千枚岩隧道施工及常见地质病害防治技术

千枚岩隧道施工及常见地质病害防治技术摘要通过对主要为强、中风化千枚岩的关家隧道施工过程的研究，介绍了适用软弱围岩隧道的三台阶七步流水作业施工方法及其操作要点，同时对千枚岩隧道常见地质灾害成因及其防治技术进行了介绍，得出了千枚岩隧道必须严格按照新奥法“管超前、短进尺、弱爆破、勤量测、强支护、早封闭、快成环”的施工理念进行施工的结论。

关键词软岩；施工；防治中图分类号tu5 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2012）58-0134-041 工程概况关家隧道为国家高速公路十堰至天水联络线陕西境内的高速公路隧道，位于安康市汉滨区关家乡大田村三组至张滩镇响水村一组，呈曲线形展布，隧道总体轴线方向约为240°。

隧道分为左、右线，左线长2 540m，最大埋深约249.2m；右线长2547m，最大埋深约231.0m。

该隧道区属低山地貌，地形起伏较大。

隧道范围内中线高程430.1m~685.1m，最大高差约255m。

山体自然坡度20°~55°，植被较发育。

十堰端左、右线洞口均位于陡斜坡，山坡处于基本稳定状态；天水端洞口位于缓斜坡地段。

隧址区有张坝路及多条简易公路通过，交通条件较差。

2 地质工程特性2.1 地质描述千枚岩属于软岩的一种，但有其特殊的性质。

千枚岩是一种浅变质的岩石，是一种具有千枚状构造的岩石，属于区域变质浅变质带岩之一，是泥质、粉砂质或中酸性凝灰岩等岩石经过区域变质作用而形成，一般颜色较浅，为黄色、绿色、褐色或灰色，经过变质作用后，原岩中的物质大部分重结晶，生成石英、绢云母、绿泥石和石英，可含少量长石及碳质、铁质等物质。

有时含少量方解石、雏晶黑云母、黑硬绿泥石或锰铝榴石等变斑晶。

常为细粒鳞片变晶结构，粒度小于0.1mm，在片理面上常有小皱纹构造。

2.2 工程特征在工程上，千枚岩具有两个典型的特征，一是遇水泥化，当千枚岩含水量超过其稳定状态原始含水量时，则表面出现软化、泥化的特征，特别是在富水隧道仰拱路基部位的千枚岩，经过车辆的碾压，迅速泥化并不断发展；二是托说粉尘化，在隧道开挖后，千枚岩暴露面会因为其水量的流失，出现崩解、剥落，强度降低，最终成为沙土。

3 主要病害及成因分析千枚岩的泥化、粉尘化两个特征，是隧道施工中导致各种病害产生的根本原因。

3.1 扬尘水量很少的千枚岩隧道在施工中，千枚岩的粉尘化会造成施工路面尘土飞扬，影响施工安全和施工效率。

3.2 边坡滑塌关家隧道右线进口ⅴ主要为浅埋围岩强风化千枚岩，岩体破碎，岩质软，埋深较浅且存在一定偏压，偏压沿里程增大方向有向右侧倾斜趋势。

围岩自稳能力差。

关家隧道右线出口埋深较大，洞口段为35m高千枚岩高边坡，地下水丰富、呈股状流出，风化严重且存在一定偏压，边坡施工中边坡已出现多次小滑塌，无法正常进洞。

3.3 超挖控制困难由于千枚岩隧道开挖后围岩自稳能力差，顶部及侧壁支护不及时时易产生坍塌，爆破后出现掉块造成超挖，有时出现小面积坍塌造成超挖较大，最大达到1m。

分析其原因隧道围岩是强中风化千枚岩层状结构，层间含有软弱夹层，节理裂隙发育，走向与隧道轴线成40°~45°相交，部分段落涌水量大，开挖后临空面迅速风化剥落，出现超挖情况，掌子面的剥落更会影响施工安全。

