炭质板岩地层隧道施工要点及大变形防治措施探析

炭质板岩地层隧道施工要点及大变形防治措施探析
摘要：我国地形具有构件复杂、地质多变的特点，这就导致在隧道工程建设环
节隧道围岩建设工艺较复杂。

隧道围岩性质的复杂增加了板岩隧道变形风险概率，特别是在碳质板岩地层隧道建设过程中。

本文针对某隧道碳质板岩隧道初期支护
变形情况，结合碳质板岩地层隧道施工要点，对碳质板岩地层隧道变形期间地质
特性及变形机理进行了简单的分析，并提出了几点变形控制措施。

关键词：炭质板岩；地层隧道施工；大变形防治
前言：
某地层隧道建设区域地质为碳质板岩。

在实际设计中主要采取分离式管理措施，即在该隧道左线进出口里程分别为ZK234+610、ZK237+400，总长度2790.0m；而该隧道右线进出口里程分别为YK234+570、YK237+418,总长度为2848.0m。

在此地层隧道支护工程中主要采用C25喷射砼，二次衬砌、仰拱为C30砼。

左右施工
线路长度分别为1990m、2030m，整体隧道内围岩等级为V级。

本文对该隧道施
工环节施工要点及变形缝防控措施进行了简单的分析，具体如下：
一、碳质板岩地层隧道施工变形风险
1、开挖后成形效率不佳
在碳质板岩地层隧道爆破环节，初期开挖工作完成后，整体隧道成型效果较佳。

但是在长时间的运行中，隧道围岩会受到外界环境的不利影响，并逐渐出现
开挖围岩掉块、崩塌。

特别是在围岩裂缝水含量较丰富的区域，会出现较大面积
的隧道解体情况。

2、初期支护后变形风险较大
在碳质板岩地层隧道初期支护工作完成后，其前期及累计变形量较大，其具
有较短的收敛幅度。

在实际勘测过程中，碳质板岩地层隧道初期支护最大变形速
率可达到21.69mm/d，而最大累计变形量可在436.54Yim以上。

当碳质板岩地层
隧道变形量达到一个固定数值之后，相应碳质板岩地层隧道表层就会出现裂缝情况，且随着变形程度的加剧，在不采取加固措施的情况下就会出现严重的拱架变形、挠曲情况，甚至会出现整体初期支护结构坍塌。

3、围岩遇水强度下降幅度大
由于自身性质的影响，碳质板岩在与水接触之后，会出现岩体膨胀崩塌解体。

随之出现大幅度的强度下滑。

若在实际施工过程中，在水分子含量较大的掌子面
开挖工序，开挖后隧道围岩会出现较长时间的掉落情况，而在长时间的掉落过程中，隧道顶部围岩会形成一个较大面积的松动土层，最终出现大面积地层崩塌情况。

二、碳质板岩地层隧道变形控制措施
1、工程概况
某隧道位于地槽褶皱系的中支秦岭海西-印支褶皱带。

其整体构造线主要为东
西-近东西南凸，为弧形展布。

在该地层隧道工程施工过程中，区域褶皱带地块活
动较剧烈，其呈断层发育趋势。

再加上该区域内地层构造较复杂，地层隧道建设
区域下部具有多种复杂的地质构造，主要为二迭系粉砂岩、压碎岩、炭质板岩强
风化及中风化风化带。

在该地层隧道施工过程中，通过进口掘进分析，发现该区
域地层围岩为强风化性质的炭质板岩，同时局部分布有断层压碎岩[1]。

而由于区
域节理岩体呈破碎状发育，其整体地层隧道建设区域岩体主要为局部粉砂状+碎
石角砾状，而风化程度严重的地质构造，也导致施工环节部分区域出现地下水渗
漏情况。

