软岩地质条件下洞身一次支护变形处理技术的应用

黄永平

(江西省水利水电建设集团有限公司，南昌 330200)

0 引 言

洞身围岩支护变形是隧洞工程施工中比较严重的地质灾害问题，对隧洞工程施工质量、进度、成本、安全等方面都有很大影响。虽然目前很多专家学者都在研究软岩地质条件下洞身支护变形相关内容，但多研究的是某一类的大变形，研究方向比较大，很少有人研究软岩地质条件下洞身支护变形的特点、成因、一次支护变形处理技术。在隧洞洞身支护变形测量中，需要综合考虑很多方面的内容，如：工程所在区域的地质条件、围岩岩性、力学原理、约束条件等，并根据变形的程度，采取有针对性的处理技术。基于此，文章就结合实际工程，对软岩地质条件下洞身一次支护变形处理技术的应用进行分析，具体分析内容如下。

1 工程概述

甘肃省引洮供水二期工程2#隧洞进口桩号5+025-5+150段围岩为K1hk砂岩、含砾砂岩、粉砂质泥岩，以泥质胶结为主，属软岩，层面结合较差，裂隙较发育，岩体完整性差，围岩中地下水活动微弱，隧洞开挖时洞壁多有滴渗水现象。5+025-5+055支护完成段已出现明显的喷混凝土面开裂，边墙发生鼓胀变形，最大横向位移幅度约30cm,若不及时加以处理，不仅该段有垮塌危险，而且将威胁到开挖掌子面的施工安全。

2 软岩地质条件下洞身支护变形特点

软岩地质条件下洞身支护变形特点比较明显，主要包括集中性、阶段性、持续性等。其中集中性指的软岩地质条件下洞身支护变形多出现在拱顶、拱脚、拱线位置，而且变形的形式左右不对称，通常表现为水平位移大于拱顶下沉；阶段性指的是软岩地质条件下洞身支护变形可细分为3个阶段，包括：变形征兆阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段。隧洞洞身开挖15-20d之后变形最为明显；持续性指的是软岩地质条件下洞身支护变形，会在洞身开挖后持续进行，不具有收敛性。就案例工程而言，软岩地质条件下洞身支护变形情况图1所示。

图1 软岩地质条件下洞身支护变形图

本工程从5月13日开始，变形速率就开始持续增大，在5月20日遇到了连续降雨天气，软岩地质条件下洞身支护变形速率进一步增大，单天周边收缩量就达到153.68mm，拱顶下沉量也达到157.71mm，到23日初次衬砌支护就进入二次衬砌245mm，使得初期支护出现明显开裂情况，拱架发生了明显的扭曲变形，受到软岩地质条件下洞身支护变形的影响，案例工程洞身顶部出现了多条不规则裂缝，最大裂缝宽度达到210mm，部分截水沟也会受到了不同程度的破坏。

3 软岩地质条件下洞身支护变形成因

3.1 地质原因

本工程施工段穿越了富水地段，围岩类别为为粉砂质泥岩，属软岩，岩石胶结差，隧洞底板受地下水影响，泥化严重，强度不足，且底脚边墙喷锚面脱落，导致围岩软化、膨胀，从而造成洞身变形。在此种地质条件下开挖隧洞具有变形量大、变形速率高、难以收敛、支护难度大的特点，采用相同的支护参数和指标，此套围岩的变形量要大于相同围岩级别的硬岩隧道[1]。而且本工程施工中需要穿越节理裂隙发育地带，岩体受到结构面切割，围岩缺乏完整性，都是引起软岩地质条件下洞身支护变形的主要原因。

3.2 地形原因

就案例工程而言，进口仰坡地形呈现出左右薄厚不一的问题，存在较为严重的地形偏压，在洞身开挖时会对周围的土体造成较大的扰动，致使仰坡上方土体发生了不同程度的纵向开裂，形成滑动面，向地形比较薄的一侧滑动，较薄一侧受土体的挤压作用，会形成附加应力σ1和σ3，相互之间的关系可用如下公式表示：

σ3=K·σ1

(1)

K=μ/(1-μ)

(2)

上述两个公式中K指的是土体的侧压力系数，由于软岩地质条件具有一定的塑性特征，塑性系数μ也就比较大，所以K和σ3的数值也都比较大，使得土层较薄的一侧就需要承受较大的纵向张拉应力，降低了坡体的安全系数，具体情况如图2所示。

图2 软岩地质条件下洞身仰坡变形开裂示意图

从图2中可以看出，洞身右侧土体较薄的的一侧位移量比较大，纵向坡体下滑对隧道右洞仰坡稳定性造成的影响比较大，仰坡下滑形成的牵引力和冲击作用，也是引起软岩地质条件下洞身支护变形的主要原因之一。

3.3 施工原因

施工也是引起软岩地质条件下洞身支护变形的主要原因之一，比如：在本工程施工中一些地段采用了钻爆开挖方法，由于洞身围岩结构复杂，钻爆时难以开展爆破的振动作用，对围岩的自身承载力造成了较大影响。此外，多次爆破也会对岩体造成较大损伤，使得岩体内部裂隙扩大，甚至形成贯通裂隙，降低围岩的弹性模量和强度，增加了透水性[2]。

