隧道初支变形原因分析及有效综合处理措施

魏欣

摘要： 四川省汶马高速公路米亚罗3号隧道右线K163+970～+905段隧道围岩具有膨胀性，施工期间多次出现初期支护混凝土环向、纵向变形开裂，表层起皮掉块，初支钢架严重变形，部分初期支护严重侵限等多种质量问题。文章重点阐述了隧道产生初支变形的分析过程及采取的针对性综合整治措施。

Abstract： The surrounding rock of the K163 + 970 ～ + 905 tunnel on the right side of Miyaluo No.3 tunnel of Wenma Expressway in Sichuan Province has expansive properties. During the construction period， many quality problems occurred， such as circumferential and longitudinal deformation and cracking of initial supporting concrete， surface peeling off， early support steel frame serious deformation， part of the initial support serious damage and so on. This paper focuses on the analysis process of the initial support deformation of the tunnel and the comprehensive measures to be taken.

關键词： 公路隧道；膨胀性围岩；初支变形；整治措施

Key words： highway tunnel；expansive surrounding rock；initial branch deformation；remediation measures

中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0136-03

0 引言

四川省汶马高速公路米亚罗3号隧道为左右线分离式隧道，隧道间距为25～40m，右线起讫里程K162+723～K166+000，长度4277m。采用双曲线半圆拱的断面形式，隧道净宽10.9m，隧道净高7.2m。

施工期间米亚罗3号隧道右线K163+970～+910段洞顶发生初期支护砼纵向开裂、掉块现象，下边墙连接板处初期支护挤出下沉开裂，边墙初期支护墙面不均匀挤出，拱顶渗水。钢架变形超限。部分拱顶初期支护拱架形成褶曲，受力结构破坏等隧道病害。

此段原设计围岩为Ⅳ级，采用Z4型衬砌支护，超前支护采用？准22药卷锚杆支护。

经过分析研究病害产生的原因，并采取针对性的综合有效处理措施和施工方法，完成了此段隧道的变形整治。现将整治此段隧道的技术措施及特殊工艺及方法作如下介绍。

1 工程地质概况

此段变形隧道由大里程向小里程方向掘进。K163+950里程的地质情况较为典型：

掌子面揭露围岩以泥质千枚岩、板岩互层夹变质砂岩组成。掌子面左部和中部灰色薄层板岩、泥质千枚岩互层，挤压强烈，富含石英脉岩层紊乱极破碎，已软化泥化，围岩自稳能力极差，导致超挖严重；右部为薄层板岩和薄～中厚层变质砂岩互层含石英脉夹少量千枚岩，受构造挤压影响强烈，节理裂隙发育杂乱，节理裂隙相互切割，导致岩体破碎，呈裂隙块状～碎裂镶嵌结构。掌子面地下裂隙水呈点滴～线状流出并有一小股状流水。

围岩中的强风化千枚岩、强风化石英岩经过土工试验，其自由膨胀率（δef）为53%，结合其它指标判定围岩为具有遇水弱膨胀性质的软岩。

2 初支变形的原因分析

①围岩中强风化千枚岩和石英岩，具有遇水弱膨胀性质。但是地质勘察、设计及施工阶段因围岩膨胀性较低而忽视，对膨胀性造成的地质危害程度估计不够，所采取的初支结构承载能力不足，施工时也没能针对膨胀围岩而采取相的施工技术措施。当围岩应力聚集达到一定值后，造成初期支护急剧变形破坏，初期支护受力结构被破坏后，变形进一步加剧，造成初期支护侵限。因此膨胀性围岩膨胀应力的产生是导致初支变形的主要原因。

②本隧道地下水为受季节影响而水位发生变化的裂隙水，围岩受地下水作用而反复遇水膨胀、失水干缩，使得围岩节理裂隙发育，风化、软化及泥化严重，因其具有膨胀性，围岩本身聚集着较高的地应力，隧道开挖使聚集的应力部分得到释放，部分而未能及时得到释放的应力作用于初支上。当围岩应力得到释放时，其岩体变松驰而产生更多、更大的裂隙，加速了地下水的渗入，促进了岩体的吸水膨胀。前后膨胀围岩应力的叠加，导致初支出现结构破坏。

