对某高速公路隧道初支结构变形段处治的思考

牛 紫 龙

(中铁隧道集团有限公司,广东 广州 510080)

对某高速公路隧道初支结构变形段处治的思考

牛 紫 龙

(中铁隧道集团有限公司,广东 广州 510080)

鉴于初期支护是二次衬砌的基础,初期支护大变形的预防与整治是破碎松散地质条件下隧道施工的关键,针对初期支护大变形的危害,分析了某高速公路隧道初期支护大幅变形的原因,提出了初期支护大变形的整治措施。

隧道，支护，变形，下沉，加固

1 工程概况

该高速公路隧道为左右分离式隧道，隧道左线长565 m，右线长640 m。其中左、右线分别位于半径3 500 m和3 100 m的圆曲线上，线间距为33 m，隧道净宽15.5 m，净高5.0 m。隧道埋深为5 m～60 m，穿越地段基岩为全～强风化砂页岩夹灰岩，岩质软弱，裂隙极发育。全隧道设计为Ⅴ级围岩，采用双侧壁导坑开挖工法。隧道按新奥法原理设计，结构采用锚、网、喷、钢拱架组成初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合式衬砌形式。设计衬砌类型为S5b型。初期支护工字钢拱架型号20b，间距50 cm；双层Φ8钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm；C25喷射混凝土28 cm厚。衬砌采用钢筋混凝土结构，设计55 cm厚C25防水混凝土，主筋Φ25螺纹钢，间距20 cm。隧道结构设计如图1所示。

2 隧道变形段开挖实际揭露地质

原设计资料显示该段开挖面已全部进入了灰岩。而据地表钻孔和实际开挖揭示，隧道变形段所处地质条件较差，其上覆粉质粘土残坡积层，揭露深度为1.4 m～29.1 m，坡体中部层厚较大，局部有炭质页岩、泥岩夹层(0.9 m～3.5 m)，下伏中～微风(炭质)化灰岩、砂岩为主。

3 隧道初支变形情况描述

3.1 隧道内初支变形情况

隧道在开挖右侧壁YK97+760仰拱时，临时侧壁出现了滑移垮塌，垮塌纵向长约7 m。同时，据现场观察和量测，ZK97+717～ZK97+784段(共计67 m)左右侧壁初支开裂加剧，部分初支向隧道内侧鼓胀变形，钢拱架扭曲失效，侧壁上中台阶连接处拱架错位变形最为明显，形成剪切破坏形态，多段初支侵入二衬轮廓线5 cm～40 cm不等。初支变形破坏情况如图2所示。

3.2 地表开裂情况

隧道K97+600.0～K97+680.0范围左、右幅隧道间自然地表出现明显开裂现象。其中，第一条张拉裂缝位于左幅隧道右导洞上方，走向近洞轴向，长约20余米，最大宽度约10 cm，可测深超1 m；第二条裂缝位于左右幅隧道间，走向与洞轴向呈一定角度，长约14 m，最大宽度约30 cm，可测深超1 m；第三条裂缝位于右幅隧道右导洞上方，走向近洞轴向，长约9 m，最大宽度约10 cm，可测深超1 m。地表开裂情况如图3所示。

4 初支结构变形原因分析

从初支破坏的形态看，隧道支护结构明显受到了巨大的外力作用，结合监测发展数据分析，整个坡体是存在变形滑动或者说是蠕动的，但又没能找出明显滑动面，即不能断定隧道结构破坏由滑坡引起，分析可能有以下几方面因素综合导致初支产生重大变形：

1)因前期施工掘进、爆破等人工活动的影响，破坏了坡体的自然平衡，使中部土体产生松弛开裂变形，继而牵引后部部分坡体向前方产生挤压或推移。

2)外加前期降雨影响，大量地表水不断入渗，使得坡体饱水，自重加大，不断软化岩土体，抗剪强度降低，致使边坡局部受力进一步增加，诱使坡体局部出现明显的变形滑动。

3)由于隧道上方自然坡体的潜在滑动，隧道上方原有土体的稳定形态被扰动，不能再依据新奥法的设计原理形成隧道自然拱，隧道初期支护承担着上覆饱水土体的巨大荷载，围岩和初支结构受力逐步增加至超出承载范围而造成初支结构变形发展、拱架扭曲和剪切形态破坏。

4)随着隧道停止掘进扰动和滑动后土体应力的重新调整，隧道初支结构、上方土体荷载又形成了新的应力平衡，这又是变形发生后监测数据未能反映土体继续滑动和结构深层破坏的原因。

综上所述，隧道施工掘进扰动和爆破影响坡体自然平衡，加上降雨引发的土体荷载增大，是引起初支结构变形破坏的诱因。由于山体已有的滑动和扰动，加上巨大的山体外力存在，设计上无法准确地对当前隧道支护参数的安全度进行评判，也给下一步的施工安全带来极大的不确定因素和风险，也不排除滑动面(带)贯通发展、深部发展的可能，因此在制定处治方案和措施上遇到很大困难。

5 变形处治方案及效果

总体上讲，初支结构破坏原因分析特别是后期变形是否发展存在大的不确定性，增大了处治方案确定的难度，但是工程不能停滞不前，只得被迫在处治方案或者措施上进行尝试或试验，以最终结构能否稳定来验证其方案是否可行。最后，通过专家会议确定，选取了一段已经遭到破坏的初支结构作为试验段来恢复施工。

