隧道膨胀性泥岩围岩施工技术

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[摘要]文章以太岳山隧道工程为实例，通过技术措施的实施和监控量测的数据对比，证明了该项措施有效了保证了初支结构的安全。

[关键词]泥岩 施工技术 监控量测

[中图分类号] U452.1+2 [文献码] B[文章编号] 1000-405X（2013）-10-242-1

1工程概况

太岳山隧道位于山西省临汾市古县旧县镇与安泽县之间。隧道采用单洞双线方案，隧道进口里程DK392+930，出口里程DK409+124，全长16194m。地面高程间于850-1230m之间，隧道最大埋深约300m，最小埋深约5m。隧道进口设置R=1600m的曲线，曲线进入隧道隧道长度为689.96m；出口设置R=1200m的曲线，曲线进入隧道长度795.04m。隧道纵坡为单面上坡，坡率依次为：3‰、5.1‰、4.4‰。隧道设4座斜井，斜井采用单车道+错车道无轨运输。

2地质、水文情况

隧址区位于华北台块山西台背斜中南部，属新华夏构造体系第三隆起带太岳山北平～古县隆起带，洞身主要穿越二叠系上统石千峰组（P2sh）砖红色泥岩夹淡水灰岩、石膏薄层，灰白黄绿色含砾中粗粒砂岩；二叠系上统上石盒子组（P2s）紫红色、黄绿色砂质页岩、页岩和黄绿色砂岩、含砾中粒砂岩；抗压强度13～45Mpa；泥岩具膨胀性；局部地段受构造影响，岩体破碎。地下水主要为基岩裂隙水，主要依靠大气降水补给，隧道穿越地层为水平砂泥岩互层，发育多层地下水，二叠系砂岩与砂质泥岩含水性直接影响隧道施工，区内岩层波状起伏，向斜轴部可形成承压自流水，局部地段裂隙贯通多层含水层易产生涌水涌泥等地质灾害。隧道估算正常涌水量9621m3/d，估算最大涌水量30797m3/d。

3隧道洞身穿越泥岩的特性

岩性软弱：施工过程中对围岩（泥岩）取样进行岩石抗压强度试验和软化系数试验。结果显示： 单轴干燥抗压强度值8～15MPa，饱和抗压强度极低，多数泥岩吸水后崩解，少数仅达2～4MPa，属于极软岩～软岩，软化系数约为0.36，属易软化岩石。施工过程中，岩性软弱易引起围岩变形。

构造不利：隧道穿越太岳山低山区，构造复杂，次级褶皱较发育，岩层产状多呈水平状，局部层理不清晰，岩体破碎。泥岩、砂岩层位与隧道洞身等标高，隧道长距离穿过该层位。

结构面发育：隧道洞身围岩节理裂隙发育，多发育有两组近垂直方向的节理，密度2～4条/m，受裂隙水影响，极易产生滑塌。

软弱带多见：隧道洞身穿过地层的泥岩以紫红色为主，砂岩以青灰色为主，节理裂隙间多有黄绿色泥状物、膏状物充填，填充物胶结差，成松散状，手捏易碎，遇水极易崩解。

局部具膨胀性：施工过程中在里程DK399+600的泥岩取样对其膨胀性进行试验分析，根据试验结果该段内的泥岩具中等膨胀性（自由膨胀率83%，阳离子交换量295mmol/kg，蒙脱石含量25.6%），易引起围岩变形（拱顶下沉量大，拱腰位置收敛快）。

地下水影响：隧道通过二叠系石盒子地层，根据区域资料，该地层为富水地层，地下水类型以基岩裂隙水为主，以节理裂隙贯通。隧道开挖改变了地下水径流方向，掌子面附近的水沿基岩裂隙渗出，使掌子面泥岩软化、泥化，工程地质特性迅速降低，易引起变形和坍塌。

4膨胀性泥岩对施工的影响

石千峰组泥岩多呈紫红色。岩质较软，岩体完整性差，岩体受干湿影响崩解明显，具弱～中膨胀性。岩石表面常见镜面擦痕。具有孔隙率大、胶结性差、变形性大、低应力下蠕变等特征。

拱顶泥岩因应力大于屈服强度产生塑性变形，断面内缩，支护系统变形破坏。泥岩节理裂隙发育时，裂隙内填充青灰色泥状物质，在地下水的作用下，结构面抗剪强度降低，岩体顺结构面滑移，围岩稳定性很差。导致已施工完成的初期支护仍有大变形开裂地段，局部地段产生坍塌。

5膨胀性泥岩施工技术

5.1隧道结构设计概况

采用曲墙式带仰拱衬砌，隧道Ⅳ围岩加强段、Ⅴ级围岩及加强段二次衬砌采用钢筋混凝土。Ⅳ级围岩初期支护参数如下：喷射混凝土拱墙18cm，仰拱10cm，格栅钢架1.2m/榀，拱部中空注浆锚杆，边墙砂浆锚杆，长3.0m，梅花形布置，间距1.2×1.2m。钢筋网片采用纵φ6，环φ8钢筋，网眼尺寸25×25cm。

5.2膨胀性泥岩隧道施工技术

（1）超前支护

隧道拱部120。范围内采用φ42mm注浆超前小导管进行超前支护，小导管长度3.5m，环向间距40cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于1.0m。小导管安设采用钻孔打入发，顶入长度不小于钢管长度的90%，外插角10。～15。，并用高压风将钢管内的砂石吹出。注浆采用水泥砂浆，水灰比：0.5～1.0；注浆压力：0.5～1.0Mpa。

（2）初期支护

针对初支产生变形开裂，通过学者、专家以及参考相关工程的经验确定了以下初期支护参数：初支喷射C25砼厚度23cm，全断面布置工18型钢钢架，间距1.0m，拱部采用Ф25组合式中空锚杆（L=3.0m），边墙采用Ф22普通砂浆锚杆（L=3.0m），锚杆梅花形布置，1.2×1.2m）；钢筋网纵ф6环ф8，网格间距25cm×25cm，预留变形量9cm。

（3）二次衬砌

加快二衬仰拱及仰拱填充的施做，跟进二次衬砌，确保隧道施工安全步距。

二次衬砌采用C35钢筋混凝土衬砌，厚度：拱墙40cm，仰拱45cm。钢筋环向主筋采用ф18钢筋，间距20cm，纵向主筋采用ф10，间距25cm。

6监控量测情况

隧道施工将围岩监控量测纳入到日常施工生产和管理当中，成立了专门的监控量测小组，按照规范要求进行监控，对围岩变化的情况及时放映到施工现场，为施工安全的预防提供了有利保证。

从围岩监控量测数据来看，对于富水地段的膨胀性泥岩，原设计初期支护所采用的支护参数产生的拱顶沉降与水平收敛数值相对较大，拱顶沉降累计值普遍达到9cm左右；水平收敛累计值普遍达到12cm左右。而采取了新的初期支护参数后，拱顶沉降与水平收敛数值明显变小，拱顶沉降累计值普遍达到2cm左右；水平收敛累计值普遍达到3cm左右。

7结束语

在隧道施工过程中，通过改变初支技术措施，减小了施工中泥岩膨胀所带来的初支变形开裂等问题，确保了初期支护的结构安全和施工中的安全。对今后类似地质施工提供了参考价值。

参考文献

[1]关辉辉，朱建群，刘栋.巫帮1号隧道水平岩层软弱围岩施工技术[M].西部交通科技（桥隧工程），2010.

[2]崔潇，隧道砂.泥岩水平层理围岩施工技术探讨[M].科技咨询（决策管理），2010.