1 软弱破碎段炭质板岩特性及变形特性

　　1)炭质板岩为薄至中厚层状岩体，掌子面掘进后层状岩体剪断、解体，层状岩体会发生塑性滑动;竖向产状岩层中隧道拱腰处受应力集中和卸荷层向滑动产生弯曲变形引起边墙的鼓出;水平产状岩层中隧洞顶部和底部岩层变形常引起拱顶沉降和仰拱隆起;顺层产状围岩会发生滑移并伴随有弯曲变形，在弯曲部位内部会出现层间拉裂。

　　2)炭质板岩在掘进揭露后风化崩解加快且开挖形成临空面后裂隙扩张地下水集中排泄对围岩造成进一步软化，易出现开挖支护时无地下水，但在3～5d后初支面有湿润或集中滴状、线状渗水。

　　3)变形主要特性:(1)开挖后岩体受风化和水蚀软化影响，围岩变形持续时间长;(2)开挖后岩体初期围岩强度高，但随时间推移强度衰减较大;(3)开挖造成切脚后易形成剥落式塌腔和牵引滑动，拱顶掉块严重;(4)围岩地质构造复杂，在同一断面上围岩强度变化大，极易形成偏压变形。

　　2 开挖及支护参数的选择

　　2.1 开挖方法选择

　　由于软弱破碎炭质板岩开挖暴露后变形速率和风化快、变形量大、易形成剥落掉块，应采取一次性开挖临空面小、扰动小、能尽早封闭、利于流水循环作业的开挖方法进行，经采用二台阶法、CD法和环形开挖预留核心土法进行了实际作业比较，二台阶法开挖效率高，但在上台阶开挖后形成的临空面较大，在开挖和支护过程中板易形成顺层滑动及大面积剥落式坍塌，为最不适于采用的开挖方法;CD法施工，各分部开挖形面临空面积小，但临空高度大，开挖也易形成滑动和塌方，此法也不适宜此类地层的开挖;环形开挖预留核心土法，在7个分部开挖过程中各分部临空面均较小，不易形成滑动及塌方，利于早开挖早封闭循环施工条件，上部留核心土支挡开挖工作面，利于及时施作拱部初期支护以增强开挖工作面的稳定，核心土及下部开挖在拱部初期支护保护下进行，施工安全性好，对此类地层较为适用;环形开挖预留核心土法施工主要步骤:上弧形导坑开挖、拱部初期支护、中核心开挖、中部开挖及初期支护、下部开挖及支护，具体如图1所示。

　　图1 环形开挖预留核心土法开挖示意  

　　环形开挖预留核心土法针对软弱破碎段炭质板岩开挖支护中，各分部开挖应根据实际揭示的岩石强度、构造及地下水情况对开挖进尺作出实时调整，上导坑开挖进尺宜控制0.5～1.2m，中、下导坑开挖左右应错开开挖两榀以上，开挖进尺应在0.5～2.4m，仰拱落底一次开挖进尺应严格控制在3m以内。

　　2.2 支护参数选择

　　由于软弱破碎段炭质板岩围岩变化复杂，根据地质超前预报、上导坑实际开挖揭示的围岩情况以及已施工段初支变形情况实时调整支护参数，做好动态设计;在此类地层根据构造发育情况、地下水出露情况、岩石层厚、产状和走向、强度等条件主要采取的支护参数有以下几种。

　　1)若掌子面出露为薄层状、破碎、产状及走向不利于洞壁稳定并伴有地下水，首先开挖前应采取L=4.5m、间距30cm、纵向搭接3m的超前小导管预注浆支护，开挖后采用I22b拱架支护、间距50cm、拱架纵向连接采用槽钢焊接，径向120°角范围内设间距1.5m,L=4.5m，42注浆小导管锚杆，节点锁脚采用89、L=6m注浆导管，预留沉降量增加到30cm。

　　2)若掌子面出露为薄层状、破碎、产状及走向不利于洞壁稳定、无地下水，首先开挖前应采取L=4.5m、间距30cm、纵向搭接1.5m的超前小导管预注浆支护，开挖后采用I22b拱架支护、间距60cm、拱架纵向连接采用钢筋焊接，径向120°角范围内设间距1.5m,L=4.5m，42注浆小导管，节点锁脚采用2根42,L=4.5m注浆导管，预留沉降量增加到20cm。

