乌鞘岭隧道千枚岩地层变形控制及快速施工技术(马华天 吴永东魏文杰)[1]

乌鞘岭隧道千枚岩地层变形控制及快速施工技术一、工程概况乌鞘岭隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间,设计为两座单线隧道，隧道长20050m，隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上，右、左缓和曲线伸入隧道分别为68.84m及127.29m，隧道其余地段均位于直线上，线间距40m，两隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡,右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m，洞身最大埋深1100m左右。

隧道左、右线均采用钻爆法施工，右线隧道先期开通。

隧道辅助坑道共计15座，其中斜井13座，竖井1座，横洞1座。

乌鞘岭隧道9＃斜井位于岭脊地段，围岩主要以千枚岩为主，所遇绢云母千枚岩为青灰色，局部夹有石英岩，板岩薄层状，层理不明显，节理、裂隙发育--很发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构充填泥质物，面光滑，稳定性差；千枚岩挤压褶皱、扭曲，松软破碎，其中石英岩多呈酥碎沙状，以薄层状散体结构为主，强度低，单轴强度不足1Mpa，易风化，遇水软化，导致千枚岩强度急剧下降，岩质软，开挖后呈泥状，稳定性差，拱部易出现掉块、坍塌现象，特别是在岭脊段高地应力的作用下，千枚岩变形严重，属大变形围岩。

二、千枚岩地层的施工特点1 、地质情况志留系板岩、千枚岩，以千枚岩为主，局部夹有石英脉，板岩薄层状，层理不明显，节理、裂隙发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构面充填泥质物，面光滑、稳定性较差；千枚岩挤压揉皱，松软破碎，其中石英脉多呈酥碎砂状，以散体结构为主。

开挖后呈碎石、角砾状，掌子面无明显渗水，但开挖后有少量渗漏水、滴状及面状洇湿，量小，拱部有掉块、坍塌现象。

围岩整体稳定性较差。

为V级围岩。

9号斜井承担的正洞隧道内出露的千枚岩为黑色至深灰色，千枚状构造，显微鳞片变晶结构，含水量大时呈团块状，含水量少时为鳞片状，片理极其发育，层厚0.01~2mm，岩体破碎，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，易风化。

挤压紧密的炭质千枚岩层具有弱透水性，是相对隔水层。

2、水文情况地下水在隧道施工中，对围岩的稳定性起着很大的影响，特别是在软弱的千枚岩区，更是起着控制作用。

当洞身开挖以千枚岩为主时，开始时无地下水，但不久即出现滴水，甚至股水。

究其原因，可能是因为洞身的千枚岩层上部实为板岩层（由于受开挖断面制约，开挖时未揭露出板岩层）。

当含有层状板岩时，在构造应力作用下，岩性较硬的板岩中会产生不同方位的贯通裂隙，这样就为地下水的流动提供了通道。

一般来说，围岩洞身为千枚岩时，当千枚岩厚度达到一定程度，洞身就不会出现地下水。

在开挖时围岩产生应力重分布，发生变形，形成一定的松动区与塑性区。

当塑性区的范围还未接近板岩区时，而这个范围不至于使板岩中的地下水由于渗透压力而进入塑性区时，这时洞身也不会出现地下水；当初期支护不及时或初期支护强度不足以抵抗千枚岩的变形时，塑性区的范围可能更大，当超过这一范围时，地下水进入塑性区，而千枚岩遇水即软化、泥化，使塑性区条件恶化，从而使塑性区加大，这又使地下水进一步发育。

