1碳质片岩变形特征
花石沟隧道碳质片岩为原碳质页岩、泥岩等受区域变质作用影响变质生成，归为上震旦统陡山沱组，其物理力学性质大致为密度2300kg/m3，单轴抗压强度5.0MPa，黏聚力0.5MPa，摩擦角26°，泊松比0.33。根据岩石的岩性、主要矿物成分以及结构形态特征等，现场的碳质片岩分3类:深黑色碳质泥质片岩、中厚层黑色碳质片岩和薄层状黑色碳质片岩，它们常组合发育，进口段以第1种为主，第3种也较常见，第2种在进口右洞偶见揭露，出口段以第2，3种岩性为主，围岩质量相比进口段略好。其中深黑色碳质泥质片岩一般为中风化，碳质含量较高，并含部分泥质，变质后形成细小石墨鳞片，变晶结构，片状构造，岩体揉皱现象较明显，表面光滑、多为曲面，呈半金属光泽，触手有滑腻感，污手，锤击声哑，易碎，岩体通常呈层状或长透镜体状结构，局部石英脉发育［1］。通过对碳质片岩隧道进行监控量测，发现其变形特征主要如下。1)围岩变形大根据碳质片岩种类不同，围岩变形也不同，但均远超非碳质片岩地段围岩变形。在隧道开挖2年的进程中，基本上每个测点拱顶累积下沉量普遍在100mm以上，最大达到185mm。水平累积收敛值普遍在90mm以上，最大111.99mm，一般水平收敛值小于拱顶沉降，YK51+878拱顶沉降和水平收敛累计位移值如图2所示。2)变形速率快最大日下沉速率为12mm/d;最大日水平收敛值达到20.3mm/d。以YK51+798处为例，1个月之内其下沉速率5.5mm/d，水平收敛速率3.8mm/d。根据公路隧道施工技术细则，当位移速率＞1mm/d时，即认为围岩处于急剧变形状态。3)施工扰动易引起突变引起围岩变形突然增大主要在4个阶段:隧道初始形成阶段、后期循环爆破扰动阶段、下台阶落底和仰拱开挖阶段，这4个阶段变形增大较快，局部初支开裂或者开裂度增大，其中以爆破振动和下台阶落底影响最大，此时变形速率最大，位移量最大，说明碳质片岩对爆破振动非常敏感，应采取控制爆破技术来减小对围岩的扰动。4)仰拱成环后变形趋于稳定仰拱开挖也对变形产生一定的影响，但当后期仰拱施作完成，形成闭合环后，拱顶下沉和水平收敛累计位移明显趋于平稳，变形速率不断减小，趋于收敛，尤其是水平收敛基本维持不变，初支变形开裂得到遏制。当二衬施作完成后，大部分围岩后期变形增长不大。5)变形持续时间长，部分变形不收敛在完成初支后长达1个月，围岩变形不断增长，变形不收敛。即使在二衬之后，某些地段依然有较大的变形，如YK51+818在二衬完成后，长时间保持平稳状态，但6个月后拱顶下沉突然增大，出现明显裂纹，因此不能认为二衬完成后隧道就完全稳定，监测工作必须长期进行，防止变形过大，引起隧道破坏。6)重复性在隧道碳质片岩大变形地段，由于变形造成侵限，而不得不拆换拱架，每次拆换后，变形依然较大。7)易风化，易软化，变形加剧碳质片岩极易风化，遇水软化，见水呈泥浆状，强度很小，变形加剧，因此应封闭掌子面，加强洞内排水管理。
2碳质片岩隧道施工工艺
2.1施工方案一般碳质片岩隧道施工采用超短三台阶加临时仰拱法施工。上台阶高3m，中台阶高2.6m，下台阶高3.7m，上、中台阶长度为3～5m，下台阶长度4～5m，二衬距掌子面16～23m，仰拱开挖及灌注采用小型栈桥过渡，并且在施工中在上台阶底部设型钢混凝土仰拱，临时仰拱与初期支护同时成环，中、下台阶在临时仰拱保护下开挖，左右侧分台阶错开开挖。上台阶采用人工翻碴，下台阶挖掘机配合装载机装碴，自卸车运输。这种方法变形地段施工约束效果好，但将开挖断面分成上、中、下和仰拱四断面进行开挖，组织繁琐，对围岩扰动较大，加临时仰拱增大成本，延长施工进度，不利于早封闭早成环［2-6］。在比较多种施工方法的基础上，结合花石沟碳质片岩隧道实际，采用半断面正台阶法施工，工序为:超前支护→上台阶弧形导坑开挖→架立拱架、锚喷支护→下断面边墙马口跳槽开挖→边墙架立拱架、锚喷支护→灌注仰拱衬砌→铺设环向盲沟及防水层，整体灌注二衬混凝土。其中，上台阶高度5.0m，短进尺为1榀/次，0.8m，上、下台阶不超过15m，下台阶采用两侧错开开挖，纵向错开距离≥2m，单侧开挖长度≤2m。拱架拱脚垫实，锁脚打好，仰拱及时跟进，到掌子面不超过15m，仰拱架设栈桥全幅浇混凝土，二衬到掌子面不超过30m，同一断面从开挖到二衬时间尽量短。隧道完成开挖及初期支护后，及时进行仰拱封闭:Ⅴ级围岩仰拱与开挖掌子面距离不超过10m，Ⅳ级围岩仰拱与开挖掌子面距离≤25m。仰拱及仰拱填充混凝土须架设栈桥全幅浇筑。