马尔康二号隧道碳质千枚岩段的施工

苏 畅

(四川兴蜀公路建设发展有限责任公司，四川 成都 610012)

0 引 言

随着国家交通事业的不断发展，隧道施工中不可避免地会遇到穿越软弱围岩层、围岩大变形段、隧道失稳等地质灾害的情况[1-4]。软弱围岩的物理、力学特性决定了它对隧道工程的危害是巨大的。普通公路隧道工程很少在特殊地段的初期支护中采用双层拱架支护形式[5-11]，它相较于常规的衬砌支护能起到更为显著的效果。此次以G317线汶川至马尔康二级改建公路工程马尔康二号隧道为例，对碳质千枚岩地质病害和初支双层拱架施工技术予以研究，对于施工过程及后期运营的安全性、经济性具有重要的指导意义。

1 工程概况

国道317线汶川至马尔康公路(以下简称汶马路)是四川省12条出省通道之一，是川藏北线(国道317线)成都至西藏那曲公路的起始路段，也是四川省二级公路网络规划的重要公路骨架之一，兼有省州之间辐射线和进藏通道的重要作用。

马尔康二号隧道位于阿坝州州府马尔康城区，属于国道317线绕城段。隧道桩号为K200+285～K201+981，设计速度60 km·h-1，为二级公路单洞双向行车隧道，建筑限界净高5.0 m，净宽10.0 m。该隧道为傍山隧道，全长1 696 m。隧址区属构造侵蚀中高山峡谷地貌，梭磨河在该段弯曲，隧道轴线上山脊最高高程为2 880 m，隧道附近梭磨河最低高程2 603 m，相对高差约280 m。隧道沿线地貌均为梭磨河左岸斜坡区，基岩大面积裸露，地形陡峭，坡度一般为40°～60°，多陡崖分布。区内旱、雨季分明，工程区内地下水有松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水两大类型，主要受河水、大气降水和高山融雪水补给，对岩体无明显腐蚀性。

2 隧道原设计围岩情况及地质病害

2.1 原设计围岩情况

该隧道围岩主要为砂板岩、炭质千枚岩、变质砂岩和板岩等，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，基岩有少量渗水，围岩稳定性较差，属于不稳定围岩。原设计围岩划分见表1，隧道各衬砌类型的支护参数见表2。

表1 原设计围岩划分

表2 衬砌支护参数

2.2 地质病害概况

马尔康二号隧道的施工方式为进口和出口同时掘进，洞身以深埋Ⅲ级围岩为主。

隧道进口端K200+380～K200+650(270 m)的设计衬砌类型为Ⅲ型衬砌，根据施工过程中第三方的超前地质预报资料和实际开挖揭示的围岩情况，原设计支护参数不能满足要求，而业主也根据围岩的实际情况，按正常变更程序分段对支护参数进行调整，按Ⅳ、Ⅴ型衬砌实施。其中K200+380～K200+410段由Ⅲ型调整为Ⅳ型衬砌，当掌子面桩号到K200+420时，K200+380～K200+410初支左侧拱架(临山侧)发生变形并侵入二衬断面，施工方按设计要求进行换拱和加固处治。

当掌子面开挖至K200+626时(衬砌类型已调整为Ⅴ型HW150@80 cm)，K200+613、K200+626左侧拱顶出现塌方和大量涌水，业主、专家组、设计、监理及施工方共同确定了塌方处治方案，将K200+626～K200+646段拱架调整为HW175@50 cm，其他衬砌参数也相应地增强。当开挖和初支至桩号K200+646，围岩为碳质板岩含千枚岩，且有大量涌水，初期支护喷射混凝土开裂剥落，型钢出现扭曲褶皱变形。第三方监控量测报告反映，拱顶下沉及周边收敛已超过预警值，存在严重的安全隐患。采用HW150@100 cm型钢临时护拱加强支撑，对侵限部位作换拱加固处置。

隧道出口端K201+403～K200+863设计衬砌类型为Ⅲ型，与进口端类似，根据超前地质预报和实际掌子面围岩情况分段调整为Ⅳ、Ⅴ型衬砌形式。其中K201+393～K201+336段围岩调整为Ⅴ型衬砌HW150@80 cm，当开挖和初期支护到桩号K201+341时，也出现初支喷射混凝土开裂、型钢拱架变形。鉴于此，施工方将型钢间距自行调整为50～60 cm，但拱顶下沉、周边收敛及初支变形的现象仍未得到有效的控制。施工方立即为变形段增设HW150@100 cm型钢临时护拱加强支撑，确保施工安全；对侵限部位作换拱处理，并确保二衬厚度。

3 围岩地质特性

(1)发生地质病害的围岩主要为碳质板岩夹变质粉砂岩及千枚岩，地下水为裂隙渗水，局部地方有涌水。

(2)岩体破碎，节理发育，岩体间结合力较差，开挖洞身后围岩自稳能力较差，围岩强度低，遇水软化，应力重新分布，易产生塑性变形。

(3)岩体结构面处胶结力小，易滑塌，开挖过程中掌子面处岩层沿结构面滑移错位，连带着结构面周围的岩体产生较大的松弛变形，导致未支护段落滑塌，已支护段落变形。

4 失稳原因分析

(1)马尔康二号隧道为傍山偏压隧道，地表全强风化，覆盖层巨厚，最厚约60 m，从地质纵断面、现有的地形与地质资料以及隧道洞身实际揭示的地质条件分析，隧道洞身纵向可能处于岩土分界面附近，开挖后围岩成拱效应微弱，支护结构受到的压力极大，导致初支经常变形、开裂。

