公路隧道初支开裂变形坍塌处治施工技术研究

1 施工情况

大岩隧道洞身穿越背斜构造核部区、F18-1 及F18-2 断层破碎带，岩体极为破碎，在地表可明显见到挤压裂痕和地层错位现象，且大岩隧道洞身穿越白云岩、灰岩等溶蚀通道较发育地段以及揭示岩层交界面均发生涌水、突水现象；大岩隧道出口段埋深均大于1km，大埋深、高地应力等因素导致大岩隧道多处初支开裂变形，最终失效坍塌。

2 原因分析

峨汉高速公路大岩隧道项目，进口端围岩主要为软弱岩层，呈深灰色、灰白色微新白云岩，岩体破碎，裂隙发育，爆破开挖后围岩手抓即破碎，围岩稳定性差，拱部掉块严重，局部易坍塌，地下水发育成股状。整体围岩情况复杂多变，特别是隧道洞内两侧拱腰部位围岩松散破碎，开挖后洞内周围岩体出现较大临空的松散区域，形变的压力较大；围岩自身稳定性较差，爆破开挖后临空面岩层呈层状脱落，且该段落裂隙水发育，软弱岩层受裂隙水浸泡后，风化失稳较快，岩体的自承能力进一步降低，原设计围岩初期支护无法承载此压力，导致初期支护出现开裂变形[1]。

大岩隧道出口端岩体主要以硬质岩层为主，围岩呈灰褐色、灰黑玄武岩，岩体破碎-极破碎，块裂、碎裂结构，围岩基本性差，地下水发育，呈滴水-淋雨状。隧道洞身穿越背斜构造核部区、F18-1 及F18-2断层破碎带，隧道埋深均大于1km。岩体斜向节理裂隙发育，隧道初支受偏应力影响严重。掌子面开挖爆破震动导致围岩蠕变进一步加大，从而出现钢架扭曲、喷射混凝土开裂剥落、初支完全失效塌方等现象。

3 处治措施

峨汉高速大岩隧道受断层破碎带、大埋深、高地应力等不良地质条件影响，多处出现初支开裂变形情况，其中出口左线交通转换带区域初支开裂变形后失稳坍塌。对于隧道初支变形开裂坍塌的情况，应采取正确的施工处治方法和措施，加强监控量测，做好应急措施，适时在初支开裂变形后进行加固处治。

3.1 初支轻微变形开裂处治

对于开裂变形较轻部位，利用开挖台车作为处治平台，使用风镐凿除初支开裂喷射混凝土，凿除完成后确保要初支面平顺，并且开裂部位松散混凝土完全脱落；重新打设药卷锚杆并挂网补喷混凝土。

3.2 初支严重变形开裂处治

3.2.1 加固支撑。对于沉降及收敛变形速率较快段落，首先进行复拱钢架支护，采取硬性支护，防止初支坍塌失稳。因拱顶沉降收敛时受力不均导致初支喷砼变形后形状凹凸不平，新增设复拱无法与原初支喷砼紧密贴合，因此两者空隙一般采用喷砼进行填塞，复拱整体安装完成后，再采用Φ22 纵向连接钢筋将复拱固定为整体结构，从而增强复拱结构受力，增加锁脚导管，并加强锁脚焊接[2]。

3.2.2 围岩径向注浆加固。为防止初支变形进一步扩大，需要对初支背部松散围岩进行固结注浆以形成环向保护壳。围岩注浆能有效加固隧道开挖轮廓线外3.5m，注浆孔孔口布置采用梅花型布置，环向间距及纵向间距均为150cm，孔口管材质采用50cm长φ48mm×5mm 热轧无缝钢管，注浆孔孔径设计为φ46mm，孔深设计为300cm，注浆孔与隧道轴线呈90°（拱顶若钻孔困难，可调整为60°）。围岩裂隙水不发育时采用纯水泥浆；裂隙水发育时，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，C∶S=1∶（0.4～0.6），水泥浆水灰比0.8∶1～1∶1。将一个注浆段从两边到中间，分两序隔排施作，对于同一排孔按照由上到下的顺序进行。一般情况下均采用全孔一次注浆，当成孔性较差时，应分两段采用前进式注浆。

3.2.3 扭曲失效钢架换拱。初支开裂变形后严重侵入二衬空间时，必须进行换拱处理，在换拱开槽前为了防止震动造成新的沉降变形，应采用破碎锤进行凿除钢架两侧喷砼，严禁爆破。变形换拱段常有初期支护混凝土开裂、钢架扭曲失效、沉降收敛严重等现象发生，为了防止初期支护失效坍塌，在变形初期一般采用复拱钢架支护配合围岩径向注浆加固等措施，从而阻止变形发展。

