浅埋软弱围岩隧道初期支护变形开裂分析及处理

(中国十九冶集团有限公司 云南 临沧 677000)

随着基础设施建设深入到了地质条件较差的山区。在隧道开挖过程中，软弱围岩地层受多重因素的作用影响，使围岩稳定性在很大程度上有所降低，增加了施工的难度，致使初期支护容易产生拱顶沉降量，变形开裂和收敛[1]。为保证在软弱围岩隧道施工作业的安全。本文以茂兰隧道横洞为例，结合工程特点及施工难点，介绍隧道初期支护变形开裂的处理方法以及预防。

一、工程概况

茂兰隧道横洞位于云南大理至临沧铁路张家山站到罗闸河站区间，隧道全长6641m，设横洞一座，横洞小里程为DK130+192，大里程为DK133+320。隧道线路纵坡为22.8‰的单面下坡，线路平面均位于直线上。隧道洞身最大埋深约为192m，洞身有多处浅埋段，最小埋深为11米，隧道最大涌水量为17880m3/d。隧道明洞段采用明挖法施工外，其余各段均按新奥法原理[2]组织施工，光面爆破，喷锚网初期支护，仰拱超前，拱墙一次衬砌。

茂兰隧道DK131+110～DK131+090线左起拱线位置初期支护发生变形开裂，该里程段最浅埋深约为30米，开裂位置距离掌子面10米，裂缝长度约12米，最大裂缝宽度约3公分。本段设计为Ⅴb复合式衬砌，超前支护采用φ42小导管，长度4米，环×纵为0.4m×2.4m，每环26根;加强支护采用全环四肢格栅钢架，间距0.8m/榀。出现裂纹到裂缝达到最宽期间，拱顶最大日沉降量5cm，起拱位置最大日收敛达到4cm，详见图1。

图1 初期支护变形开裂

二、初期支护变形开裂原因分析

(一) 不良地质影响

初期支护变形开裂地段(DK131+110～DK131+090)地质岩层主要为黑云母花岗岩。TSP超前地质预报显示本段岩体破碎，节理裂隙发育，存在较多裂隙、软弱夹层，围岩稳定性较差，地下水量上升，存在掉块、溜塌风险。掌子面围岩整体性较差，主要呈层状和块状，掌子面表面节理裂隙发育，夹杂碎石土，岩体较软弱，毛开挖面随时间松弛掉块，岩面局部存在渗水。掌子面详见图2。

图2 掌子面

(二)施工因素影响

掌子面DK131+081.2～+080.4，开挖进尺0.8m，立架1榀，掌子面现场围岩差，节理裂隙发育，挖机扒渣时，拱部滑落，形成深长宽约为3.0m×2.0m×1.5m的一个塌腔，拱架完成喷射砼后，未及时对空腔进行回填，导致塌腔后裂隙蔓延扩张，进而引起掌子面后10米位置的初期支护出现变形开裂。初支变形开裂原因分析及示意图详见图3。

图3 初支变形开裂图示意

三、初期支护开裂处理方案

本次掌子面溜塌引起的初期支护变形开裂突发性强、裂隙贯穿较长。针对现场掌子面溜塌以及初支开裂的实际情况，处理分两步进行：一是对初支开裂部位进行抢险处理，防止裂缝增大蔓延，二是对前方掌子面塌腔快速回填处理，三是对塌腔及裂缝整体制订总体方案。

(一)初期支护变形开裂抢险处理

为了防止变形裂缝范围继续扩大，对初期支护开裂地段采取以下抢险措施:

①为减少对围岩的扰动，暂停洞内一切施工，除裂缝处理；②在初期支护变形开裂处内侧增加I18型钢复拱架，并在每一个拱脚位置安装锁脚锚管然后注浆，用以增大初期支护的承受力，稳定拱顶的下沉以及拱腰部位的收敛。③在裂缝区间加密布置监控量测点并在复拱架上也增加监控量测点，用于双层监控对比沉降，每隔2小时观测一次，分析沉降及收敛是否达到稳定。④在裂缝处及辐射范围打设注浆管，安装6米长Φ42mm注浆钢花管并注M20水泥浆，让浆液注满裂隙空腔防止裂隙再次扩大，同时浆液充填满破碎岩体固结碎石体防止其再次下沉，详见图1。