二衬及时施作:Ⅴ级围岩二衬与开挖掌子面距离不超过20m，Ⅳ级围岩二衬与开挖掌子面距离≤30m。凡是仰拱及二衬没跟上的隧道，掘进必须停止。2.2开挖方法采用爆破与机械联合开挖法。在花石沟隧道不同地段碳质片岩揭露面积不同，有时占整个掌子面面积的90%以上，有时偶尔揭露，出露面积只占掌子面面积的1/4。因此，根据碳质片岩出露面积将掌子面分为碳质片岩与非片岩区域，在不同区域布设不同参数的炮孔，炮孔包括掏槽孔、辅助孔和周边孔，将设计药量的炸药装入不同炮孔，并将导爆管雷管按设定的段别装入指定炮孔，将导爆管联网，按照指定的起爆顺序起爆。爆破完成后，用装载机清出爆下碴体，再用挖掘机将掌子面上未脱落岩体挖出，同时，对隧道轮廓线进行修整，达到规整轮廓线的目的。这种方法爆破药量较小，引起的震动也较小，对围岩扰动也较小，并且挖掘机、装载机效率高，可以提高爆破和掘进效率，改善开挖效果，减小对围岩的振动影响。严格控制炮孔深度和装药量，碳质片岩区域炸药单耗＜0.6kg/m3，非碳质片岩区域炸药单耗＜1.0kg/m3。上半断面炮孔布置如图3所示，图中数字为起爆顺序。2.3支护方式花石沟隧道原先设计的支护方案是Ⅲ级围岩采用Z3支护，Ⅳ围岩采用Z4支护，针对碳质片岩地段，将所有支护改用Z4支护参数，22格栅拱架间距1m，但经过监控量测数据分析，效果不好，又改为Z4a，I18间距1.0m，但结果初期支护还是开裂，监控量测数据反映不能收敛，每天收敛和沉降值都是5～8mm/d，再后来将工字钢间距调到0.8m，锁脚加强，每榀工字钢用8根锁脚小导管。从监测数据看变形量较大，但比先前小些，较少出现初期支护开裂等异常情况。结合现场实际情况，为满足不同围岩条件下的施工需要，对原设计图的支护类型进行了适当补充和完善，针对碳质片岩地段主要采取以下措施。1)超前支护开挖前，采用42超前小导管注浆对隧道拱部进行超前支护。2)爆破后，及时喷射混凝土封闭掌子面。3)采用Z4a+型支护参数，并进行局部加强，I18拱架间距由1.0m调整为0.8m，喷射24cm厚C20混凝土，锁脚采用8根注浆小导管。4)仰拱及仰拱填充混凝土架设栈桥全幅浇筑，仰拱工字钢成环。5)二衬采用40cm厚，主筋25的C25钢筋混凝土。2.4监控量测花石沟隧道成立专门的监控量测小组进行洞内观察和每日的量测工作，加密监测断面，加大量测频率，通过监测及时真实地反映围岩变形，正确指导施工。针对碳质片岩地段变形时间长、累计变形量大的特点，根据监控量测数据分析，增大了预留变形量，由设计的4cm增大到25cm。2.5加宽带的处理花石沟隧道是一座长隧道，左右洞各设计有2个紧急停车带，都是设计Ⅲ级围岩采用Z7b型复合式衬砌，由于进口遇到碳质片岩，岩性差，不便施工加宽带，进口右洞加宽带现已经向前推移了68m，相应进口左洞加宽带也向前推移，通过超前地质预报选择岩性较好的地段作为加宽带。对处于碳质片岩的加宽带，采用侧壁导坑方式开挖，支护参数相应加强，采用超前小导管，I20b，间距0.8m，仰拱工字钢成环，二衬采用厚45cm主筋25的C25钢筋混凝土。
3结语
通过花石沟隧道施工实践证明，采用以上开挖方法和支护方式有效地控制了围岩变形，减少了初期支护开裂，保证了隧道施工顺利进行，提高了碳质片岩条件下隧道施工进度。在碳质片岩隧道进行施工过程中，应做到以下几点。1)优化施工工艺应严格遵循“短进尺、弱爆破、少扰动、早喷锚、快循环、强支护、早封闭、快成环、勤量测”的施工原则，开挖中尽可能采用弱爆破或机械法减少对围岩的扰动，合理安排施工工序，缩短施工台阶，控制工序步长，加强早期支护，加快施工循环，减少碳质片岩暴露时间，使隧道尽快形成封闭环。2)加强支护措施碳质片岩隧道围岩变形大，初期支护变形、开裂严重，侵占二衬空间，钢架扭曲甚至剪断，应加强支护，采用超前小导管，喷射混凝土封闭掌子面，对围岩采用喷锚网联合支护方式，加大钢架型号，提高喷射混凝土级别，抵抗围岩变形。3)利用多方信息隧道开挖是个涉及多方面的系统工程，整个开挖过程应以超前地质预报为基础，以监控量测为指导，以二衬施工控制开挖速度，综合利用这些信息，对碳质片岩隧道开挖进行动态设计变更及施工。4)加强力学及变形机理的研究现实中碳质片岩隧道的开挖及支护都是基于实践基础上得出，缺乏相应的力学及变形机理支持，应加强碳质片岩流变性的研究，对碳质片岩隧道的破坏和变形进行深入研究，结合长时间的监测量测数据，得出更合理的开挖及支护方法。
作者：蔡路军 彭胜 周大华 山东职称徐晓波 刘光平 单位：武汉科技大学理学院 湖北省十堰至白河高速公路建设指挥部
