软岩地段隧道初期支护变形侵限及其处治分析

2020-12-22肖国峰

价值工程 2020年33期

肖国峰

（中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州310000）

0 引言

随着我国交通网络的逐渐完善，各种隧道修建数量持续增多，并逐步发展成为世界上隧道规模最大、数量最多以及结构形式最复杂的国家。在隧道修建中软岩问题十分常见，必须做好开挖与支护工作，若是支护不到位，极易出现变形甚至侵限等问题，引发安全事故，对此必须做好加固处治，切实保证隧道工程安全完工。

1 影响隧道初期支护变形的软岩问题分析

近年来，隧道修建时常要面对复杂的地质地段，如穿越软岩、富水、岩溶、断层破碎带及其影响带等地段，因软弱围岩隧道变形量大，易导致初支混凝土开裂剥落、初支侵限、钢拱架变形扭曲甚至坍塌等事故，增加施工难度及安全风险。本文主要围绕易引发初期支护变形的软弱地段展开分析，具体归纳如下：

①隧道洞口松散覆盖层较多如耕植土，洞口段处于严重偏压，一侧临河或是临沟壑。

②隧道围岩为含粘土类矿物，有各种粘土岩、页岩及泥岩，此类岩石特点是硬度小，具有可塑性，遇水膨胀、软化和黏结；少数火山岩如流纹质岩石、凝灰岩、沉凝灰岩等也容易吸水膨胀；含碳酸盐类矿物，主要有方解石、白云石、菱镁矿、菱锰矿等，含这类矿物多的岩石有石灰岩、白云岩和泥质灰岩等，容易水解。

③隧道围岩为角砾土及强风化岩（强风化层岩性软弱，易出现较大滑层及大面积塌方）；隧道围岩岩体极破碎、裂隙发育、成块石与碎石状镶嵌结构，层间结合差，基岩裂隙水发育。

④隧道穿越断层破碎带或隧道洞身所处段落埋深较浅且有冲沟等地表水侵入。

2 软岩地段隧道初期支护变形问题与处治方法

2.1 隧道初期支护变形问题

①隧道初支变形发生在隧道掌子面开挖后的短时间内，掌子面出现塌方。隧道开挖完后，立即进行初期支护施工，并布设隧道监控量测点（主要布设拱顶沉降点及水平收敛侧线点），进行监控量测工作，分析隧道围岩收敛情况。如果监控量测测得的数据，隧道拱顶沉降值偏大，沉降速率过大，则极有可能是隧道掌子面围岩自稳能力较差，很容易出现塌方。此种情况对隧道施工生产安全有很大影响，对变形的初支处治难度较大。

②隧道初支变形发生在隧道掌子面开挖与仰拱。二次衬砌步距长度增加后，隧道围岩收敛变形及初支变形，主要发生在以下隧道施工工序中：

1）隧道掌子面开挖爆破时，炸药爆炸产生的冲击波及震波对隧道围岩二次扰动，造成围岩沉降、收敛数值突增，隧道掌子面后方已经初支的段落变形量增加。

2）隧道多台阶开挖时，每开挖一层台阶，隧道临空面增加，则围岩的竖向应力增加，都会对后方临近段落的围岩产生影响，尤其是部分不良地质段落，从而加大了初支的变形量。

3）隧道仰拱开挖时，仰拱对应的初支段落变形量增加。

4）隧道二次衬砌及仰拱到掌子面的距离越长，超过隧道安全步距则初支段落的沉降越大。隧道施工安全步距一般规定如表1 所示。

表1 隧道施工安全步距一般规定

③隧道围岩处于断层破碎带或地表埋深浅、地表水量充沛地段，极易造成初支变形量持续增加，变形曲线很难趋向稳定。

2.2 隧道初期支护变形处治方法

多年来我国针对隧道现场施工技术瓶颈积极进行了技术攻关与研究，形成了多套成熟配套的技术，为隧道初支变形处治的实施提供了保障。主要综合应用和形成了以下成熟与配套的技术体系：

2.2.1 掌子面塌方处理

隧道掌子面开挖完成后发生塌方，会造成后方初支段落拱架的变形，严重时初支拱架直接弯折变形。塌方发生时，首先撤离现场全部人员，等待塌方体堆积至初支未受影响段，通过观察，塌腔暂时稳定时，停止掌子面的掘进，先处理掌子面处的塌方，后处理初支变形的拱架。

①塌方体暂时稳定后，掌子面处进行反压回填，反压回填土可进行注浆保证其密实稳固。反压回填的主要目的是防止隧道塌方体继续堆积下压下滑造成安全隐患，危及现场作业人员安全。