5.1 试验段施工原则

以确保施工安全为前提，先通过TSS注浆改良开挖轮廓线外3 m～5 m范围土体恢复隧道组合拱，由新的组合拱来承载土压力，再对初支变形部位恢复开挖换拱，进一步提高设计支护参数来实现隧道永久初支结构体系的可靠性和稳定性，试验段施工过程加密监控量测，严格工艺、工法控制。如果试验段恢复开挖换拱后山体稳定无滑动，并且试验段新的初支结构体系稳定可行，则二衬紧跟封闭，否则该方案不可行。通过总结试验段的参数和工艺，以此指导后续段施工。

5.2 试验段细化方案

经现场调查，试验段选定在隧道左线左侧壁ZK97+717～ZK97+723段，长度为6 m，现场测量该段初支剪切变形破坏已侵入二衬轮廓线。对变形段进行设计加强，设计衬砌类型为S5a型。初期支护工字钢拱架型号25a，间距50 cm；双层Φ8钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm；C25喷射混凝土31 cm厚。衬砌采用钢筋混凝土结构，设计60 cm厚C25防水混凝土，主筋Φ25螺纹钢，间距20 cm。

方案施工流程为：先进行隧道TSS径向注浆改良土体恢复组合拱，再进行开挖换拱支护，同步观测山体是否存在滑动，做好洞内监测,依据监测情况决策下步衬砌和后续循环。

5.3 试验段验证效果

1)注浆后围岩改良效果。试验段TSS注浆管按1 m×1 m间距，梅花形布置，试验段环向布设数量为31根，纵向布设7排，总数量217根。注浆量共341.3 m3，注浆管数量为868 m，每延米实际注浆量约0.24 m3。本次注浆达到了预期效果，且在注浆过程中，注浆终压控制在2.0 MPa。开挖后，土体稳定性有了明显改善，确保了试验段顺利换拱开挖。

2)换拱施工。现场试验段换拱严格按方案施工，每次换1榀，利用防水板台架作为操作平台，施工时人工风镐破除原喷射混凝土及二次开挖。现场开挖后，发现土体密实坚硬，干燥无水，自稳性较好。

3)洞内监测情况。试验段施工期间，项目监控量测组严格执行施工监控量测专项方案，加密监测频率，在ZK97+717及ZK97+722两个断面设置洞内拱顶沉降和边墙收敛监测点，确保及时监测及数据分析，以便及时调整施工方案，信息化指导施工。

换拱后通过近一个月的监控数据，监测点后期日变化速率逐步减小，期间最大沉降速率1.9 mm/d，最大收敛速率2.1 mm/d，累计最大沉降32.1 mm，累计最大收敛38.7 mm，从监测数据来看，换拱后，隧道变形逐步趋于稳定，初支处于稳定状态，在安全可控施工范围内。随即跟进完成了加强设计后的二次衬砌封闭，适当延长了二衬拆模养护时间，衬砌后仍保持不间断监测，显示结构稳定无破坏迹象。

4)洞外监测情况。试验段施工期间，是地区降雨较为集中的月份，月降雨约184 mm。洞外巡查和监测数据显示：ZK97+670.0右约5 m及25 m两条既有封闭裂缝未见明显发展，地面监测点反映浅层地表位移相对较小，深部位移反映Ⅱ—Ⅱ及Ⅲ—Ⅲ监测断面附近坡体(在隧道拱顶上方)整体状态稳定。

6 结语

总体上讲，依据洞内外变形监测数据分析，山体和已处治完成的隧道支护结构处于相对稳定和安全的状态，验证了该6 m试验段方案是可行的。剩余的61 m严重变形段均采用试验段确定的方案进行了实施，最终安全的完成了该段隧道支护结构的施作，持续洞内外变形监测也表明了该段隧道支护结构是稳定和安全的。

[1] 宋 飞.隧道初期支护施工变异及其力学效应初探[J].山西交通科技，2011(12)：23-25.

[2] 段林娣.某公路隧道围岩稳定性及支护方式分析[J].中国安全科学学报，2009(12)：49-51.

[3] 熊 岚.隧道初期支护侵限段的结构安全性分析[J].施工技术，2011(9)：114-115.

[4] 李 荣.公路隧道初期支护大变形处理[J].西部探矿工程，2005(7)：128-129.

[5] 谢铭师.某高速公路隧道支护技术及施工监控量测研究[J].江西建材，2014(8)：33-35.

Introduction of an expressway tunnel deformation of the structure in the early period of treatment of thinking

Niu Zilong

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Guangzhou510080,China)

As early support is the foundation of the second lining, the prevention and renovation for large-scale deformation of early support have become the key to he excavation of soft surrounding rock tunnels. In the light of the harms in large-scale deformation of early support, this paper analyzes the cause of large-scale deformation of early support in a tunnel. The measures for renovation of large-scale deformation of early support are presented.

tunnel， support， deformation， subsidence， strengthening

2014-12-16

牛紫龙(1976- )，男，工程师

1009-6825(2015)06-0170-02

U451

A