高地震裂度区武都西隧道大变形处治施工技术

李旭阳

摘 要：近些年随着我国大量高速公路、铁路开工建设，技术标准不断提高、也使得桥梁、隧道工程所占比重越来越大，而隧道所穿越地层、地质条件更加复杂、多变，施工也受到各种地质灾害及自身技术、管理等方面的制约，使得隧道开挖变形坍塌事故频繁出现，对项目施工安全、质量以及工程进度都造成了很大的影响。为此，本文结合陇南地区高地震裂度区武都西隧道穿过F5大变形段多种处理方案的归纳总结，为同类地质施工参考。

关键词：高地震；大变形；处治

1 地层岩性

地层岩性：根据钻探及工程地质测绘，隧址区地层由第四系中上更新统黄土、粉质粘土（Q2-3）和中-上志留统-白龙江群（S2+3bL）组成，白龙江群上部（S2+3bL2）岩性为灰岩夹千枚岩、板岩、泥灰岩，白龙江群下部（S2+3bL1）岩性为千枚岩夹灰岩、片岩组成，千枚岩由泥岩、泥灰岩变质而成，整体呈现千枚岩、板岩、灰岩、呈互层及夹层状。

F5断层描述：隧址区构造发育主要有大院-殿沟里断层，为志留系内部逆冲断层，志留系上图硅质条带白云质灰岩逆冲在志留系碳质千枚岩上，属武都山字形构造体系白龙江深大断裂次生断裂。倾向北，倾角50～70°，下盘为白龙江群下部千枚岩、碳质千枚岩，岩体破碎，强度低，上盘为白龙江群第二段白云质灰岩，中薄层灰岩。千枚岩互层。左线ZK86+940～ZK86+250（690米），右线YK86+900～YK86+439（461米）。

2 F5断层主要支护参数

成县至武都高速公路武都西隧道F5断层左线ZK86+940～ZK86+250（690米），右线YK86+900～YK86+439（461米）原设计均为SⅣc衬砌结构形式，主要支护参数如下：预留变形量8cm；超前Φ22砂浆锚杆，长4.5m，环向间距40cm；喷射混凝土为早强C25混凝土；系统锚杆为Φ22砂浆锚杆，长3m；锁脚锚杆为Φ22砂浆锚杆，长3m，每榀8根；钢架为16cm×16cm格栅钢架，间距100cm；二次衬砌为C25砼40cm。

3 施工过程初支变形开裂情况

3.1 左线变形开裂情况

2012年4月25日隧道左线掌子面掘进至ZK86+828时距洞口方向ZK86+837～+834段上台阶初期支护拱顶处发生开裂变形，变形发生后立即对掌子面封闭并暂停施工，撤离所有人员及机械，并进行监测，至28日开裂变形继续延伸至距掌子面55米处，初期支护严重变形，喷射混凝土剥落，格栅钢架扭曲变形，内鼓侵限，其中ZK86+825附近5榀钢架剪断，支护结构受到扭曲剪切破坏。

3.2 右线变形开裂情况

2012年4月15日隧道右线掌子面掘进至YK86+803位置时YK86+865～+813段初期支护发生环向开裂，裂缝宽度约2cm，喷射混凝土脱落，格栅钢架扭曲变形，支护结构受到剪切破坏。

2012年7月21日隧道右线YK86+736处受左线掌子面爆破振动影响，右侧拱腰钢格栅变形，受隧道围岩皱褶隆挤压力影响，变形延伸至YK86+725，累计变形长度达11米，需换拱处理；7月24日，YK86+736处右侧拱腰位置出现长约1米、高约2米的空腔；8月4日对YK86+736～+725处准备换拱作业时+736拱腰位置发生坍塌，坍塌渣土数量约150m3左右。

4 初期支护变形开裂采取的支护措施

在隧道發生变形开裂后，立即暂停掌子面掘进并对其封闭，同时加强监控量测，遇变形严重时采取有效措施进行加固处理，经监测、沉降及收敛趋于正常；对下台阶及仰拱组织施工，快速使仰拱封闭成环，减少围岩收敛变形，同时对变形处采取临时加固措施，避免出现进一步坍塌变形。

