cm，环向间距30cm。支护加强前后Ⅴ级围岩段支护参数对比表（4）快封闭开挖轮廓面：初喷能确保3小时内掌子面和周边围岩不会失稳和风化掉块，为初支施工争取时间（失水收缩变形，围岩掉块或坍塌）钢拱架：紧贴围岩(控制围岩变形，防止围岩卸载和松弛)“快封闭”：初支完成要快，仰拱紧跟，必要时增加临时仰拱，快速闭合成环（5）勤量测量测是指导隧道施工的关键，特别是大变形隧道，根据量测情况，才能更真实的摸索出围岩特性和变形规律，才能有针对性的指导初支和二衬施工，确定具体可行的施工方案。阴雨天和支护初期及变形异常时应该加大频率，配备专门的量测小组，量测数据及时群发至各级管理人员的手机上，发挥联动作用6.1控制隧道收敛的施工措施（6）抗偏压（偏压严重造成围岩应力收敛明显增大）①在隧道右侧即山体坡脚一侧进行反压回填，在隧道进口洞门左右两侧设置抗滑挡墙，洞门墙也按抗滑挡墙设计。反压回填材料采用碎石土等力学性能较好的材料，压实度不低于90%，回填后坡比在1：4.5至1：5之间。②对隧道周边围岩进行注浆加固处理，注浆范围：浆液向下扩散至隧道底部以下2m，向隧道正洞左右两侧扩散10m，钻孔孔距为2x2m，梅花形布置，注浆压力2Mpa，以提高不良围岩的稳定性和断裂带的抗滑能力。在偏压侧，还可考虑增设或加密超前大管棚。③施工中力求中隔墙顶部回填密实，对中隔墙上部围岩进行重点注浆加固处理，以提高隧道支护结构的抗力作用。中隔墙浇注时，顶部应预埋注浆管，中隔墙施工完毕后，对顶部与岩体交界处进行注浆填塞密实，防止顶部围岩脱空。6.1控制隧道收敛的施工措施④隧道地表防排水处理，做好坡面排水工作，重点放在山体裂缝和断裂带附近，防止地表水通过该薄弱部位渗入地下，进入隧道，达到稳定山体围岩和隧道支护结构安全的目的。⑤根据有关文献，施工工序不管如何调整，中隔墙都要受到偏压荷载的作用，向埋深较浅的一侧倾斜，同时，研究表明，先开挖埋深较深一侧时，中隔墙受力和倾斜较小，优于采用先开挖埋深较浅一侧的施工顺序。在实际施工过程中，我们先开挖了埋深较深的左洞，后开挖了埋深较浅的右洞，左右洞施工间距应达到2~3倍的洞径以上才能在施工过程中不互相影响，更有利于隧道的整体结构稳定。除此之外，在正洞施工时，在隧道相互影响较大的2~3倍洞径范围内，对中隔墙左右两侧均采用20cm直径原木和工20的工字钢以1米为间距进行了上中下三层横向支撑，并在埋深较浅一侧进行了加密支撑。⑥在中隔墙顶部和底部设置竖向抗倾覆锚杆，底部采用Φ22早强砂浆锚杆L=4m，顶部L=5m，@=100x75，锚杆均埋入中隔墙60cm，以提高中隔墙与上下岩体交界处的抗剪能力，保证中隔墙在围岩多次扰动应力重分布过程的稳定性。6.2控制隧道沉降的施工措施（1）开挖方案、步距、预留变形量。三导洞的施工方法进行施工，开挖后各步序中均能达到快速封闭成环的目的，缓解了施工过程中的沉降的累积效应，对控制沉降起到至关重要的作用。在正洞开挖时，台阶总长度控制在6m左右，二次衬砌至掌子面距离不超过12m（两个衬砌循环）。为了保证掌子面围岩稳定性、防止沉降过大而坍塌和向外涌土，采用微台阶法反压掌子面，上台阶预留核心土，对核心土注浆加固和喷锚封闭，还增加竖向临时支撑。在充分考虑围岩变形速率，结合实际施工循环时间的基础上，将预留变形量在25～50cm之间适时进行调整，防止因沉降过大而侵入设计净空造成返工等不良后果。6.2控制隧道沉降的施工措施（2）临时仰拱、临时支撑及时施作仰拱和施工过程中增设临时仰拱。侧壁导洞超前于正洞施工，侧壁导坑开挖范围内的仰拱和正洞边墙基础也要紧跟侧壁导坑开挖掌子面施工。若侧壁导坑沉降和收敛变形过大，还应考虑在侧壁导坑上下台阶法开挖时，增加临时仰拱和横向支撑，抑制隧道变形。仰拱施工时，拱底松碴应注意清理干净，由于侧壁导坑施工空间狭小且横撑较多，施工困难，这项工作往往做不到位,但从抑制隧道沉降变形来讲不容忽视。6.2控制隧道沉降的施工措施（3）稳固基础。确保拱脚稳固，拱脚处加混凝土预制块垫脚，用喷射混凝土喷实封死，保证拱脚坐实，同时加打锁脚、锁腰小导管，限制拱架位移。分部开挖时，上部开挖后也要垫设临时垫块，同时施工锁腰锚杆起到临时锁脚作用。提高隧底承载能力。拱底注浆加固，加打竖向锚杆，采用Φ22早强砂浆锚杆，锚头埋入仰拱内并与拱架焊接牢固，改善软弱基底承载能力从而提高隧道底部支撑能力。6.3隧道变形控制的原则上述措施，有效的控制、抑制了围岩的有害变形，最终实现了确保施工安全和促进施工进度的目的。总之，对隧道变形控制