注浆参数参照超前小导管注浆执行，注浆时若注浆压力达到1MPa时暂停注浆，等一小时后再换注浆管注浆，在停止注浆期间进行监控量测点测量。反复以上步骤，直至注浆不能注进且监控量测下沉收敛趋于稳定后方可停止。

待注浆完成且监控量测点收敛趋于稳定后，用喷射混凝土将复拱架和裂缝进行喷射覆盖形成整体，形成整体增大拱架支撑受力且便于观察喷射混凝土表面是否还会出现裂缝。同时监控量测每隔6小时测一次，直至不再变化，待二次衬砌浇筑至此处方可停止观测。详见图4、图5。

图4 复拱整体布置

图5 监控量测点回归分析

(二)掌子面溜塌空腔处理

为防止掌子面空腔继续溜塌，在初期支护上埋设Φ125mm注浆泵管，泵管口距塌腔顶20cm，泵管20cm附近埋设两根Φ42mm小导管，小导管管口距岩面5cm，用做注浆时排气管。注浆管埋设好，待初期支护达到设计强度之后，对塌腔进行泵送C25喷射混凝土回填，对塌腔内渗水采用埋管方式进行集中引排。

为避免塌腔段隧道洞身开挖因变形过大而侵限，洞身初支立架预留变形量适当加大，初期支护四肢格栅钢架改用I18型钢钢架，且加密钢架，钢架间距由设计0.8米改为0.6米。前方10米隧道采用上台阶预留核心土开挖，中下台阶按原设计错开开挖进行施工，上台阶每循环开挖进尺不得超过1榀拱架间距，中下台阶每循环进尺不得超过2榀拱架间距。同时对洞内掌子面至二衬中间段初支的收敛、拱顶下沉加强监测频次，加密量测断面，根据现场实际围岩情况实时调整开挖方法和支护参数。

四、初期支护变形开裂预防

(一)超前地质预报

超前地质预报技术预报通过地震波反射法、钻孔探测等方法预测隧道掌子面前方的地质情况，如软弱岩层、断层、破碎带及富水情况等不良地质体位置及规模[3]。首先采用TSP203型超前地质预报系统进行探测，探测深度120m；再辅助以超前水平钻探法地质预报进行验证，探测深度40m；最后在开挖前用加深炮孔法再验证，探测深度6m。多重探测验证以达到提前知晓、提前预防确保施工安全。

(二)监控测量

现场监控测量作为信息化施工的重要组成部分，能通过观测变形及时了解地层、支护体系的受力和变形规律，判定其安全稳定状况。对存在有安全隐患的部位有针对性地制定应急措施，对施工过程进行有效控制和管理，防止灾害事故的发生。所以必须按照规范建立完整的监控量测系统，有必要时加密量测断面。

(三)加强支护

对软弱围岩地段，达到小导管或管棚超前支护；开挖进尺小；尽量不使用爆破开挖或者采用人工开挖必要时局部采用松动爆破开挖；加强支护，必要时缩短拱架间距换用受力更好的拱架材料；开挖后快速支护封闭成环；增加量测频率；再根据现场实际情况适当增加开挖预留量保证初支不侵限。

五、结语

软弱围岩结构稳定性较低，其开挖后围岩自稳时间短、易坍塌，若是开挖或支护不当，极易出现较大变形甚至失稳破坏[4]。增加了施工的难度和施工安全风险。为了提高施工综合效率，合理选择施工与支护方法，规范落实超前支护、地质预报、初期支护等工作，切实保证隧道开挖作业安全顺利地完成。