而在全风化千枚岩区，岩体相当破碎，呈团块状、片状、鳞片状，无自稳能力。

3.4 无仰拱段底板迅速泥化关家隧道设计91%长度范围内ⅳ深埋围岩为无仰拱段，导致洞内底板泥化严重，泥泞不堪、车辙很深、无法行走，预留的底板也逐渐全被碾压泥化。

分析其原因ⅳ级深埋围岩设计无仰拱，围岩以强风化千枚岩为主，初期支护面呈点滴状和潮湿状出水，开挖面有局部涌水，底板有潮湿状出水。

千枚遇水后软化似弹簧土，泥化呈淤泥状。

无仰拱段隧道掘进过程中底板预留部分在机械设备及出碴车辆的反复碾压下不断泥化，随着隧道掘进的不断加长，碾压的次数和频率越来越多，致使洞内泥泞不堪、车辙很深、无法行走，预留的底板也逐渐全被碾压泥化，最终导致路面基层设计标高以下也严重泥化，基础强度不够。

3.5 收敛变形较大关家隧道左线进口于2009年6月30日开始开挖掘进，伴随开挖掘进的过程，不断出现隧道初期支护裂缝现象，下沉量较大，平均每天有1cm~2cm的下沉量，最大可达到3cm；累计最大达48cm，累计收敛8cm，造成zk101+790-810，zk101+830-850段部分初期支护侵限，并最终换拱。

分析其原因开挖时掌子面局部渗水、或有股状涌水，最大涌水达2 000m3/d。

设计支护参数为h14钢格栅间距1m，r25超前支护锚杆长4.5m纵向间距3m、环向间距40cm，c25喷射混凝土厚度20cm。

地下水对围岩软化作用明显，使岩体的抗压强度降低，自承能力减弱，初期支护难以抵挡围岩的变形压力而变形。

3.6 塌方、冒顶由于隧道开挖，使千枚岩原有静态平衡遭到破坏，原始含水量发生改变，千枚岩的节理面错动挤压出现软化泥化，往往形成滑动面，最终形成洞口边仰坡滑塌、隧道内塌方、冒顶、涌泥的涌砂等隧道地质灾害，富水地段的千枚岩隧道则变得更加危险。

而在已施作完初支的富水千枚岩隧道，裂隙水由初支外侧下落至拱脚，使拱脚处千枚岩含水量大大增加，千枚岩出现软化、泥化，进而使初支对围岩变形的约束大打折扣甚至失败。

实际施工中，千枚岩往往与板岩、页岩互层出现，使围岩具有个相异性的特点，围岩条件往往出现剧烈的变化，而千枚岩中出现石英夹层，更预示着隧道可能出现丰富的地下水活动。

在复杂的围岩地质条件下，塌方、涌泥涌砂等隧道地质灾害便难以避免。

在极端条件下，千枚岩隧道掘进中会出现冒顶的现象。

在围岩条件极差，隧道埋深较小，塌腔回填不到位的情况下，塌方也可能发展成为冒顶。

4 施工方案鉴于千枚岩的特殊性质，隧道在采用传统的设计施工方案时出现了很多难题，遇到了上述传统技术无法克服的困难，这就需要一套科学的行之有效的针对千枚岩隧道的施工方法。

针对千枚岩这种特殊的地质条件，千枚岩隧道在选择适宜的施工方法并对相应的病害采取及时到位的防治措施方能保证施工安全质量。

本隧道为中风化及强风化千枚岩，在这种不良地质环境下进行隧道施工必须坚持“管超前、短进尺、弱爆破、勤量测、强支护、早封闭、快成环”的新奥法施工理念，对于双线隧道采用三台阶七部流水作业法施工，三层超短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，仰拱及时施做闭合成环，构成稳固的初期支护体系。

