一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法与流程

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法。

背景技术：

在公路与铁路建设施工过程中，被称为“隧道癌症”的炭质板岩，其工程物理力学性质极差，岩石强度低，受地层断裂构造影响，节理裂隙极发育，岩体极破碎，具有较强的崩解性、强风化性及流变特性，自稳能力极差，遇水软化呈流塑状，强度急剧降低，承载能力极差，隧道建设过程中，极易出现坍塌，结构支护后围岩-初支变形大，在双层ⅰ25b工字钢支护的情况下，拱顶沉降达1.5m，边墙收敛达0.9m，严重侵限且频发，该地段施工的初期支护80%都进行了换拱施工，严重影响隧道建设，安全、工期、成本风险剧增。此地层建设隧道有两大技术难题：一、隧道开挖后，围岩不能自稳，掌子面易失稳坍塌，支护无法实施；二、支护后围岩-初支变形极大，拱架扭曲断裂、喷射混凝土开裂掉块，安全无法保证。

工字钢由于具有较高的强度及刚度，其常作为初期支护的主体结构与喷射混凝土一起承受围岩荷载，特别对于软岩大变形隧道，截面尺寸较大的工字钢常作为初期支护的首选。由于工字钢绕强轴及弱轴惯性矩存在较大差距，使得钢拱架沿隧道环向具有较强的抗弯刚度，沿隧道纵向抗弯刚度较低。对于软岩大变形隧道，当初期支护钢拱架受力达到钢材极限强度时，钢拱架受围岩荷载扰动易产生绕工字钢弱轴方向的屈曲变形，加剧隧道大变形。对于软岩大变形隧道初期支护而言，设置纵向连接器是提高初期支护稳定性的重要手段。

钢筋与工字钢作为常见的纵向连接器种类，其常被运用与软岩大变形隧道，也取得了比较不错的效果，但是采用钢筋与工字钢作为纵向连接器时，两者均存在某些缺陷。当采用钢筋作为纵向连接器时，由于钢筋截面形状为圆形，其抗弯刚度较小，受力过大时容易产生欧拉弯曲失稳破坏，丧失纵向连接效果。当采用工字钢作为纵向连接器时，由于工字钢的截面特性，其常被焊接在钢拱架工字钢腹板位置，当工字钢型号选取过小时，剪力传递效果不佳，当工字钢型号选取过大时，工人施工比较困难，且材料浪费严重。

隧道掌子面的变形失稳是指隧道开挖后，掌子面不能自稳，存在着掌子面持续挤出、拱部变形、掌子面掉块等问题。目前对于掌子面不能自稳的情况下通常采用的是掌子面注浆加固的手段，由于玻璃纤维锚杆具有较强的抗拉强度，而抗剪强度较低，便于在施工中进行开挖截断的操作，成为主要的掌子面超前加固措施。对于掌子面超前加固的效果及掌子面的稳定性判断而言，一般都是采用测量掌子面变形量来进行判断，但是由于每一个开挖循环的时间有限，无法测量到足够的变形样本，因此其判断的准确性及可靠性就较差。

技术实现要素：

本发明针对隧道施工过程中炭质板岩地段极易出现坍塌，结构支护后围岩-初支变形大的问题，提供一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法。

本发明采用如下技术方案：

一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，包括如下步骤：

第一步，对上台阶掌子面进行封闭施工，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接1~2个网格，喷射c25混凝土，厚度30cm，采用湿喷工艺，上、中台阶距离6~8m，整平上台阶平台，并设置爬坡道，为钻孔提供作业平台；

第二步，钻孔，采用全站仪定位钻孔孔位，用于安装玻璃纤维锚杆的孔位布置以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置孔位与隧道轴线方向一致，钻孔长度9m，孔径φ76mm；用于放置超前管棚的孔位间距0.3m，孔径φ140mm；用于安装上一循环大注浆锁脚锚管的孔位；

第三步，在拱架弧顶安装起超前支护作用的超前管棚；在掌子面安装起超前预加固作用的玻璃纤维锚杆，插入孔内的长度不得短于超前管棚和玻璃纤维锚杆长度的95%；在上一循环初期支护拱脚安装起支撑拱架作用的大注浆锁脚锚管，大注浆锁脚锚管利用提前预埋的导向管定位；