　　3)若掌子面出露为薄至中厚层状、局部破碎、伴有地下水，首先开挖前应采取L=4.5m、间距30cm、纵向搭接1.5m的超前小导管预注浆支护，开挖后采用I20a拱架支护、间距60cm、拱架纵向连接采用钢筋焊接，径向120°角范围内设间距1.0m,L=4.5m注浆中空锚杆，节点锁脚采用2根42,L=4.5m注浆导管，预留沉降量为15cm。

　　4)若掌子面出露为薄至中厚层状、局部破碎、无地下水，首先开挖前应采取L=4.5m、间距30cm、纵向搭接1.5m的超前小导管预注浆支护，开挖后采用I18拱架支护、间距60cm、拱架纵向连接采用钢筋焊接，径向120°角范围内设间距1.0 m,L=3m注浆中空锚杆，节点锁脚采用2根42,L=4.5m注浆导管，预留沉降量为15cm。

　　3 施工注意事项

　　1)拱架连接板的密贴性控制

　　在破碎富水段炭质板岩地段，围岩沉降、收敛均较大，拱架各单元间的连接质量是能否承受住围岩压力和约束塑性变形的关键点之一，在拱架制作安装过程中以注意以下几方面:(1)各单元处的接头钢板建议加厚至15mm以上;(2)钢拱架安装的竖直度及高程控制在允许偏差范围内，要保证接头板接合紧密关键;(3)拱脚采用人工或单齿挖机开挖，避免在开挖过程中对接头板的碰撞变形;(4)提高拱架制作工艺水平，确保拱架尺寸及接头板角度精确，加强拱架的出厂检验及运输吊装过程的成品保护。

　　2)各节段的锁脚应加强质量控制，控制的重点为锁脚的角度应控制在15°、锁脚与拱架间的连接质量及锁脚的注浆加固质量。

　　3)对顺层滑动出现的空腔随出现随回填并注浆，达到设计强度的70%后再行下循环开挖。

　　4 变形控制措施

　　1)做好动态设计，及时调整支护参数

　　穿过此类地层的隧道地质条件复杂，围岩变化较快，地下水活动频繁，围岩自稳性极差，通过采取雷达及超前钻孔加强提高地质超前预报的及时性和准确性，及时调整支护参数的，做好动态设计，是保证此类隧道安全施工最基本的手段和办法，也是控制投资最有利的办法;充分利用超前小导管钻孔揭露情况，进一步验证探明确掌子面前方围岩状况，及时调整支护和排水方案。

　　2)勤量测，对成果认真分析，出现变形速率过快的段落及时做好二次加固措施，确保不出现初支侵限换拱及塌方。

　　3)安全步距控制措施

　　按照规范要求，V级围岩仰拱距掌子面距离<50m、二衬距掌子面距离<70m，但由于炭质板岩变形持续时间小、变形速率大，在此类地层掘进中应尽快让初支封闭成环和施作仰拱，结合满足环形开挖预留核心土开挖方法所需的中下台阶长度要求和初支成环前后的监控量测资料分析，按照封闭成环的原则仰拱至掌子面距离控制在20～25m间较为适宜，监控量测资料分析，施工仰拱后拱顶沉降和周边位移受到极强控制，变形速率很快稳定在0.3mm/d以下，此时二衬即可跟进，进一步保证的安全。

　　4)加强重点工序的施工质量控制

　　控制变形的质量控制重点集中在初支上，主要重点工序有超欠挖控制、钢拱架安装、锁脚锚杆、系统锚杆和喷射混凝土;开挖时除超欠挖控制外重点还有超挖后回填应密实(喷射或泵送混凝土)，钢拱架安装重点是连接板连接紧密且拱脚不能悬空，锁脚锚杆的重点是锚杆角度和与拱架连接，系统锚杆的重点是严格按设计施作并注浆密实，喷射混凝土的重点为厚度和抗压强度。

　　5 结语

　　通过对香丽高速小中甸隧道穿越较长距离软弱破碎炭质板岩段的施工，由于炭质板岩的特殊性和复杂性，过程中经历了多次的塌方、换拱、大变形、突泥涌水、仰拱开裂等病害，施工难度较大、进度一直较为缓慢。通过在项目推进中的不断摸索和总结，以上从工法工艺、支护参数选择和质量控制要点总结出一些针对此类地质条件下的两车道高速公路隧道开挖支护施工控制经验，供同类公路隧道施工借鉴参考。