而地下水的长时间侵蚀下，该区域地层隧道拱部出现变形情况，且边墙
溜坍频率较大，同时也出现了较为严重的初期支护局部段落变形情况。

2、碳质板岩隧道开挖前期准备
在该碳质板岩隧道开挖前期，除了必要的支护设施工艺布设之外，还需要对
整体碳质板岩地层隧道开挖环节地层变形风险因素进行适当分析。

首先依据斜井
开挖进口掘进地层分析，可确定该碳质板岩地层隧道施工区域内为薄层状的结构，薄层厚度在6-28cm之间。

且整体围岩破碎程度较大，在开挖爆破措施实施之后
整体隧道围岩区域应力出现了重新排布情况。

而由于外部裸露围岩大面积松动土
层的存在，整体岩体层间具有较小的摩擦阻力，这种情况下重力、地表应力就成
为表层岩体下落的主要作用力。

而在表层岩体长时间掉落过程中，其自身应力也
出现了重新排布情况，最终形成了更大面积的土层松动情况。

其次由于碳质板岩
具有软质岩体的性质，其与水接触后会出现大幅度的强度下降，最终导致整体岩
层开挖不稳定风险较大[2]。

最后通过对隧道褶皱构造分析，可得出该隧道围岩布
设期间，一定深度处地应力大小。

而在获得该施工区域内地层应力方向及其变化
趋势之后，可发现在该区域地层隧道建设过程中，较高的地应力促使隧道围岩塑
性流动、膨胀变形概率较大。

3、碳质板岩地层隧道开挖措施
依据以上碳质板岩地层隧道开挖阶段变形风险分析，在实际碳质板岩地层隧
道开挖阶段，可采取超前支护的模式。

即通过超前小导管预支付措施，为拱部变
形风险较大的位置提供一个反向应力，从而保证在开挖爆破后，隧道围岩变形情
况的有效控制，也可以避免隧道顶部围岩不稳定地层松动区域的持续拓展。

在具
体的隧道地层开挖环节，可在控制爆破方法的基础上，结合台阶法，逐步提升隧
道围岩自身负荷承载力，降低开挖爆破对围岩表层地质稳定性的不利影响。

在实
际开挖前期，依据本工程实际地质情况，可确定具体的布眼位置及爆破药物剂量。

同时在台阶设置环节应控制台阶长度在5.1-6.9m之间，其中上部台阶高度应在
3.1-3.5m之间，而台阶循环进尺长度为1-1.9m之间，从而避免台阶过长对整体施工效果的影响。

需要注意的是，由于台阶开挖具有导线超前的效果，因此在实际
台阶开挖方法应用过程中，应综合考虑围岩应力变化及围岩变形历史趋势，保证
台阶开挖过程安全稳定进行。

4、碳质板岩地层隧道支护施工要点
基于高地表应力的碳质板岩变形量大、变形时期长的特点，在初期支护过程
中可选择两次加固施工。

首先在工程开挖完毕后采取C25喷射砼支护的方式，整
体喷射层厚度为18cm；随后在施工应力释放一定时期后，可选择补打系统锚杆
的设置，结合钢筋网的设置，进行追加喷施措施，整体喷射层厚度为9cm。

首先
在隧道开挖工程后应第一时间进行初期支护作业，合理的初期支护布设可以控制
不稳定围岩区域继续恶化。

而通过初期支护作用力的提供，可以促使整体隧道围
岩应力状态转换为三维模式，最终促使整体承载应力得到有效的提升。

本文工程
初期支护方案为C25喷射砼支护，在初期支护作业完毕后需要进行8个小时的稳
定维护时间。

同时在初期支护环节，可根据具体工程情况适当降低系统锚杆的设置。

如在台阶拱架锁脚锚杆设置过程中，需控制区域拱架锚杆数量在6个以上，
且锚杆程度在3.0m左右，在台阶拱桥中点位置进行合理设置[3]。

此外，在下部
台阶开挖时期，应加大对上部台阶、下部台阶拱架的固定强度。

即在上台阶混凝
土回弹污渍清除之后，采用钢筋网片将上部台阶、下部台阶进行有效连接。

总结：
综上所述，碳质板岩地层隧道，具有地层遇水强度下降幅度大、地层隧道变形程度大的特点。

因此在碳质板岩地层隧道建设过程中，相应施工人员应结合区域地质勘测情况，对整体区域地质变形因素进行统一分析。

在确定隧洞开挖环节变形产生机制后，可在具体施工环节从隧洞开挖、支护设置等方面进行变形控制措施实施，从而保证整体地层隧道施工环节安全、稳定进行。

参考文献
[1]傅璇. 炭质板岩地层隧道施工要点及变形防治措施探讨[J]. 中华建设,
2017(12):152-153.
[2]孙振川, 陈建立. 引松供水工程岩溶及软弱破碎地层敞开式TBM施工技术[J]. 隧道建设, 2017, 37(2):215-222.
[3]苏道振, 骆建军. 大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2016(a02):4029-4039.。