第四步，安装完成后，锚固剂封口，采用水灰比为0.8：1~1:1的水泥浆对超前管棚、玻璃纤维锚杆、大注浆锁脚锚管进行注浆，注浆采用注浆量与压力双重控制，控制指标：单根注浆量大于0.326立方，注浆压力大于1mpa时结束注浆，封孔并转入下孔施工；

第五步，在拱架弧顶安装和超前管棚配合的超前导管，安装完毕后，开始开挖掘进、立拱架，其中，相邻拱架之间采用提高初期支护的刚度和整体性的纵向连接器连接，开挖过程中，采用玻璃纤维锚杆微应变测试判定玻璃纤维锚杆对掌子面前方围岩的加固情况；

第六步，安装起抑制初期支护收敛变形和沉降变形的临时仰拱，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱。

进一步地，第五步中所述基于玻璃纤维锚杆微应变测试判定超前掌子面的加固情况的方法，包括如下步骤：

第一步，在掌子面加固的若干玻璃纤维锚杆上布置微应变的若干测点，在测点布置应变片，应变片通过导线与应变仪连接；所述微应变测点的数量不小于3个；所述微应变测点沿玻璃纤维锚杆的轴向等间距或不等间距布置；

第二步，选定掌子面超前加固的测试玻璃纤维锚杆的点位，随同其他玻璃纤维锚杆一起施工；

第三步，施作掌子面超前加固的测试玻璃纤维锚杆并注浆，记录玻璃纤维锚杆应力的初始数值；

第四步，待浆液凝固后，开始掌子面的开挖施工，每开挖一循环后，测量并记录玻璃纤维锚杆微应变的数值，当玻璃纤维锚杆应力减小至初始数值的25%时，停止掘进，继续安装玻璃纤维锚杆进行掌子面的超前预加固施工。

进一步地，所述超前导管和超前管棚交替布置，超前导管和超前管棚的一端分别与拱架顶端连接，另一端位于隧道拱顶的钻孔内，玻璃纤维锚杆沿着隧道的轴线插入隧道的内表面，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱，上台阶临时仰拱的两端分别与隧道的上台阶处的拱架的两端连接，中台阶临时仰拱的两端分别与隧道的中台阶处的拱架的两端连接，导向管的一端分别与上中台阶仰拱和拱架的连接端连接，另一端位于隧道内，大注浆锁脚锚管的两端分别位于导向管内，纵向连接器位于相邻拱架之间。

所述超前导管之间的间距为30cm，超前管棚之间的间距为30cm。

所述超前管棚的长度比超前导管的长度长。

所述纵向连接器包括位于拱架的工字钢上下翼缘的角钢，其中，上翼缘设有两个背靠背构成t字形的角钢，下翼缘设有两个背靠背构成t字形的角钢，上下翼缘的角钢上下左右对称布置。

其中，掌子面支护完成后，挖机挖除上台阶预留核心土的过程中，如围岩自稳能力差，不能一次性开挖成型，可采用分层开挖，分层支护的方式进行，确保断面齐整。

钻孔过程中，全站仪精确放样定位钻孔孔位，采用射钉打点，红色喷漆标识。孔位按照设计布点，以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置，共计163孔；管棚间距0.3m，共计56孔。