②根据塌方堆积体判断塌腔大小，对塌腔采用竖向小导管注浆或是采用大管棚灌注混凝土，在塌腔和隧道掌子面上部范围形成一个混凝土保护壳（层），混凝土保护壳（层）厚度根据塌腔体积大小来确定，厚度通常为1～2m。该工序确保了塌方处理完后，隧道掌子面继续开挖施工的安全。

③在小导管注浆或是大管棚灌注混凝土时，预留塌腔体的吹砂管，后期对塌腔进行吹砂或颗粒材料，在混凝土保护壳外形成缓冲层，确保隧道支护结构的安全。

2.2.2 换拱处理

隧道围岩处于不良地质段落时，围岩应力释放持续时间长，且具有突然大量释放的特点，使得锚喷支护持续变形，突然开裂。变形严重的开裂部位存在锁脚锚管和锚杆与喷射混凝土出现滑移的现象。裂缝逐步发展，出现初支表面混凝土受环向方向的挤压而翘起、脱壳、继而剥离、脱落，露出钢拱架。隧道掌子面的安全步距距离过长，隧道初支变形加大，此时立刻停止掌子面施工，对初支变形段落进行处治。

隧道围岩处于断层破碎带或地表埋深浅、地表水量充沛地段，初支变形持续增加，此时需要进行该段支护补强处理，并进行换拱处理。

初支变形处治措施：

①采用激光断面仪或全站仪测量扫描初支变形段落的断面，获得精确断面测量数据及图形，根据数据图形确定需换拱段落、范围。对侵入净空的拱架拆除换拱，并增加预留变形量。

②隧道初支变形需处治的段落、范围确定后，对该段落既有支护及围岩进行预加固措施。

1）环向小导管注浆加固，在既有初支每两榀拱架中间位置，环向间距0.5～1.0m 范围内设置φ50 注浆小导管。

2）底部增设I20 工字钢临时仰拱，喷射混凝土。

3）对应钢拱架隔榀安装门形钢架支撑，与拱架连接处凿出拱架混凝土保护层，与拱架焊接牢固。换拱前按照隧道实际断面搭设支撑钢架，其主要作用是依靠临时支撑与变形初支建立临时连接，限制初支剧烈变形，避免压浆或置换过程中原初期支护拱架失稳，对换拱部位两侧的初支形成保护，维持其稳定。

③同一部位换拱凿除混凝土不超过2 榀，混凝土凿除采用人工风镐进行，不得采用大型设备振动冲击凿除，新旧工字钢采用钢板帮焊连接。

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④换拱段设置双层钢筋网片，贴近围岩设置一层，钢拱架内侧设置一层。

⑤新换拱架采用锁脚锚管且内置螺纹钢加固，灌浆。

⑥换拱结束后立刻布设监控量测点进行观测，根据观测数据分析图表，初支变形曲线趋于稳定，在仰拱混凝土施做至距离掌子面20m 后，才能恢复隧道掌子面开挖工作。

3 工程案例

3.1 工程概况

陡岩村隧道进口段位于建水县坡头乡，进口接炭山5#大桥。左右线进口端均无明洞设置，进口端左右线洞门均为端墙式设计，其中左幅施工起止桩号为：Z5K59+562～Z5K60+873.801，共长 1311.801m；右幅施工起点桩号为：K59+556～K60+877.372，共 1321.372m。隧道纵坡2.58%（单向坡）。隧道进口轴线方向238°。一般埋深50～150m，最大埋深255m，属深埋长隧道，具体详见示图1。陡岩隧道进口段包含1 座斜井，4 个人行横洞，1 个车行横洞，2 个紧急停车带（左线 1 道/50m，右线 1 道/100m）。

3.2 地质围岩与设计变更情况

施工图阶段陡岩村隧道进口段由于地形较陡，道路不通，钻机进场困难等原因，未能进行实施钻孔，工程实施过程中进口段掘进开挖围岩与原设计有出入，其中进口段左洞大里程方向自Z5K59+655 开始，右洞大里程方向自K59+619 开始，围岩情况逐渐变差，自左洞Z5K59+660（右洞K59+738）处开始进入软岩地质施工，连续揭露围岩为全～强风化板岩、炭质灰岩，围岩破碎、松散，岩体完整性差，地下裂隙水发育，拱顶易坍塌，整体稳定性差，综合判定围岩等级为Ⅴ级较差，项目各参建方多次汇同查勘且在设计院补充勘探后对陡岩村隧道左右线进口端范围内的围岩等级进行了调整，调整后围岩情况如表2。