(2)隧道开挖掘进显示，围岩主要为强风化碳质板岩、千枚岩夹变质石英岩，岩体裂隙发育且破碎，现场地质情况复杂，掌子面软硬互呈，不同部位应力产生差异；从开挖产状分析，北西向、北东向、南北向构造均有，构造叠加，节理发育，存在断层及褶皱，围岩整体稳定性差；千枚岩遇水软化，强度快速降低，并逐渐变成粉末状，长期不收敛，导致开挖后形成裂隙；施工期间正值马尔康雨季，地下水增多，进一步使隧道围岩不断变差。

(3)从上述进、出口端3处初支变形的情况来看，围岩为碳质千枚岩，且处于富含地下水段。虽然也对原设计衬砌支护参数进行了增强调整，采用格栅拱架、HW175型钢拱架并加密拱架间距等，但是采用的都是单层钢架支护，在实际施工过程中并未取得预期效果，时常发生初支喷射混凝土剥落掉块、钢架扭曲变形、拱顶坍塌，必须及时采用临时钢架支撑才能稳定。这说明了单层钢架在应对这种特殊围岩时支护能力不足，原设计衬砌支护参数偏弱。本文限于篇幅，也只列举了上述3处初支变形段，在实际施工过程中马尔康一号、二号隧道还有多处发生类似情况，导致马尔康隧道总体施工进度缓慢，建设成本不可控。

5 双层拱架支护

5.1 双层拱架支护参数

(1)Ⅴ特2型衬砌断面设计如图1所示。

图1 Ⅴ特2型衬砌断面

(2)适用于洞身Ⅴ级特别软弱及地下水丰富的围岩段，采用双层型钢拱架支护(仰拱为单层)，初期支护型钢钢架分2层施作，第一层钢架间距1.0 m，初步喷射混凝土封闭后，紧接着在两榀钢架之间架立第二层钢架，复喷使初期支护总厚度控制在35 cm左右。钢架安装见图2。

图2 钢架安装

(2)系统径向锚杆采用Φ42注浆小导管代替，上台阶拱部180°范围内布置，间距l m×1 m对围岩进行注浆加固。小导管用热轧无缝钢管制成，直径42 mm，壁厚4 mm，单根管长4.5 m。管壁钻注浆孔，孔径为8 mm，孔间距20 cm，呈梅花形布置，尾部30 cm不钻注浆孔作为止浆段。

(3)超前支护采用与系统锚杆相同的小导管，在相邻两榀钢架连续布置，两环为一组，小插角5°～10°，大插角30°～40°，环向间距0.4 m，拱部120°范围内交错布置，端部焊接在钢架上。两组小导管之间纵向间距3 m，小插角导管的水平搭接长度不小于1.0 m。

(4)小导管注浆采用孔内多次间歇式注浆，采用标号42.5以上的普通硅酸盐水泥，水灰比约为0.5～0.6，现场试配确定，在富水段可以适当添加水玻璃。

从进口桩号K200+646到出口桩号K201+341，二号隧道洞身开挖尚剩余695 m，后期施工过程中发现采取上述双层拱架支护参数进行支护均取得了良好的效果，很好地控制了隧道沉降和收敛，保证了施工质量和安全，同时也避免了二次返工处理，大大加快了施工进度。

5.2 双层拱架支护的技术要点

双层拱架支护应根据地质围岩级别，并在超前地质预报及监控量测数据的指导下施工。

两层钢拱架应连续施工，以免第一层钢架长期单独受力；上台阶钢架脚落底应稳固，台阶底面应做成反弧状。隧道掌子面涌水较大时，应按设计要求进行堵排水处理，确保工作面不积水。

若遇变形加剧、靠近断层软弱破碎带、隧道涌水等情况，应提高监控量测频率，并通过超前地质预报探明前方地质条件，为工程决策提供必要依据。

6 结 语

(1)在马尔康二号隧道软弱碳质千枚岩涌水围岩段使用双层拱架支护能确保施工安全和工程质量，但工序繁复使隧道掘进时间延长，在设计上对局部处理欠佳，相较一般单层拱架支护每延米造价增幅较大，增加了建设投资成本，但确保开挖、支护、二次衬砌施工一次性通过，避免了返工处治隧道病害，缩短了建设周期，节省了资金投入。

(2)结合本工程对软弱碳质千枚岩围岩隧道施工中出现的问题进行归纳总结，充分利用超前地质预报和监控量测数据进行科学分析，经过反复研讨和对比方案，并在施工中不断修正、完善支护参数的不足，形成了一套有较大残余构造应力的千枚岩地质大变形隧道的施工方案，为以后遇到类似地质的隧道提供了很好的借鉴。