当地层破碎软弱且富水无法成孔时需采取套管跟进成孔，再退出套管，进行注浆作业。

锚杆孔钻孔完毕进行清孔，清孔采用高压风进行，确保孔内无松碴、积水。

本发明的原理如下：

基于大断面隧道破碎炭质板岩开挖后掌子面无法自稳，支护后超大变形的特殊施工难题。利用玻璃纤维锚杆抗拉强度大，可机械切断挖除的特性，采用玻璃纤维锚杆对掌子面进行超前预加固，改良前方岩体物理力学性能，确保开挖后掌子面围岩稳定，提供支护时间，同时可去除核心土，增加上台阶作业空间，同时施做超前管棚、长大锁脚锚管（深层径向加固）和上台阶临时仰拱创造条件；通过采用玻璃纤维锚杆对掌子面围岩进行超前预加固、短管棚配合小导管超前支护，有效抵抗了围岩的预收敛，控制掌子面围岩向外挤出的位移，减少围岩的松动破坏；通过增设临时仰拱和大注浆锁脚锚管，有效抑制了初期支护的收敛变形和沉降变形；通过相邻两榀拱架间增设纵向连接器，提高了初期支护的刚度和整体性，抵抗围岩巨大的压力，进而达到控制围岩-初支变形的目的。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法。该方法有效结合新奥法与新意法的优点，在传统三台阶施工方法基础上，采用玻璃纤维锚杆对掌子面围岩进行超前预加固、短管棚配合小导管超前支护，改善了隧道开挖后围岩的二次应力分布状态，减小了掌子面前方土体的卸载范围；通过增设临时仰拱和大注浆锁脚锚管，有效抑制了初期支护的收敛变形；通过相邻两榀拱架间增设纵向连接器，提高了初期支护的刚度和整体性，抵抗围岩巨大的压力。通过上述一系列措施，控制了隧道围岩的大变形，保证了隧道的正常施工。

1.通过玻璃纤维锚杆对上台阶掌子面前方土体进行预加固，保证掌子面围岩稳定，防止施工期间上台阶掌子面围岩大面积掉块及坍塌，有效保障施工安全。

2.玻璃纤维锚杆加固前方土体并进行注浆，一方面浆液可有效填充破碎炭质板岩间的裂隙，阻隔地下水的渗流通道，有效减弱水对炭质板岩的侵扰弱化；另一方面，使前方土体形成一个大的固结体，能够承受开挖面正上方岩体及已施作初期支护背后的土体压力，减小开挖后围岩的卸载范围，减小了围岩松动圈和支护后围岩的松动压力，有效控制支护变形。

3.以玻璃纤维锚杆加固掌子面代替核心土，增大上台阶作业空间，有利于大型机械进驻，能够及时施作长大注浆锁脚锚管（深层径向加固）和上台阶临时仰拱，有效抑制了收敛变形，提高了施工进度。

4.玻璃纤维锚杆是一种以合成树脂为粘结剂，合成纤维为主要增强材料制成的复合材料，重量轻、抗拉强度大等特点，最大优点是机械可直接挖除。

5.短管棚施工无需扩大断面，可直接安装管棚，不大量切割管棚，消除了加大断面与正常断面过渡段应力集中，变形大的问题，减小了施工风险，节约了投资。

6.上台阶初期支护时提前预埋大锁脚锚管导向管，大注浆锁脚锚管滞后掌子面6m施作（上台阶长度），与下一循环玻璃纤维锚杆、短管棚超前预加固措施同时施作，提高了工效。一方面通过大注浆锁脚锚管与拱架的可靠连接，有效支撑了拱架，被动控制变形；另一方面大注浆锁脚锚管通过注浆解决了初期支护与围岩间不密实的问题，也改良加固了围岩，有效调动了围岩自承载作用，主动控制变形。

7.玻璃纤维锚杆代替核心土加固掌子面为及时施作上台阶临时仰拱提供了作业空间，在未施作大注浆锁脚空置期内及时施作临时仰拱，有效抵抗初期支护收敛变形和沉降变形。

8.拱架之间增设纵向连接器，提高初期支护整体性和刚度，抵抗围岩的巨大压力。纵向连接器通过对型钢材料的合理选取与布置，规避单根角钢绕弱轴抗弯刚度小的弱点，通过角钢上下、左右对称布置，纵向连接器整体抗弯刚度得到较大的提升，且角钢型号可根据工程实际需要灵活选取。该纵向连接器较工字钢纵向连接器而言，该纵向连接器更加靠近初期支护工字钢翼缘位置，能够更加均匀的传递围岩荷载。该纵向连接器单根角钢质量较小，与工字钢纵向连接器相比，角钢与初期支护工字钢焊接时更加方便，可操作性更强。

9.采用多功能钻机，可三台钻机同时作业，同时施工管棚、玻璃纤维锚杆及大注浆锁脚锚管；钻机移动速度快，机动灵活；锚杆及管棚一次施工长度均为9m，有效长度6m，搭接3m，施工速度快。