塑性区的加大与地下水的发育互相促进，互相作用，使围岩稳定性不断变差，变形不断发展，产生各种病害。

这一点体现在千枚岩层中地下水的延迟性（即塑性区在地下水作用下逐渐加大的过程）。

3、隧道开挖千枚岩与板岩互层区，软硬岩相间，爆破药量难以控制，一般来说，造成软岩部分超挖、硬岩部分欠挖，导致开挖成型差。

这使围岩不同部位的应力释放产生差异，不利于应力重分布，因而产生不同程度的掉块或局部坍塌。

在千枚岩含量较高地段，岩体相当破碎，呈团块状、片状、鳞片状。

开挖时易于钻进，但易塌孔。

千枚遇水后软化，泥化呈淤泥状。

初期支护施作以后，围岩变形大，且长期不收敛，局部地段几个月都不趋于稳定；开挖时无地下水，后期地下水增大。

乌鞘岭隧道千枚岩区施工难度较大，主要受变质岩的特征、地质构造、千枚岩的特性和地下水所决定。

三、变形控制1 、围岩变形特点1）、围岩变形来势猛且持续时间长。

9号斜井施工段处于高地应力区，加之埋深较大，因此在开挖初期由于应力的突然释放变形快且大。

2）、围岩的变形与千枚岩的含量有直接的关系。

千枚岩含量越高变形越大。

3）、变形与千枚岩地段的含水量有极大的关系，水量越大，变形越大。

4）、在围岩千枚岩含量有较大变化的次生断裂或分支断裂带地段，变形与千枚岩含量无关，且变形与千枚岩含量较高地段同样大，甚至更高。

5）、开挖面附近的囊状水对支护结构后期影响更大。

6）、变形具有不对称性。

2 、施工工序与变形的关系1）、施工工序与变形的关系：自开挖到拱架架立，变形随千枚岩含量、围岩松散程度、出水量大小不同一般变形在50~100mm；下半断面开挖当日变形达到峰值（见附图1：施工工序与变形关系）。

各工序变形速率关系如下：下断面开挖前〉下断面开挖后〉仰拱开挖后。

仰拱开挖后变形速率急剧降低。

因此尽早进行仰拱封闭，有利于控制变形。

3~47~10附图1:施工工序与变形关系2）、前期施工过程中，上断面初支变形较大后设临时横撑，衬砌前拆除横撑，衬砌后混凝土开裂，因此上半断面不宜设置临时横撑。

一是不利于变形的有效释放，对后期支护结构会产生不利影响。

二是不利于施工作业。

3、试验段施工3、试验段施工1）、试验目的9#斜井率先进入正洞岭脊地段，遭遇志流系板岩夹千枚岩地层，施工中出现初期支护变形大、滑塌严重等问题，严重影响了施工安全质量和施工进度。

为进一步验证设计支护的相关参数和掌握千枚岩地层有效控制变形的施工方法，应乌鞘岭建设总指挥部要求，特对正洞千枚岩地层施工进行试验。

以总结出一套千枚岩隧道施工工艺标准，通过试验段验证后在全隧推广。

2）、支护结构的试验参数○1、第一试验阶段验证以I20及网构钢支撑为主支护参数的可行性。

A、支护参数(表1)B、试验情况a、第一阶段第一段（YDK175+300～+280）①、地质情况板岩夹千枚岩。

板岩属中薄层，含量15~25%，局部达到60%以上，千枚岩与板岩呈互层状，散体结构，自稳能力差，以裂隙水为主，成滴水状，局部淋水。

开挖后剥落掉块严重。

其中在YDK175+295和YDK175+280的位置为板岩急剧变化接触带，并伴有股状出水，引起拱部较大范围滑塌。

②、施工情况掌子面大量地下水出露，伴有较大变形，同时已经开挖段变形持续不稳定，施工至YDK175+295时，由于接触带影响，出现拱顶滑塌，掌子面停工加固，并自YDK175+295~+317实施第一层衬砌（钢筋砼，厚度30cm），14天后(5月23日)恢复开挖；5月29日上断面里程开挖到YDK175+280。

施工上下台阶长度5m，仰拱与下断面距离20~30m；平均进度2m/d，循环进尺0.67~1.3m，每榀设置φ159钢管支撑，衬砌前加打6m长系统锚杆。

③、支护效果水平收敛情况统计表表2 里程175+300 175+295 175+290 175+280 平均累计变形359.34 468.39 397.93 553.22 473.18 平均累计变形473mm，同时呈现出受围岩软弱不均的影响，左右变形不均。

