公路隧道围岩变形和支护开裂机理及处治技术

王世平 罗明恒

(神农架神松建筑有限责任公司,湖北 神农架 442400)

公路隧道围岩变形和支护开裂机理及处治技术

王世平 罗明恒

(神农架神松建筑有限责任公司,湖北 神农架 442400)

在分析白岩溪隧道工程地质、水文地质条件的基础上，结合隧道围岩变形及支护结构的开裂现状，研究了隧道围岩变形及支护结构开裂的机理，提出了处治关键技术，并开展了实时监控量测，结果表明，沉降及变形趋于稳定，验证了所提出的处治关键技术切实有效。

公路隧道，围岩变形，支护开裂，处治技术，监控量测

0 引言

湖北沪蓉高速公路宜昌至长阳段白岩溪隧道右幅里桩号YK54+031～YK55+231，全长1.2 km，隧道最大埋深243 m，隧道穿越新华夏北北东向断裂带，地质构造强烈，隧道地质状况复杂。在隧道施工过程中，多次发生围岩大变形、初期支护和二次衬砌开裂等现象，对隧道施工及安全造成了较大影响，本文就此对该隧道支护变形开裂机理及处治技术进行研究，既是对该隧道的施工经验进行总结，也是为其他同类工程提供相关借鉴。

1 工程地质环境

1.1 工程地质条件

白岩溪隧道穿越新华夏北北东向断裂带，地质构造强烈，隧道地质状况复杂，隧道出露岩层以第四系粉质粘土、碎石、泥质页岩为主，进出口段强风化层厚度达10 m以上，由于其复杂的地质构造，现场对其共布设了6个钻孔展开勘察工作，进出口各3个，钻孔编号分别为ZK1～ZK6号钻孔。钻孔岩芯图见图1。

从出口段ZK6地质钻孔(桩号：ZK54+537)揭露的岩芯来看，隧道设计标高处岩体为中风化泥质页岩，岩芯多成短柱状，个别呈长柱状，说明该段岩体节理裂隙一般发育，岩体完整性较好，另外揭露的岩芯具有一定的抗压强度，属于较软岩。

1.2 水文地质特征

隧址区地表水系较发育，隧道进出口均有骡马河流经，低于隧道设计标高约12 m～20 m，对工程影响不大。隧道洞身段附近无大的水体分布，多为季节性降水，水量不稳定。根据区域水文资料及邻近水文试验资料，隧址区地表水、地下水对混凝土结构及其中的钢筋具微腐蚀性。隧址区无大的地表水体，未见明显地下水集中排泄通道，主要接受大气降雨的垂直补给，总体水量较丰富。

2 隧道支护结构变形开裂现状及机理

2.1 隧道围岩变形及支护结构开裂现状

白岩溪隧道多处围岩发生大变形，且支护结构也随之发生开裂，出现变形及开裂的里程段具体为：

1)出口右洞YK54+401～YK54+413段12 m和YK54+350～YK54+389段39 m范围内发生初期支护开裂变形，钢架扭曲情况较为严重，如图2所示。

2)YK54+513～YK54+537段24 m和YK54+480～YK54+490段10 m范围内发生二次衬砌崩裂。原增设的二衬临时护拱及斜撑变形也较为严重。出口左洞ZK54+435～ZK54+380段55 m范围初期支护发生开裂变形，其中ZK54+435～ZK54+400段右侧35 m范围边墙侵陷较为严重，如图3所示。

2.2 隧道围岩变形及支护结构开裂机理

从目前隧道围岩变形及支护结构开裂变形的情况来看，白岩溪隧道YK54+537至洞口的二衬和初支较为稳定，开工以来从未出现开裂变形现象，这与地质钻孔揭露的围岩情况基本一致。按照一般地质规律[1-3]，对于随着隧道埋深的逐渐增大，围岩风化程度及破碎程度理应逐渐变小，但从该隧道目前开挖揭露的掌子面围岩来看，随着隧道埋深的增加，YK54+537向小桩号方向揭露的围岩完整性及岩体强度呈现逐渐变差的趋势，由中风化转变为强风化。

在隧道开挖过程中，隧道临空面的产生使得隧道围岩内部应力状态发生改变，在强风化的页岩隧道中往往会出现较大的塑性圈，加之地下水以及开挖扰动的影响，围岩将进一步损伤劣化，常会产生较大的塑性变形，在长期荷载作用下，围岩逐渐蠕变直至发生大变形，产生大变形后又会加剧围岩的损伤，裂隙的不断发展导致地表水更容易下渗，进一步软化围岩，使得岩石损伤劣化陷入恶性循环[4，5]。另外从揭露的围岩中，发现了一些小型的地质构造体，例如小的褶皱及揉皱，表明该隧道的复杂地质条件造成了目前隧道围岩变形及支护结构开裂。

3 围岩变形及支护开裂处治关键技术

3.1 处治依据

根据现场实际情况，并基于隧道围岩变形及支护结构开裂机理的分析可知，初支和二衬变形开裂的原因可以大致归结为以下三点：1)地质原因(岩性条件差、连续强降雨下渗)；2)后行洞施工扰动；3)施工原因(注浆效果不理想，施工质量控制不严)。