对三线隧道须采用crd法施工，但均需做好监控量测，数据化指导施工，根据量测结果及时调整支护参数和混凝土衬砌施作时间。

此处主要说明在软岩隧道施工中取得独特优势的三台阶七部流水作业法。

4.1 三台阶七部流水作业法三台阶七步流水作业法施工，是指在隧道施工过程中，分7个工作面完成由开挖至二次衬砌结束隧道工序施工，以前后不同的位置相互错开开挖，分部及时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。

具体施工步序如下：第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，根据开挖断面和便于施工的原则，开挖高度约3.3m，以利于人工立架与机械出碴施工。

开挖循环进尺ⅴ浅埋0.6m、ⅴ深埋0.8m、ⅳ深埋1m，开挖后立即初喷3cm混凝土。

开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第2、3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺同第一步，开挖高度约3m，左、右侧台阶错开3m，开挖后立即初喷3cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第4、5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺同第一步，开挖高度约为3m，左、右侧台阶错开3m，开挖后立即初喷3cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第6步，隧底开挖：每循环开挖长度为2.4m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度为4.8m。

上、中、下台阶本循环预留核心土随下一循环开挖完成，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

第7步，及时分析监控量测资料，在沉降、收敛变形趋于稳定后施工防水层、灌注混凝土衬砌。

图1三台阶七步流水作业法施工工艺流程4.2操作注意事项1）开挖前首先做好超前地质预判、测量放样及必要的超前预注浆加固等措施；2）采用三台阶七步开挖法施工，必须规范施工工艺、规范施工管理。

台阶长度：上台阶3m~5m，中、下台阶4m~6m；台阶高度：上台阶不小于宽度的0.3倍，中、下台阶平均分配；左右侧进尺台阶相错：2m~3m；3）根据围岩情况调整开挖进尺，坚持“短进尺、弱爆破、勤量测、早封闭”；4）为保证拱架或格栅钢架处喷射混凝土的密实性，喷射混凝土时现喷拱架背后、再喷拱架两侧、最后喷拱间之间；5）仰拱、二次衬砌及时跟进，二次衬砌距离掌子面长度ⅴ围岩不超过60m、ⅳ超过100m；6）隧道内施工排水系统一定要完善，防水层的挂设必须采用无钉工艺，初期支护表面尖锐突出物必须切除干净，并用砂浆封严；7）根据围岩性质各台阶可同时开挖爆破即变相全断面法或单工序作业。

5 关键技术5.1控制扬尘技术措施在出碴行车时，及时向行车周围环境喷淋水润湿围岩及洞身周围，并及时清理路面杂物、灰尘，保持行车环境整洁。

5.2控制滑坡体技术措施右线进出口洞口边仰坡为ⅴ浅埋围岩、且存在一定偏压，常规锚网喷防护不能凑效，采用在进口进洞位置施作五根、出口施作四根2m×3m钢筋混凝土抗滑桩后安全平稳进洞。

5.3控制变形措施隧道开始开挖掘进后，考虑隧道埋深较浅，偏压严重，左线隧道内沉降预留为30cm，隧道开始掘进后，为保证安全曾多次停止掌子面施工，实行单工序作业，待衬砌施工完毕后再进行开挖作业。

对施工进度上有一定影响。

根据围岩实际情况和测量监控数据及时调整预留沉降量和开挖进尺。

加强围岩拱顶沉降和周边收敛的观测，并分析沉降值、收敛值和时间、台阶长度的关系用以指导施工。

千枚岩地段开挖后支护必须及时到位，在拱架拱脚处增加2根φ50×4mm注浆小导管为锁脚锚管，锚管上下采用两根φ50“l”钢筋焊接在拱架上，拱脚采用混凝土块垫实，杜绝出项拱脚悬空现象。

对于这种情况，就要求在千枚岩隧道特别是富水千枚岩隧道的施工中，严格积极地按照新奥法的理念施工，做到短进尺，快支护，勤量测，早封闭。

在拱脚施做拱架基础，增大拱脚基础受力面积，减小拱脚千枚岩泥化后的危害性。