10.履带式钻机与普通钻机相比，提高工效一倍以上，机动灵活，动作迅速，适用于中长钻孔，施工速度快，同时钻孔角度易调整控制，保证施工质量。

11.基于玻璃纤维锚杆微应变测试的超前掌子面加固判定方法，采用的隧道超前加固的相同材料的玻璃纤维锚杆，具有加固效果好、便于施工的优点，通过测量其微应变的变化，有效判断超前加固效果和掌子面的稳定情况，该方法数据测量简单、测量准确性高、对施工干扰小，可广泛用于掌子面超前加固的工程中。直接测量玻璃纤维锚杆这一加固材料，数据真实、准确性高。采用测量的玻璃纤维锚杆是和周围加固玻璃纤维锚杆一致，施工简单。采用测试的微应变，通过便携式采集仪采集，技术成熟，记录时间快。通过测试数据的变化及时判定掌子面的稳定状态，具有极强的时效性。

附图说明

图1为本发明的支护结构横断面结构示意图；

图2为本发明的支护结构纵断面结构示意图；

图3为本发明的纵向连接器的平面结构示意图；

图4为本发明的纵向连接器的立体结构示意图；

图5为本发明的玻璃纤维锚杆微应变的测定布置示意图一；

图6为本发明的玻璃纤维锚杆微应变的测定布置示意图二；

其中：1-超前导管；2-超前管棚；3-玻璃纤维锚杆；4-大注浆锁脚锚管；5-上台阶临时仰拱；6-中台阶临时仰拱；7-纵向连接器；8-角钢；9-工字钢；10-导线；11-应变片。

具体实施方式

一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，包括如下步骤：

第一步，对上台阶掌子面进行封闭施工，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接1~2个网格，喷射c25混凝土，厚度30cm，采用湿喷工艺，上、中台阶距离6~8m，整平上台阶平台，并设置爬坡道，为钻孔提供作业平台；

第二步，钻孔，采用全站仪定位钻孔孔位，用于安装玻璃纤维锚杆的孔位布置以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置孔位与隧道轴线方向一致，钻孔长度9m，孔径φ76mm；用于放置超前管棚的孔位间距0.3m，孔径φ140mm；用于安装上一循环大注浆锁脚锚管的孔位；

第三步，在拱架弧顶安装起超前支护作用的超前管棚；在掌子面安装起超前预加固作用的玻璃纤维锚杆，插入孔内的长度不得短于超前管棚和玻璃纤维锚杆长度的95%；在上一循环初期支护拱脚安装起支撑拱架作用的大注浆锁脚锚管，大注浆锁脚锚管利用提前预埋的导向管定位；

第四步，安装完成后，锚固剂封口，采用水灰比为0.8：1~1:1的水泥浆对超前管棚、玻璃纤维锚杆、大注浆锁脚锚管进行注浆，注浆采用注浆量与压力双重控制，控制指标：单根注浆量大于0.326立方，注浆压力大于1mpa时结束注浆，封孔并转入下孔施工；

第五步，在拱架弧顶安装和超前管棚配合的超前导管，安装完毕后，开始开挖掘进、立拱架，其中，相邻拱架之间采用提高初期支护的刚度和整体性的纵向连接器连接，开挖过程中，采用玻璃纤维锚杆微应变测试判定玻璃纤维锚杆对掌子面前方围岩的加固情况；

第六步，安装起抑制初期支护收敛变形和沉降变形的临时仰拱，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱。

其中，所述基于玻璃纤维锚杆微应变测试判定超前掌子面的加固情况的方法，包括如下步骤：

第一步，在掌子面加固的若干玻璃纤维锚杆上布置微应变的若干测点，在测点布置应变片，应变片通过导线与应变仪连接；所述微应变测点的数量不小于3个；所述微应变测点沿玻璃纤维锚杆的轴向等间距或不等间距布置；