③长时间未能浇筑二次衬砌也是初支变形加大的原因之一。

3 初支变形整治措施

3.1 整治初支变形的方向

根据本隧道产生初支变形的原因，采取了以下三项针对性措施。

一是加固原本已松驰破碎的围岩，使其从破碎的块状凝结成稳固整体，形成具有自承载能力的平衡拱，降低围岩的变形位移量。这方面主要通过设置锚杆、压浆等措施。二是加强初期支护结构受力强度、刚度，提高初支的承载能力。主要通过加密钢拱架，加强初支间的联结，设置自进式锚杆联结钢架等措施。三是及时浇筑衬砌，使衬砌与初支共同形成承载能力强大的环状整体结构。

3.2 具体的综合整治方案

隧道初支大部分出现变形及超限，需进行拆除、扩挖后重新进行初期支护的施工。新初支设置R51N自进式注浆长锚杆，同时沿隧道全环设置？准42注浆管。通过深孔注浆将围岩松散破碎央块联结成稳固整体，使其具有自承载能力环状整体，大幅减少围岩作用于初支上的压力。并设置纵向[20槽钢将锚杆与工字钢拱架通过螺栓联结（图1），大幅提高钢架的承受围岩压力的能力。

R51N自进式注浆锚杆长10m，每断面在拱墙处设置9根，在抑拱处设置5根，沿隧道纵向间距为2.0m。注浆管长度为4m，隧道全环按间距为1.5m梅花型设置。

初支采用网距为20cm×20cm的？准8钢筋网，厚25cm的C25钢纤维喷砼，全封闭型I20b钢架（其间距由原设计的100cm加密至50cm）。

4 初支变形段施工的技术要点

①增设临时支撑，确保安全。为了确保安全，换拱前沿隧道纵向每隔100cm设置1处临时支撑钢架，临时支撑采用[18a槽钢加工而成，槽钢支撑与喷砼的间隙使用硬杂木楔紧。

②拱墙部位的原有初支拆除。拱墙部位的初支拆换施工每循环仅进行1榀钢架。采用液压凿岩机进行初支喷砼的拆除。割除钢架、连接筋及钢筋网，拆除初支后扩挖隧道围岩至断面要求的尺寸。

③封闭围岩。围岩开挖后立即喷射厚约3cm的钢纤维砼，以及时将围岩开挖面封闭，以防止围岩风化，避免围岩坍塌。新立的I20b钢架按每0.5m设置1榀。钢架间采用？准22螺纹钢筋焊接连接。铺网距20cm×20cm的？准8钢筋网，喷射厚25cm的C25钢纤维砼。

④自进式锚杆及注浆小导管施工。进行自进式锚杆及注浆小导管的施工，通过槽钢将钢架与锚杆连锚，压注水泥浆，使破碎围岩固结。

R51N锚杆采用凿岩台车打设，与槽钢连接后压注水灰比为0.35～0.45水泥浆，压浆压力取4.0～5.0MPa。

注浆小导管采用？准42无缝钢管加工而成，沿管身每20cm打？准8mm孔。采用风枪钻孔后插管。压注水灰比为0.35～0.45水泥浆，压浆压力控制在1.5MPa以内，孔口设置止浆塞及排气孔。