拱顶内鼓，边墙除设置临时支撑局部外，其他基本呈内鼓状。

初期支护的钢拱架扭曲、拱部喷射混凝土龟裂并大块剥落，临时支撑全部弯曲，大部分边墙初期支护侵入二次衬砌净空，衬砌前进行了初期支护的钢架拆换（如图2）。

一次衬砌后变形仍有10~15mm/d，一次衬砌效果不佳，表明由于初支刚度不足。

加密的6m砂浆锚杆效果不明显。

图2：钢架扭曲，混凝土剥落b、第一阶段第二段（YDK175+280～+250）①、地质情况围岩基本同第一段。

其中在YDK175+269和YDK175+280的位置为板岩急剧变化的接触带，引起拱部较大范围滑塌。

②、施工情况掌子面有大量囊状地下水，造成掌子面滑塌而停工，7天后(6月9日)恢复开挖，6月16日上断面里程开挖到YDK175+250，每榀设置φ159钢管支撑，并进行纵向连接。

施工中加打6m砂浆锚杆。

③、支护效果里程175+275 175+265 175+260 175+255 175+250 平均累计变形520.28 574 480.5 405.92 734.57 543.05 本段平均累计变形543mm，且变形不均。

拱顶内鼓，边墙除设置临时支撑局部外，其他基本呈内鼓状。

初期支护的钢拱架扭曲、拱部喷射混凝土龟裂并掉块，局部边墙初期支护侵入二次衬砌净空，初期支护钢拱架部分拆换，钢管支撑整体压弯，6m砂浆锚杆效果不明显。

c、第一阶段第三段（YDK175+250～+245）①、地质情况板岩夹千枚岩，板岩含量20~25%，围岩裂隙水丰富，成滴水状，局部淋水，YDK175+239附近为较大的次级构造。

②、施工情况本段在2004年6月12日开始施工，6月19日施工至YDK175+245时，施工未进入下半段面前，网构钢拱架已经全部严重扭曲变形，致使无法进行拱架连接。

施工中φ159和φ219钢管支撑间隔设置。

施工台阶长度5m，仰拱与下断面距离15m；正常施工期间，平均进度2m/d，循环进尺1.3~0.67m。

③、初期支护变形情况后期初期支护全部破坏，左侧边墙及拱部侵入隧道二次衬砌净空，后全部拆换成I20拱架，由于变形快且垮塌严重，没有连贯的变形数据统计。

从拆换统计来看，单侧拆除厚度达500mm以上。

显示出网构钢拱架由于其早期刚度差，无法抵御变形。

d、第一阶段第四段（YDK175+245～+232）①、地质情况板岩夹千枚岩，板岩属中薄层，含量约20~30%，局部达到50%以上，在YDK175+235~YDK175+240的位置为一个次级构造，前后板岩含量急剧变化，施工时左侧有较大一股出水，并引起滑塌，并造成较长时间的停工。

②、施工情况6月23日施工至YDK175+239时，由于掌子面滑塌，引起YDK175+250~+239初期支护已经全部变形严重，并局部破坏，停止开挖进行处理；7月15日恢复开挖，7月29日施工至YDK175+232。

施工期间，上下台阶长度5m，仰拱与下断面距离10~15m。

○3初期支护变形情况初期支护全部破坏，拱部全部侵入边墙局部隧道二次衬砌净空，由于变形快且垮塌严重，没有连贯的变形数据统计。

从拆换统计来看，单侧拆除厚度达400mm以上。

3）、第二试验阶段验证以H175型钢支撑为主，注浆锚管、柔性锚杆为辅的支护参数的可行性。

○1支护参数○2试验情况A、第二阶段第一段（YDK175+220～+232、YDK175+440～+458）①、地质情况兰州方向(YDK175+220～+232)：板岩夹千枚岩。