图1 陡岩村隧道示意图

本次调整为软岩大变形段分布情况为左线ZK59+766～ZK59+961、右线 K59+753～K60+000，长度左线为195m、右线为247m，共计442m。

3.3 软岩地段初期支护沉降、侵限问题

3.3.1 软岩区初支沉降

3.3.2 软岩区初支侵限

陡岩隧道左洞开挖至Z5K59+769 里程时，已施工初支面Z5K59+753～Z5K59+765 段出现开裂，采用I18 工字钢临时护拱，待沉降稳定后开始换拱施工，此后软岩区施工根据揭露出的围岩地质情况，衬砌支护类型进行了多次调整及加强，但沉降未能有效解决，频发初支侵限换拱问题。

3.4 施工处理措施

针对陡岩村隧道软岩大变形的特点，采取“加固围岩、变形预留量留足、先放后抗、勤量测、分次加强支护、底部加强、少扰动围岩、短进尺、及早封闭初支成环并及时施作仰拱、跟紧二衬”的总体处理原则和思路。

3.4.1 加固围岩

当判断围岩属于软弱围岩时，对该段初期支护采用径向注浆加固围岩，增强围岩抗变形能力。

3.4.2 加大预留变形量

目前放大预留变形量是控制变形防止初支侵限的一种有效方法。根据本隧道前期已掘进段落变形数据的总结，原设计预留量最大为14cm，预留量普遍偏小，为使初支在工序合理搭接时间内有足够的变形空间，我部对预留量进行加大调整，做到“先放后抗”的原则；预留变形量调整至40～50cm，并根据现场开挖揭露围岩地质条件，当现场围岩地质条件变好时，可将预留变形量进行适当优化调整。

3.4.3 加强监控量测及预报

根据工作面的围岩地质与水文地质情况，作地质素描，包括围岩岩性、岩质、破碎带、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌、剥落掉块、塑性流动挤出现象、有无渗漏水等；观察开挖面附近初期支护状况包括喷层是否产生开裂、剥离和剪切破坏、锚杆垫板变形、钢支撑是否压屈和仰拱开裂、上浮来判断围岩、隧道的稳定性和初期支护的可靠性，并进行评估作为支护参数选择的参考及量测等级选择的依据。通过监控量测的结果来验证预设计的支护参数是否能使围岩变形得到有效控制，对仍存在变形大的情况制定进一步加强处理措施。

表2 陡岩村隧道进口段左右线调整后的围岩等级分类表

图2 沉降变形曲线图

图3 弧形导坑预留核心土工法图

全过程实施地质超前预报工作，同时采用地质钻机进行超前钻孔详细探测前方围岩地质情况及富水情况。为超前地质预报系统提供了详细准确的分析资料，重点为施工作业层提供方向性的施工指导。

3.4.4 调整施工工法及支护参数

①调整施工工法。

因陡岩隧道洞身围岩存在断层带构造挤压和岩石膨胀、塑性流动等特点，为尽量减少施工对围岩的扰动，将原钻爆工法调整为液压机械破碎锤开挖，且为保障软岩区开挖分部少、快速闭合，将原常规预留核心土开挖调整采用弧形导坑预留核心土开挖法进行掘进开挖支护，施工工艺见图3。

②支护参数调整。

采用超前小导管、超前中/长管棚支护，开挖后及时封闭周边及掌子面围岩；加强初期支护的环向刚度，采用型钢（Ⅰ20b/Ⅰ22b）拱架封闭成环，同时为加强初支纵向刚度，在钢架连接板处增设纵向Ⅰ14 型钢连接；为加强钢架底部节点与围岩的锚固，在每开挖分部钢架底部布置锁脚注浆锚管；为达到稳固围岩的目的，系统锚杆（管）采用中空注浆锚杆（注浆小导管）加固周边围岩，锚杆（管）长度应大于塑性区的厚度。

3.4.5 尽早封闭初支及二衬结构

隧道初期支护的施工采用“先柔后刚，先放后抗、刚柔并济”原则，使初期支护能适应大变形的特点。及时封闭仰拱、二衬结构，特别是仰拱初支，是减小变形、提高围岩稳定性的措施之一；另外加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力状况。

3.4.6 严格加强过程质量控制

隧洞施工过程中加强质量跟踪及管控，对管理人员明确职责分工及考核奖罚，督促加强监管，同时重点严管工序，提高围岩固结注浆质量，钢拱架安装质量，锁脚锚管施工质量。