3.4 整体效应

引起软岩地质条件下洞身支护变形的因素比较多，各因素之间存在相互联系，在原地质条件的基础上，随着开挖深度的增加，对边坡造成扰动也就越大。而围岩破坏和仰坡的滑移，既相互影响，又相互促进，同时也为水体的渗入提供良好的条件。在隧洞开挖的初期，围岩比较干燥，随着开挖深度的增加，衬砌支护的混凝土上出现了湿斑，此后演变为渗水，在降雨时甚至会出现滴水现象，影响开挖质量和安全性[3]。水的渗入使得围岩进一步劣化，形成一个恶性循环。影响因素的整体效应会导致软岩地质条件下洞身支护变形速率加快，尤其是降雨之后，变形速率更快。软岩地质条件下洞身支护变形破坏模式如图3所示。

图3 软岩地质条件下洞身支护变形破坏模式

4 洞身一次支护变形处理技术的应用要点

在案例工程施工中，为避免隧洞支护变形引起塌方问题，保证施工的安全性，对桩号5+025-5+055变形段进行分段处理，由外至里逐米进行处理。具体处理方案如下：

4.1 安装变形防护支架

在进行洞身一次支护变形处理之前，为保证后期处理工作能够高效、安全、有序的开展，需要在适当的位置安装上临时防护支撑，以保证围岩支撑的牢固性。本工程临时防护支撑材料选择了I12工字钢，通过焊接的方法形成一个整体，安全防护支架和围岩必然存在空隙，为保证支架的稳定性，空隙要用钢楔楔紧，以保证钢支撑能够和围岩紧密贴合[3]。但洞身一次支护变形处理之后，一些原有的拱架需要拆除，因此，防护支撑的支撑点要尽量布置在两榀拱架之间，在具体施工中，可按照现场实际情况，适当加密支撑点，以保证洞身一次支护变形处理效果和处理人员的安全。

4.2 超前管棚施工和固结灌浆

在原来的结构物拆除之前，要提前做好超前管棚支护施工作业，以免在拆除时发生洞顶坍塌问题，在超前管棚施工中，必须严格设计图纸进行施工，以提升其处理效果。

在洞身一次支护变形处理中固结灌浆非常重要的环节，为避免泥石流从破开的工作面上大量崩落，在进行拆除之前，需要对围岩进行固结灌浆处理。本工程固结灌浆施工中，选择手持风钻进行钻孔，钻孔直径控制在32mm左右，钻孔后及时跟进清孔，清孔结束后插入钢管，再进行灌浆，灌浆时要遵循从下到上的原则[4]。

4.3 拆除原来构筑物

洞身一次支护变形处理中需要拆除原来的一些构筑物，先不拆除原拱架，逐米拆除原来的其他结构物，再安装上新的拱架，形成一个稳定的整体喷锚之后，再拆除超过边界的原拱架和其他部件。具体的拆除内容如下：

1)需要拆除喷锚混凝土，可采用风镐进行拆除，拆除顺序为从上到下。

2)需要拆除管片、拱架、钢筋网片。已经发生变形的拱架、钢筋网片可采用气割的方法拆除，拆除后人工装车运往洞外。

3)是扩挖，对那些已经侵占了混凝土面的岩体可采用人工风镐进行修整，清除底板基面上浮渣和虚渣，废弃的渣料要及时运输到弃渣场集中处理[5]。

4.3 安装新的拱架

新拱架安装的顺序为：先对岩面进行全面有效的清理，然后进行锁脚锚杆施工，接着进行钢支撑架安装，最后用钢楔紧固，通过焊接的方法连接成一个整体，新装拱架之间的间距要尽量控制在50cm左右，采用全封闭安装的方法，完成拱架安装。

5 洞身一次支护变形处理的注意事项

在软岩地质条件下洞身一次支护变形处理技术中，需注意以下事项：

1)为提升洞身一次支护变形处理效果，钢支撑和围岩之间要通过钢楔楔紧，保证钢支撑和围岩能够紧贴到一起。钢支撑和钢楔焊接时，必须保证每条焊缝都焊接牢固。焊接完后，拱架之间采用φ22的钢筋进行连接，连接筋与工字钢必须焊接牢固，每榀钢支撑间用连接钢筋焊接形成整体。

2)底部加设工字钢对拉支撑。钢筋网片安装，钢筋网片在场外加工焊接好，钢筋网格间距为200mm×200mm，钢筋直径φ6.5，钢筋网片顶拱180°安装[6]。

3)喷锚混凝土，拱架安装后尽快进行喷混凝土作业，并全部覆盖，喷射混凝土时先从拱脚或墙处往上部喷射，以防止上部喷射料虚掩拱脚(墙脚)不密实，造成强度不够，拱脚(墙脚)失稳。喷射混凝土强度等级为C20，厚10cm。

6 结 语

综上所述，软岩地质条件下洞身支护变形是一种比较严重的地质灾害，如果处理不当，不但会增加工程预算，不利于保证施工质量和安全性，而且会引起严重的安全事故，如果情况严重，甚至会引起隧洞工程施工失败。所以在具体施工中必须采用科学合理的处理技术。洞身一次支护变形处理技术可由外至里逐米处理变形段，从根本上解决变形问题，保证隧洞工程的质量和安全性，值得大范围推广应用。