为确保变形换拱段施工安全，一般通过回填洞渣反压两侧初支拱脚，为后期施工提供操作平台。在换拱施作过程中，循环往返地不断翻动渣体。第一榀失效钢架凿除宽度略比钢支撑宽，每凿除一单元后必须及时再安装一单元；进行第二榀换拱施作时，凿除宽度为第一榀与第二榀之间的设计间距，凿除时必须采用机械局部分阶段进行，严禁剧烈爆破。新换拱架安装完成后，应及时进行锁脚固定，并通过纵向连接钢筋的方式稳定钢架，锁脚锚杆采用Φ25HRB400 钢筋、长度3.5m，钢筋网片采用Φ8HPB300 钢筋、间距为20cm×20cm，喷射混凝土采用C25的混凝土。后续换拱循环施工，方式同第二榀一致。

3.3 初支坍塌处治

初支开裂变形前期处治加固失效后，坍塌处治风险将大大增加。为确保人员施工安全，初支坍塌后必须待塌腔围岩趋于稳定时方可进行下一步处治[3]。

3.3.1 首先进行洞渣反压堆载，防止坍塌部位进一步牵引破坏，并喷砼封闭洞渣面。反压洞渣必须堆载密实，此举能够有效阻断坍塌面继续扩大，并为后期施工提供操作平台。

3.3.2 预埋泵送管并采用C20混凝土回填塌腔，总回填高度达到拱顶以上并不小于5m，以确保后期开挖及左右洞结构安全。泵送回填分两阶段施作，第一阶段在洞渣封闭完成后泵送，第二阶段在二衬浇筑前泵送。

3.3.3 超前跟管大管棚施作：由于塌方体不易成孔且长度不易搭接，普通超前管棚无法进行有效施作。本文采取跟管管棚在塌方体内进行超前支护。跟管管棚在拱部150°角度范围内施作，采用108mm 跟管，跟管单根长度2m；受塌方段长度限制，超前加固总长度设计为40m，间距40cm，后期分段采用单层和双层小导管辅助开挖。

3.3.4 监控量测数据显示无异常后，塌方段重新进行开挖，塌方段开挖主要采用破碎锤进行机械开挖，严禁使用爆破等强烈扰动围岩的作业方式；开挖预留量为30cm，采取逐榀环形掏槽预留核心土开挖，必要时掌子面及时喷砼封闭，初支完成后周围坍渣采用径向小导管注浆固结。塌方段主要的支护参数为：采用C30 抗渗混凝土，120b 工字钢，间距0.5m/榀，预留变形量不小于30cm，钢筋混凝土二衬厚度60cm[4]。

3.3.5 根据公路隧道设计图纸要求，隧道防水层铺设必须在二衬混凝土浇筑前施作完成，防水层由土工布+ EVA 防水板组成，环向采用FH50 软式透水管，纵向采用HDPE DN/ID100 打孔双壁波纹管。对于大埋深和高地应力以及岩层不利产状的影响，后续主洞开挖和支护应遵循“边抗、边让、边放”的总体原则，通过监控量测分级预警，支护措施应先后分次施作，后续可采用径向打设小导管（锚杆）、增设专用应力释放孔、加大预留变形量、复喷钢筋网混凝土等措施，尽量避免变形侵限，节约工期及施工成本。

图1 超前跟管管棚支护

4 处治效果

4.1 注浆效果检测

初期支护变形段进行注浆效果的检测。采用取芯检查的方法检测注浆效果，经对所取芯样进行检查，水泥浆液已将隧道初支背后空洞完全填充，并固结了隧道较为破碎松散的岩体，从而增强了围岩的自稳能力。

4.2 初支侵限检测

净空量测初支变形段前后5m范围内每榀钢架，标记侵限以及已破坏的型钢钢架段，为后期换拱及支护提供依据。

4.3 变形监控量测

针对已处治完成段落进行埋点观测，重点进行沉降、收敛变形的监测，如有异常及发现变形现象，及时重新加固处治。

4.4 初支空洞检测

初支背部返填后进行雷达背部初支空洞监测，如有空洞塌腔，应进一步注浆回填。

5 结语

综上所述，本文通过分析大岩隧道项目初支开裂变形的原因，对大岩隧道进口及出口端不同围岩性质进行区分，并描述了其层状节理结构，分析岩质对初支变形开裂的产生规律。根据初支开裂变形严重程度提出初支轻微变形开裂处治、初支严重变形开裂处治、初支坍塌处治，对软岩径向固结、超前跟管大管棚支护、硬岩应力释放、初支侵限换拱、坍塌体环形掏槽预留核心土开挖工艺等进行重点分析研究，确保初支开裂变形坍塌有效处治，大大降低了施工的风险，可为类似工程参考。