浅析康家楼隧道初期支护大变形处治技术

魏 杰

（和榆高速公路建设管理处，山西 左权 032600）

1 工程概况

康家楼隧道为分离式山岭岩石隧道，左线长8 478 m、右线长8 500 m，左右线均为特长隧道，左右线间距35 m，最大埋深511.4 m。隧址区位于山西省东部，横穿太行山山脉中南部晋冀交界处，地形地貌极为复杂，沟壑纵横，悬崖峭壁，围岩以石英砂岩、长石砂岩和砂质泥页岩为主，岩层裂隙发育。该隧道共发育断层16条，地下水富水性相对较强，含水段长度达6 764 m，施工中出现多次涌水、突泥和大变形等不良地质灾害，对工程影响较大。

2 突水变形状况

当康家楼隧道右线上台阶施工至K71+376处，右侧下导坑施工至K71+366处时，右侧下导坑围岩为粉质砂岩与砂质页岩相夹杂，岩层层厚20～30 cm，有少量裂隙水从岩石裂隙缝内流出。晚上21:10，在开挖出碴完成后进行拱架施工时，右侧下导坑裂隙水增大，岩层大块剥落坍塌，几分钟后，右侧下导有部分砂岩块夹杂泥水快速涌出，方量约15～20 m3，右侧涌水量迅速增大，同时已施工完成喷射混凝土表面出现裂缝，中导坑右侧拱架扭曲变形，裂隙迅速加大，右侧中下导坑K71+350—K71+370段出现纵向裂缝，初期支护表面能够明显看到收敛变形，拱架扭曲，现场立即组织疏散撤离，停止掌子面的施工，同时从洞外拉碴进行堆碴反压。晚上23:30，现场在堆碴反压完成后，变形趋于稳定。

在变形稳定后，由测量人员对初期支护断面进行监测，数据显示，K71+351.5处右侧收敛变形26.5 cm，K71+364.3处收敛变形75.3 cm，已经严重侵限。

3 初期支护变形原因分析

该施工段落处于F5～F6断层破碎带之间，断层破碎带宽24 m，岩体节理裂隙发育，裂隙充填胶泥和角砾状砂岩，设计围岩类别为Ⅳ3，超前地质预报资料显示该段内纵横波反射界面明显增多，纵波、横波速度均有明显降低，推断围岩岩体破碎、裂隙发育，稳定性较差，有渗涌水可能，与设计描述基本相符，开挖支护时已采取加强措施，采用Ⅴ级深埋衬砌支护参数，三台阶预留核心土法进行开挖施工。现场揭示该段围岩主要为中风化粉质砂岩，干燥状态试验强度为20～25 MPa左右，但是遇水后粉质砂岩强度迅速降低，长期浸泡后形成泥塑状，围岩自稳能力大大降低，渗涌水和岩石软化增大了初期支护压力，造成初期支护扭曲变形、开裂。

4 处治方法

大变形段处理具体措施见图1。

图1 大变形段处理示意图

4.1 应急措施

a）暂停掌子面掘进施工，采用喷射C25混凝土将掌子面封闭，掌子面封闭厚度不小于10 cm，防止掌子面因暴露时间过长、围岩强度降低而发生坍塌[1]。

b）增加抽水设备，加快排除积水，防止围岩长期浸泡软化，为后续工作提供作业面。

c）堆碴反压变形段初期支护。采用洞外拉碴对掌子面进行反填，堆碴高度5 m，长度25 m，对碴堆采取喷射混凝土封闭，然后进行注浆固结，为变形段初期支护拱腰部提供支撑，减少围岩压力对初期支护的进一步影响，避免收敛变形加速，造成围岩坍塌。

4.2 加固措施

a）注浆加固围岩。对K71+350—K71+370段已施工初期支护段围岩进行加固，加固采用φ42注浆小导管，长度4～5 m（根据变形情况确定，变形大，导管应适当加长），布设间距80 cm（纵）×100 cm（横），注1∶0.8水泥水玻璃双液浆进行加固及堵水，注浆终压控制在0.5～1.0 MPa，使变形段围岩形成自稳能力，确保已施工段初期支护稳定和下一步处治过程中作业安全。

b）增加临时支撑。对K71+350—K71+370段已施工初期支护采用I20a工字钢+喷射混凝土进行横向临时仰拱支撑，纵向间距80 cm，临时仰拱I20a工字钢应对原初期支护I18工字钢布置，于钢拱架连接处焊接牢固。临时仰拱之间采用方木进行横向支撑，形成网格状布置，防止因侧向挤压过大导致临时仰拱发生扭曲变形[1]。临时仰拱钢拱架之间采用C25喷射混凝土填充密实，使之形成一个整体，以保证在进行换拱作业时初期支护稳定。

c）加快未变形段成环，防止变形范围进一步扩大。为确保未变形段安全稳定，先加快仰拱施工，形成闭合环均匀受力，将K71+330—K71+350段C15仰拱填充变更为C30混凝土，提高混凝土标号，尽早形成强度，降低初期支护变形风险。

