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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 1 14- 108（2012）58-0134-04
1 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2541m，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~ 85.1m，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 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+190-810，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. 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1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. m、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 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1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~ m；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 0m、Ⅳ超过100m； ）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；1）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。
5.4 控制超欠挖措施
根据围岩情况，调整开挖进尺，选用适当的装药量和爆破眼孔间距，钻孔采用套眼等角度控制措施。加强超前预支护，对于围岩松散、含水量较多段落采取弱爆破和挖机扒碴、人工风镐开挖相结合的开挖措施来减少超挖现象。
富水段隧道拱部出现掉块、小面积坍塌是该隧道造成超挖的主要原因。针对这一问题制定富水千枚岩地段施工方案:超前物探、钻探结合探水、超前注浆堵水、超短台阶人工开挖(局部辅以弱爆破)、初支加强、仰供超前、二衬紧跟。采用超前注浆小导管，注双液浆，水灰比：0.8:1，水泥浆和水玻璃体积比：1:1，超前预注浆通过浆液的凝结固化岩石的颗粒，填充孔隙或裂隙，从而改善岩层物理力学性能，提高拱部岩体的承载力、增强岩体的抗剪强度，减小土体渗透性，提高开挖掌子面的承载能力，减少掉块、小面积坍塌，有效的控制了富水段超挖的现象。
5.5 底板泥化处理措施
在开挖时采取预留底板即爆破后底板比设计高58cm，两侧留1.5m宽排水沟，使中间高两侧低便于积水及时排到两侧临时排水沟排出。已出现泥化段采取彻底清理淤泥和至少30cm厚混凝土铺底。每隔200m挖集水井及时引流底板地下水。
5. 塌方冒顶处理措施
千枚岩隧道一旦出现冒顶，必须马上加固处理，不可犹豫不决、心存侥幸、任其发展，造成更加严重的损失和不可收拾的局面。千枚岩隧道出现塌方甚至冒顶时，一般从以下几个步骤处理：1）封闭掌子面，在塌腔处预留注浆管，当洞内预留土体不能限制掌子面位移时，需从洞外拉隧道弃碴进行反压；2）对塌方冒顶可能影响的初支完成段落进行加固，对拱架采用注浆锁脚锚管加固，塌方严重时，需全断面径向注浆加固围岩，防止已初支段落侵限失稳；3）对塌腔通过预留注浆管泵送混凝土回填；4）洞内如有积水，需拉槽排水或集中排水，以免积水对隧底特别是拱脚的浸泡，造成初支的变形失稳；5）根据塌方情况，施工超前导管或管棚进行超前支护，对塌方情况复杂的段落，可采用施作止浆墙，全帷幕注浆的方法通过； ）洞顶塌穴采用沙砾或轻质高强材料回填密实；1）对塌穴及其影响范围进行地表注浆加固，注浆深度与洞内注浆范围统一考虑；8）缩短进尺，加强支护，安全通过。
5.1 超前预报及水处理
针对隧道出现病害多方面的原因的分析，施工中应着重注意的就是地质的超前预报，特别是超前地质探结合炮眼钻孔，可以很好的判断下一循环掌子面的围岩状况。水是滑坡、塌方产生的润滑剂与催化剂，在导致隧道病害的诸多因素中，地下水的贫富起着控制性的作用。在无水或少水的千枚岩隧道，千枚岩有较好的强度和各向同性的特点，在与片岩页岩互层出现时，依旧有较好的整体性。然而在富水的千枚岩隧道段落，围岩塑性徐变严重，收敛周期长，掌子面开挖容易出现塌方、涌泥涌砂等地质灾害，在与片岩页岩互层出现时，往往出剧烈的围岩条件变化，大大增加了施工控制的难度。针对千枚岩遇水软化，出现小面积坍塌、掉块，在初期支护完成后出现渗水、变形大、初期支护开裂等病害，在富水段千枚岩施工过程中，对围岩裂隙水的封堵和引排，就变得尤为重要。控制千枚岩的变形和失水，方能保证施工质量和施工安全。
关家隧道根据排水孔出水量和围岩量测结果在隧道富水段施工系统注浆锚管，同时在初期支护上按照1.2m×1.2m布置排水孔，布置环向Yas半管引排排水孔流出的积水，做到堵排结合的治理效果。系统注浆锚管通过径向注浆加固初期支护周边围岩的承载能力和抗渗性，提高围岩的抗压强度，减少围岩应力对初期支护的作用，达到控制变形的作用。
5.8 注意事项
1）洞口即为千枚岩的隧道，进洞前必须对洞口进行预加固。锚杆框架梁或锚索框架梁的锚杆或锚索难以形成锚固区，反而增加了边仰坡自重，容易形成滑动面。施做抗滑桩则具有较好的预加固效果，且不会对后期景观带来大的负担。在加固完成后需施做护拱，大管棚进洞；2）对隧道进口埋深小于2倍洞身开挖范围的段落，应进行地表注浆固结围岩，保证洞口段施工安全和施工质量；3）结合以往隧道经验，千枚岩隧道埋深在5洞身范围以内的段落，宜视为浅埋段，衬砌应钢筋混凝土类型。考虑到格栅拱架强度形成较晚，须采用刚性较好的型钢拱架封闭成环；4）富水千枚岩段落，随着千枚岩的软化、泥化现象，围岩易出现自流和鼓胀失稳的现象，系统锚干难以形成强有力的支撑，宜应及早封闭掌子面后采用环向小导管注浆进行加固，注浆导管长度4.5m，间距以1.2m×1.2m为宜；5）富水千枚岩隧道由于水的作用，拱架基础极易下陷，导致初支变形失稳，故应对初支钢架采用注浆小导管或注浆管棚锁脚，刚度较大的管棚锁脚可大大降低拱架位移的可能性并可改善基础相应地质条件； ）千枚岩隧道围岩塑性圈范围较大，一般达到 m，系统锚杆锚固端根本进入不了弹性岩层，因此系统锚杆宜采用注浆小导管替代，注浆一般采用劈裂式注浆，其目的是为了预加固基岩使其具备相应的成拱条件；1）大跨径千枚岩隧道施工方法，应采用双侧壁导坑法以避免出现认为偏压，防止隧道出现塌方、溜方等地质灾害，不宜采用单侧壁导坑开挖的方法。
结论
通过良好运用三台阶七步流水作业施工技术及病害处理措施，关家隧道施工有序推进,杜绝了千枚岩隧道常见病害事故的发生，即节约了循环作业时间又降低了生产成本，Ⅳ级围岩单口掘进最高达12 m/月，在业主组织的3 个标段综合劳动竞赛综合考核评比中荣获第一名,取得了良好的社会效益与经济效益。我们将在今后的施工中加强对千枚岩的研究，寻找新的更有效的施工技术和管理措施。
参考文献
[1]交通部颁《公路隧道设计规范》，JTG D10-2004.
[2]交通部颁《公路隧道施工技术规范》，JTJ042-94.
[3]《公路工程质量检验评定标准》，JTG F80/1-2004.
[4]关宝树.隧道工程施工要点集，2003，12.
[5]周爱国.隧道工程现场施工技术，2004，4.
[ ]乌鞘岭特长铁路隧道修建技术与工程管理.铁道部工程管理中心，2009，3.
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发表于 2020-5-26 05:58:40
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