⑤仰拱拆除及更换。仰拱部位的拆除及更换与墙拱相似，每次凿换长度控制在4m内。

⑥监控量测。加强监控量测，以检验整治措施及施工方法是否合理及安全，把量测信息及时反馈，根据量测信息的分析结果，对整治的方法及措施做出调整及修正。

⑦衬砌紧跟。完成变形初支的整治后，紧跟进行衬砌的浇筑。并要尽量减少衬砌施工各工序施作时间，及早形成整体承载。

5 初支变形的整治效果

整治后布设测点进行拱顶下沉、围岩收敛及仰拱高程等的量测。

每个量测断面布置1个拱顶下沉点和2条净空水平收敛量测线。沿隧道纵向每5m设一个监控量测断面。观察时间为30天，观察频率为前15天每天1次。后15天每两天1次。

监控量测结果如表1所示。

从表中可看出，拱顶下沉、周边收敛值及速率均在规范要求的安全值范围内。仰拱高程没有变化，表明隧道仰拱无隆起现象。

监控量测结果说明按照本项目的整治方法进行初支变形整治取得了预期效果。

6 膨胀性围岩尚未掘进段的施工措施

根据变形段整治后，总结了经验，对围岩特性有了更深入了解，在隧道新掘进段采取的支护方案及施工方法如下。

6.1 施工原则

①围岩开挖后，及时喷射砼将暴露岩石封闭，最大程度地避免巖石遇水膨胀而出现坍塌现象。②强化超前注浆及径向注浆，通过注浆将破碎围岩固结与整体，提高了围岩自承载能力，降低作用于初支及衬砌的围岩压力。③使用能够在一定程度内变形的柔性钢架，使围岩能够释放大部分应力。④初支钢架及隧道衬砌及早成环。达到承载条件最好的状态，以更好地承受地应力。⑤隧道预留足够变形量，以确保成型的衬砌厚度及隧道净空满足设计要求，避免返工。

6.2 开挖方法及初支方案

①开挖方法。采用环形开挖留核心土法施工。

②超前支护方案。

膨胀岩内本身积聚了一定的应力，开挖后应力释放使围岩出现较大变形，且岩体破碎，故成孔困难。本项目采用自进式锚杆及超前注浆小导管的联合超前支护方式。

超前支护范围为拱部120度。自进式锚杆与小导管沿隧道开轮廓线外按80cm间隔布置，外插角1～2度。自进式锚杆长度为12m，小导管长度为6m，搭接长度大于1m。

③初期支护方案。

围岩开挖后立即喷射厚约为3cm的钢纤维砼，以及时将围岩开挖封闭，以防止围岩风化，避免围岩坍塌。

采取柔性可收缩钢架，以便顺应隧道开挖后围岩初期变形要求，较刚性钢架而言，大幅度降低了围岩压应力。可收缩钢架采用I20b工字钢制成，在两侧边墙部位各安装了一个可缩性接头，其可收缩量为30cm。按每0.5m设置1榀。钢架间采用？准22螺纹钢筋焊接连接。每个边墙底部的钢架脚部增设2根？准42、4m长的锁脚导管，与钢架焊接，以避免钢架向隧道内变形。

铺网距20cm×20cm的？准8钢筋网，喷射厚25cm的C25钢纤维砼。

系统锚杆采用长4m的？准25自进式中空注浆锚杆，按1.0m×1.0m间距梅花型布设。并径向按3.0m×3.0m间距增设长4m的？准42注浆管注浆，以增强围岩牢固性和整体性。

④仰拱及衬砌。

仰拱施工及时跟进，不能滞后于掌子面超过30m，并全幅一次性施工。

衬砌也要及时跟进，但也不能过早，要在围岩应力得到较为充分的释放后进行施工，本项目选择在围岩变形速率由快速转变成平缓后及时安排浇筑。

7 结束语

本项目针对膨胀围岩引起的初支变形采取的整治措施取得了良好的效果。同时在后序隧道掘进施工时采取的超前支护、初期支护方案及施工方法也取得了成功，没有再出现初支变形超限及破坏等现象。为膨胀岩隧道的施工提供了可借鉴的经验。

参考文献：

[1]余利.浅谈膨胀性泥岩隧道施工技术[J].建筑科学，2008（15）.

[2]李首峰.高速公路膨胀性泥岩隧道施工技术研究[J].山西建筑，2014（28）.

[3]吴应明，付东辉.膨胀性围岩隧道施工及病害整治[J].现代隧道技术，2006（4）.