对左右线隧道穿越F5断层高应力区抵抗钢架开裂变形，经项目办、设计院、驻地办有关领导现场确认将原设计SⅣc衬砌的支护结构调整为SⅤb衬砌结构。变更后的衬砌结构主要参数为：预留变形量12cm；超前φ42×4mm小导管，长4.5m，环向间距35cm；喷射混凝土为早强C25混凝土；系统锚杆为R27中空锚杆，长3.5m；锁脚锚管为φ50×5mm，长4m，每榀8根；钢架为I20a钢拱架，间距75cm；二次衬砌为C25砼50cm。

4.1 对部分变形严重段落采取的主要措施

（1）隧道左线ZK86+883～+828（55米）及右线YK86+865～+813（52米）初期支护变形开裂处治措施：

（2）对初期支护变形段径向全部采用φ50×5mm钢花管注浆，长度3.5米，纵向间距75cm，环向1m，部分因成孔困难的，采取R27自进式锚杆进行注浆加固；对上台阶、下台阶锁脚采用φ42×4mm锁脚钢管加强处理，长度4m，每榀8根。

（3）对上述段落进行断面测量，标记出侵限位置进行换拱施工，按照SⅤb支护参数同时进行加强处理，超前支护采用φ42×4mm小导管，长4.5m，环向间距35cm；钢架为I22b钢拱架，间距50cm，锁脚采用φ50×5mm钢花管每处4根，长度4米，每榀16根，喷射混凝土采用C30进行施工；对局部有空腔位置的进行泵送混凝土回填处理。

（4）换拱完成的段落及时施作仰拱使其尽早封闭成环，仰拱距掌子面距离保持在2.5m～3.5m以内，二次衬砌紧跟仰拱施工，将12米衬砌调整为6米每循环施工。

4.2 隧道右线YK86+736～+725（11米）初期支护变形开裂处治措施

（1）对初期支护变形段径向全部采用φ50×5mm钢花管注浆，长度3.5米，纵向间距75cm，环向1m，部分因成孔困难的，采取R32自进式锚杆进行注浆加固；对上台阶、下台阶锁脚采用φ42×4mm锁脚钢管加强处理，长度4m，每榀8根。

（2）对上述段落进行断面测量，标记出侵限位置进行换拱施工，采用双层支护形式，采用双层支护形式，第一层由H175型钢间距75cm进行支护，锁脚采用φ50×5mm钢花管，每处4根，长度4米；第二层采用I20a工字钢，间距75cm进行支护，锁脚同样采用φ50×5mm钢花管，每处4根，长度4米，喷射混凝土采用C30进行施工；

（3）换拱完成的段落及时施作仰拱使其尽早封闭成环，仰拱距掌子面距离保持在2.5m～3.5m以内，二次衬砌紧跟仰拱施工，将12米衬砌调整为6米每循环施工。

5 F5断层施工采取的主要措施

根据不同段落的施工顺序，同时结合围岩监控量测实际情况，多次邀请全国重点交通大学教授、省内外隧道专家、项目办、设计院、监理等单位领导现场踏勘，先后采取如下变形处治措施：

5.1 变形处治措施一

隧道左线ZK86+828～ +778（50米）及YK86+813-YK86+679（134米）段按以下施工措施进行掘进：

将预留变形量由12cm调整为60cm，采用双层支护形式，第一层由I20a钢拱架间距50cm进行支护，锁脚采用φ50×5mm钢花管，每处4根，长度4米；第二层采用I28a工字钢，间距3米进行支护，锁脚同样采用φ50×5mm钢花管，每处4根，长度4米；衬砌混凝土采用高强C30混凝土，衬砌钢筋采用Φ25钢筋进行加强施工。

通过双层支护后进行比较，监控量测值明显趋于稳定，但随者掌子面掘进，变形值还进一步加大，掌子面暂停施工时，监测点趋于正常，通过监测，该段落最大沉降476mm，收敛754mm，立即暂停掌子面施工，加快仰拱及二衬施工，保证隧道施工安全，对掌子面施工另行采取措施。

5.2 变形处治措施二

对隧道左线ZK86+778～ZK86+748段（30米）进行试验段，主要初期支护措施如下：

将预留变形量由12cm调整为50cm，采用单层支护形式，钢支撑采用H175型钢，纵向间距70cm，全断面进行支护，喷射混凝土厚度30cm，超前支护采用φ42×4mm小导管，长度4.5m，并进行注浆，注浆压力大于3MPa；初期支护系统锚杆采用R32自进形式注浆锚杆，长度6m，注浆压力大于3MPa；拱脚采用φ42×4mm锁脚钢管，长4m，每处4根，锁脚钢管与钢拱架竖向夹角控制在30度以内。