第一点可认为是客观原因，从目前揭露的围岩来看，开裂变形段围岩条件确实较差，并且局部段落发现有小型地质构造体发育，后面两点可认为是人为因素。其中后行洞施工扰动确实存在，因为对于强风化并且有软弱夹层发育的页岩隧道而言，隧道临空面的产生必然会导致隧道围岩内部应力状态发生改变，并产生一定程度的塑性变形[6]，从现场支护结构的变形情况也印证了这一点，随着左洞掌子面的掘进，右洞对应桩号的二衬及初支就会跟着一起开裂。因此后行洞的施工扰动确实在一定程度上加剧了先行洞右洞支护结构的变形和开裂。

3.2 处治关键技术

拟定围岩变形及支护开裂处治技术的原则为“先加固、后拆除、先处治、后施工、一次根治、不留后患、科学管理、持续改进”[7，8]。首先对大变形段落进行临时拱架支立和注浆加固，然后进行大变形段换拱施工，待换拱处理完成后恢复掌子面开挖施工。具体的处治关键技术为：

1)注浆效果监测。对于Ⅳ级、Ⅴ级围岩而言，注浆效果的好坏可以说决定了隧道工程的成败，因此“注浆效果监测”十分关键，所以，在拆除更换支护前应对围岩补注浆固结效果取芯观测，达到浆固结效果后再对原有初支逐榀进行拆除和更换。

2)增加锁脚锚杆的数量。每段拱架安装完毕后立即施打设锁脚锚管并注浆，新安装的钢拱架与第一次初喷混凝土紧密相贴，此外，应增加锁脚锚杆的数量，并确保锁脚锚杆施作的及时性。

3)U形连接钢筋。钢拱架间设置Φ22钢筋纵向连接钢筋，环向间距1 m，纵向连接钢筋在施作时应严格采用U形连接，以确保钢架的垂直度以及钢架间的整体受力。

4)加强排水系统。应进一步加强排水系统，增加辅助排水措施，另外在铺设防水板前，应将外露钢筋、小导管切割掉，并将端口打磨圆滑，防止其割破防水板使得防水失效。

5)变更施工顺序。在初支变形、二衬开裂处置中，施工顺序变更为先开挖左洞，再开挖右洞。从工期和工序上考虑，这种安排是比较合理。由于右洞开裂变形段落较长，处置时间必然较久，但目前工期要求又很紧张，因此左洞先行可以确保工程的顺利开展。

4 处治效果检验

为验证处治关键技术的处治效果，现场开展了实时监控量测，监测总体情况为：白岩溪隧道监控起始于2013年7月1日，于隧道出口地表布设了11个地表下沉监测点，其中左洞出口6个监测点，右洞5个监测点。截至2013年10月12日及2014年1月12日，左右洞地表沉降分别趋于稳定，时态曲线趋于平稳，沉降速率约为0.2 mm/d，表明沉降及变形已经趋于稳定，此时对洞口地表监测点放弃监测，后期安全风险较低。验证了所提出的处治关键技术切实有效。

ZK54+503断面的累计拱顶下沉见图4，下沉速率见图5，累计水平收敛见图6，水平收敛速率见图7。

5 结语

从监控量测数据来看，所提出的处治关键技术具有良好的效果，能够为类似工程提供参考和借鉴，同时，在后续施工过程中，应注意以下几个方面：

1)选用有能力有信誉的施工作业队伍，项目分部在施工现场应进一步增加技术人员配置，落实岗位责任制，建议和施工队签订“清包工合同”，这样更有利于施工作业的质量控制。2)应严格控制进尺和施工步距，将材料中所提的“短进尺、少扰动、早封闭、勤量测”落实到位。实施“弱爆破”，优化装药结构、严格控制装药量以保证良好的爆破效果，减少爆破对围岩及支护结构的扰动。

[1] 杨会军.复杂条件下隧道围岩变形特征[J].铁道工程学报,2006(1):57-60.

[2] 黄友林,吴连波.公路隧道衬砌开裂和渗漏水的分析及防治[J].公路交通技术,2008(1):115-117，124.

[3] 秦之富,谢 锋.四角山隧道病害特征及原因分析与处治方案研究[J].公路隧道,2012(1):20-24.

[4] 刘庭金,朱合华,夏才初,等.云南省连拱隧道衬砌开裂和渗漏水调查结果及分析[J].中国公路学报,2004(2):65-68.

[5] 周绍文,来 凯,王亚琼.公路隧道衬砌裂缝病害等级判定与处治技术[J].公路交通科技(应用技术版),2014(7):283-285.

[6] 张连成,叶 飞,谢永利.软弱破碎围岩隧道大变形机理及处治[J].公路交通科技,2011(12):94-100，137.

[7] 谢恩连.四方山隧道特大塌方成因分析及处治措施[J].中外公路,2011(6):217-220.

[8] 牛紫龙.对某高速公路隧道初支结构变形段处治的思考[J].山西建筑,2015，41(6):170-171.

The surrounding rock deformation and support cracking mechanism and treatment technology of highway tunnel

Wang Shiping Luo Mingheng

(ShennongjiaShensongConstructionCo.,Ltd,Shennongjia442400,China)

Based on the analysis of the engineering geology and hydrological condition of Baiyanxi Tunnel, the paper combines with the tunnel surrounding rock deformation and cracks on support structure, researches the mechanism for the tunnel surrounding rock deformation and structural cracks, points out the key techniques of the treatment, has the real time supervision and measure, and proves by the result that the settlement and deformation tends to be stable, and proves the technique is effective.

road tunnel, surrounding rock deformation, support crack, treatment technique, supervision and measurement

2015-04-20

王世平(1969- )，男，工程师； 罗明恒(1983- )，男，工程师

1009-6825(2015)19-0169-03

U457

A