d）加强监控量测，预防次生灾害。初期支护加固处理过程中，应加强变形段的围岩量测，经连续监测，收敛变形和钢拱架内应力逐步降低后，才能进行下一步处治工作。

4.3 处治措施

a）超前支护。在K71+350—K71+370段初期支护加固完成后，且围岩收敛趋于稳定后，对该段拱架进行换拱处理，换拱前先进行超前支护，拱部120°范围采用φ42超前注浆小导管支护，间距40 cm，长度300 cm，外插角10°，每更换2榀拱架施作一循环。

b）换拱处理。采取“减弱爆破，逐榀换拱，加强锁脚，及时喷锚”的施工方法，减少对围岩扰动和围岩暴露时间，对侵界的围岩及支护爆破开挖后，人工将已侵限的钢拱架、锚杆、导管进行拆除（或割除），然后安装新拱架。换拱按上下台阶分次施工，不应一次全断面更换，先更换拱部或上导坑部分钢拱架，然后换下导坑和堆碴反压掩埋部分，接头处加强锁脚锚管施工。下部换拱作业时先拆除临时仰拱，单侧开挖施工，中间预留核心土，换拱前先注浆加固围岩（同拱部处理）。

c）换拱拱架采用I20a工字钢，拱架间距由80 cm调整为60 cm，每循环施工1榀拱架，将系统径向锚杆调整为径向注浆小导管，间距为60 cm（纵）×100 cm（横），长度4 m/根，呈梅花型布置，并与工字钢焊接在一起；增加喷射混凝土厚度，将喷混凝土厚度由26 cm调整为30 cm；增设锁脚锚管，采用φ42小导管施做锁脚，长度4 m，在每榀钢拱架两侧各施做两根，且注浆对其进行加固。

d）每完成2～3 m换拱，停止换拱作业，迅速完成该段仰拱及仰拱填充施工，确保初期支护封闭成环，整体受力。

e）对渗水集中的初期支护表面预留泄水孔，通过环向半边管将初期支护背后渗水集中引排至纵向中心排水管，同时加密渗水变形段落排水管，环向及横向排水管调整为1道/5 m。

换拱作业时，加大对换拱后初期支护拱顶下沉及周边收敛观测频率，监测初期支护变化情况，一旦有异常情况增加临时支撑或迅速将人员撤离，确保施工安全。

康家楼隧道K71+350—K71+370段涌水变形段，通过堆碴反压、临时仰拱及注浆加固等处理措施后，在换拱期间支护变形稳定，未再次发生大的变形，在施工安全和处理效果上达到了预期目标。

5 不良地质变形预防及控制措施

a）加强超前地质预报工作，TSP地震波与地质雷达探测长短结合，为施工提供可靠资料，必要时对探测到的不良地质段，采用超前地质钻孔验证前方地质和地下水情况，提前做好不良地质段的强支护及排水措施。施工中应严格遵循“管超前，严注浆，短进尺，强支护，勤量测，早成环”的施工原则。

b）对不良地质段采用三台阶预留核心土的开挖方法，中台阶及下台阶在开挖过程中必须错开开挖，严禁对开，左右侧错开距离宜为2～3 m，且在中台阶及下台阶增设临时仰拱的措施约束变形，二衬距离掌子面的距离控制在35 m之内。

c）增大施工预留变形量，一般控制在20～30 cm之间，可根据现场监控量测情况进行调整。

d）洞内上台阶初期支护背后出水点的位置埋设钢管将水引排，并在拱脚位置设置临时排水沟，将水排至集水坑。渗涌水段必须及时将积水抽排，防止积水渗泡，降低围岩强度，加剧支护变形。

e）出现支护较大变形，特别是伴随渗水时，应先拉洞碴反压，以约束支护变形，并采取临时加固措施防止围岩坍塌。对围岩注浆加固时，可采取增加注浆孔数量减小注浆压力，在保证扩散半径搭接的前提下，防止注浆压力过大造成围岩变形加剧，以保证施工安全。

f）平时要做好应急物资储备，比如做好水玻璃、小导管、方木的日常储备，对可能发生涌突水的反坡段落提前布设抽水管线等，确保发生突水变形时能及时投入使用。

6 结语

康家楼隧道大部分富水断层破碎带采取加强超前地质预报、提前预防性加固围岩、加强初期支护和三台阶稳步施工等措施，均安全顺利通过，未发生较大变形。在之后发生的两段初期支护大变形的处理中均采用上述处治方法，未发生任何安全事故，换拱后初期支护稳定，二次衬砌无开裂，取得明显效果。

隧道换拱方式多种多样，安全有效是第一位，采取有针对性、稳妥的围岩加固措施后，再采取“减弱爆破，逐榀换拱，加强锁脚，及时喷锚，迅速成环”的换拱方式，具有快速安全、支护稳定的特点，在岩石隧道支护变形换拱处理中是一种较为合理的施工方法。