通过该支护后进行比较，监控量测值变形速率有所减弱，但变形仍然进行，喷射混凝土开裂，掉块，部分H175拱架变形，支护结构失稳，部分初期支护结构侵入衬砌净空，施工过程中该段变形明显，且迟迟不能达到稳定，在进行边墙和仰拱开挖施工过程中常伴有一个阶段性突变，日变形速率达41mm/d，累计最大拱顶下沉量为662mm，累计最大水平收敛量达850mm，说明该中支护结构承载力不能满足施工要求。

5.3 变形处治措施三

对隧道左线ZK86+748-ZK86+728段（20米）采用双层支护试验段，具体支护形式如下：

将预留变形量由12cm调整为40cm，采用双层支护形式，采用双层支护形式，第一层由H175型钢间距75cm进行支护，锁脚采用φ50×5mm钢花管，每处4根，长度4米；第二层采用I20a工字钢，间距75cm进行支护，锁脚同样采用φ50×5mm钢花管，每处4根，长度4米；衬砌混凝土采用高强C30混凝土，衬砌钢筋采用Φ25钢筋进行加强施工。

围岩监测情况：该段量测结果在完成第一层初期支护8天后，累计沉降量214mm，累计收敛量为277mm时，施工第二层支护后变形明显趋于稳定。该段量测结果在第二层初期支护完成后的最大日沉降量为32mm，最大日收敛量为21mm，累计最大沉降162mm，最大收敛量142mm。下台阶及仰拱开挖后，累计最大沉沉降376mm，累计最大收敛量419mm，仰拱施工完成后，按照此支护形式掌子面掘进后，量测值符合规范要求。根据该断层围岩产状，结合已实施的变形处治措施一、二总结，为稳妥加快施工进度，在后续施工中仍采用该双层支护方案，隧道左线ZK86+728～ZK86+250段（478米）及隧道右线YK86+679～YK86+439段（240米）累计718米按照此支护形式进行施工。

以上三种变形处治施工措施，经实施效果的综合比对分析，采用变形处治措施三（双层拱架支护）施工，初期支护结构变形小，变形速率稳定，钢拱架不会发生较大扭曲变形，第二层初支喷射砼尽管也有局部脱落，但应力释放到一定的程度时，尽快施作仰拱及衬砌，确保隧道施工安全。

6 高地震裂度区穿越F5断层原因分析

6.1 F5断层破碎带开裂、变形、塌方地质原因

隧道初期支护变形、开裂、甚至多次发生塌方均发生在F5断层所处的强风化碳质千枚岩地址构造内。地质整体呈层状的碎裂结构，节理相对层理更发育。地应力存在偏压的松弛应力，初期支护拱顶及拱脚变形较大。变形段地质的有利因素为无地下水，板岩层理相对较厚；不理因素为地温较高，对施工及砼强度的形成有影响，开挖后地应力持续增加。

6.2 F5断层支护措施不足

受汶川特大地震影响，隧道穿过断层及破碎带，处薄层岩体小曲褶、错动发育，由于该种地质结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌的主要因素。按设计SⅤb支护承载力仍不能满足承载力要求，不能抵抗围岩压力和避免钢拱架的被剪断现象。震后对该地质围岩钻探不足、深度不足，未对特殊围岩或地层采用特殊加固措施。

6.3 施工组织及管理不到位

隧道施工未能严格按照“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧封闭”组织施工。对该类地质围岩认识不足，施工组织及管理不当，对初期支护变形段落未快速采取有效临时措施，导致变形进一步过大，初期支护失稳，部分段落出现塌方，对该类围岩没有及时总结归纳，也是导致该段落变形、开裂，甚至塌方的的原因。

7 结束语

隧道施工过程不同于其他结构施工有着清晰的力学特征，而是需要我们在施工过程中面对不同的围岩条件，根据现有的施工能力，严密分析、科学判断、动态跟控，在逐步积累的技术措施和施工经验的基础上，充分利用先进的地质预报技术和量测技术，把握围岩和支护动态，从而安全、快速的施工。

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