第二步，选定掌子面超前加固的测试玻璃纤维锚杆的点位，随同其他玻璃纤维锚杆一起施工；

第三步，施作掌子面超前加固的测试玻璃纤维锚杆并注浆，记录玻璃纤维锚杆应力的初始数值；

第四步，待浆液凝固后，开始掌子面的开挖施工，每开挖一循环后，测量并记录玻璃纤维锚杆微应变的数值，当玻璃纤维锚杆应力减小至初始数值的25%时，停止掘进，继续安装玻璃纤维锚杆进行掌子面的超前预加固施工。

实施例1

杏子山隧道位于新建大临铁路六五谷站～若巴谷站区间，六五谷车站伸入隧道内，设计行车速度为160km/h。隧道起讫里程为dk80+183~dk89+050，全长8867m。隧道埋深27m~726.9m；进口端819m为车站双线隧道，开挖断面143.64m²，高度11.24m，宽度14.47m；杏子山隧道既是全线重点控制性工程，又是i级风险隧道。该隧道进口围岩为全风化黑色炭质板岩、泥质板岩、石英片岩、云母片岩为主，开挖后围岩呈流塑状，易出现坍塌，施工后围岩-初支变形侵限严重且范围大，施工难度与安全风险极大。

大临铁路杏子山隧道进口通过采用炭质板岩隧道大变形控制施工方法，彻底解决了围岩坍塌流塌现象，进度和施工效果较好。大临铁路杏子山隧道于2017年8月开始采用该方法施工，平均月进度30m。

据统计，杏子山隧道共进行210m玻璃纤维锚杆超前预加固施工，隧道锚杆对于超前核心土的加固效果明显，能有效控制掌子面的挤出变形和超前核心土周围岩体的预收敛，减小了围岩松动圈；临时仰拱及大注浆锁脚锚管能有效抑制初期支护收敛及沉降变形，保证了掘进安全，解决了施工难题，加快了开挖进度。

按照“先加固、短进尺、快开挖、强支护、紧封闭、勤量测”的施工原则，采用三台阶临时仰拱法开挖，加之大注浆锁脚锚管的作用，有效地控制了拱顶下沉及周边收敛。

在杏子山隧道进口采用本方法施工时，未发生此种不良地质前期施工中出现的掌子面坍塌、初期支护变形侵限等安全和质量事故，实现了炭质板岩段施工安全、质量易控的目的，加快了施工进度。

实施例2

新建g309固原至西吉公路工程田家梁隧道位于宁夏回族自治区固原市西吉县偏城乡偏城村，其中田家梁隧道右线长974m（yk30+478~yk31+452），在隧道右线出口段，发育一长76m，宽80m，厚3~20m的滑坡堆积体，该段地层岩性上覆湿陷性黄土，下伏第三系清水营组泥岩、砂质泥岩，具有弱～中等膨胀性。大气降水下渗至第三系清水营组泥岩、砂质泥岩，在土石分界处形成下渗通道，并导致土质饱和松软，形成滑坡堆积体。隧道出洞穿越滑坡体，施工扰动后极易发生大范围坍塌和地表下沉；支护后变形大，拱架扭曲变形、断裂，侵限严重，施工难度与安全风险极大。

西公路田家梁隧道右线出口通过采用隧道变形控制施工方法，防范了隧道坍塌风险，支护后变形可控，确保了隧道从进口向出口掘进的顺利贯通。

据统计，田家梁隧道右侧进口端贯通段采用隧道大变形控制施工方法，开挖未出现坍塌事件，洞内支护变形得到有效控制，单日沉降最大15mm，最大累计沉降68mm，实现了隧道的安全贯通。

在田家梁隧道采用本方法施工时，未发生掌子面坍塌、初期支护变形侵限等安全和质量事故，实现了隧道的安全顺利贯通。

表1本发明各结构施工参数

表2主要材料及其使用部位

表3主要设备及用途

玻璃纤维锚杆、管棚、大注浆锁脚锚管施工质量必须按gbj204-83《钢筋混凝土工程施工及验收规范》、《铁路隧道设计规范》tb10003-2016、《铁路隧道工程施工质量验收标准》执行。

施工前测量人员按照施工设计图纸放样锚杆孔位。孔位偏差控制在±5cm。

钻进过程中，控制钻头及钻杆的方向，防止偏位。角度偏差5‰以内。