浅谈赤坭佈隧道初支下沉开裂原因及处理措施

郑登德

（南平高速建设有限公司,福建 南平 354300）

0 引言

隧道地质复杂多变，施工会造成隧道内周围岩体应力重新分布，导致围岩自稳性差，容易产生拱顶下沉、塌方、周边位移、冒顶等各种现象。造成这些现象的原因多种多样，有地质上突发的因素，也有施工不当的因素，但归根到底，地质因素是决定性的。该文就赤坭佈隧道初支下沉开裂的原因进行分析并提出有效的处理措施，避免后续隧道施工发生类似变形。

1 工程概况

赤坭佈隧道全长746.5 m，左右洞呈分离式布置：左洞全长778 m，起止桩号为ZK11+539～ZK12+317；右洞全长715 m，起止桩号为YK11+595～YK12+310。隧道左、右洞进出口及洞身均处在曲线上，隧道纵坡-2.5%。洞身围岩级别以Ⅳ级为主，进、出口段及构造带围岩级别为Ⅴ级。

隧址区属构造剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大，沿线地形呈波状起伏，山脊（顶）浑圆，进口侧山坡自然坡度约15 °～20 °，出口侧山坡自然坡度约40 °～50 °。除隧道进口洞底标高下发育一处小型土质崩塌及出口洞顶发育碎石土外，无其他不良地质作用，隧址区现状整体较稳定。隧址区地下水主要为进出口段风化带网状孔隙裂隙水及断层构造裂隙水。进口围岩为坡积黏性土层及全—强风化云母石英片岩，岩体极破碎、自稳能力差、易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁常发生小坍塌。

2 初支下沉开裂现场情况

该项目隧道由出洞口往进口方向掘进，在右洞YK11+680 掌子面作业施工中，发现已施工的初支明显下沉，初支喷射混凝土出现开裂现象，前方掌子面有部分土体塌方。现场立即停止掌子面及初支喷射混凝土的施工，人员、设备立即撤离，初支变形后在安全距离设置安全警戒线。对下沉段地表进行巡视，未发现明显开裂及地表沉降，确保人员安全情况下，对已施工初支的拱顶、拱腰设置加密位移监测点。经过多日的现场监控量测数据显示，初支下沉已趋于稳定。YK11+695～YK11+675 段初支出现多条扇形状裂缝，部分伴随着下沉开裂，裂缝最长约20.9 m、最宽约9.7 cm，拱顶最大下沉量约为13 cm，拱腰最大收敛量约为37 cm，二衬侵限情况为5～31 cm。YK11+730～YK11+695 段初支无明显裂缝和下沉变形，二衬侵限情况为0～5 cm。

3 初支下沉开裂主要原因

3.1 勘察设计原因

地质围岩非常复杂，设计单位在隧道勘察的过程中，地质钻孔密度不到位，对于桩号YK11+680 处岩土类别、围岩级别判定不准确，导致勘察地质资料存在误差。勘察设计的Ⅳ级围岩实际上已变化为Ⅴ级围岩，导致超前支护与设计初支的受力参数不能承受Ⅴ级围岩的所释放的应力，造成超前支护与初支的整体结构未能发挥出支撑围岩变形能力。

3.2 地质原因

桩号YK11+680 呈现以强—全风化云母石英片岩和坡积黏性土为主的地质现象。坡积黏性土层及全—强风化云母石英片岩，围岩岩质较软，岩体极破碎，呈碎裂状结构，层间结合差，节理间隙发育，裂隙水较丰富围岩整体稳定性差，易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁常发生小坍塌。这种地质对初支的释放应力不均匀，造成初支受力不平衡，容易出现初支下沉开裂现象。

3.3 施工原因

（1）在赤坭佈隧道施工的过程中，超前地质预报工作不到位，未能及时提供地质素描情况；对于地质状况变化认识不足，未能及时向业主及设计单位反映地质变化；仍按设计提供的无仰拱Z4 型复合支护形式和F3 型超前锚杆支护进行施工，导致初支受力体系无法承受岩体所释放应力。

（2）从现场检查发现，钢支撑拱脚的锁脚砂浆锚杆与钢支撑焊接处明显断裂、锚杆偏移、钢支撑的拱脚接头板与岩体贴合不紧密。原因：一是锁脚砂浆锚杆与钢支撑焊接未按规范要求焊接。二是Z4 型复合支护形式为无仰拱，钢支撑未能封闭成环。钢支撑的拱脚部位是初支的受力最关键点和最薄弱的施工点，容易造成钢支撑不能有效地支撑在岩体上，形成有效的受力体系。无仰拱且拱脚接头板与岩体贴合不紧密，使得钢支撑与仰拱没能形成一个有效受力支撑体系，初支承受围岩应力大大减弱，未能有效地抑制初支下沉。

（3）在施工过程中，爆破容易造成隧道超欠挖现象，开挖轮廓线表面变得极不平整，出现应力分布不均匀，特别是在凹凸处形成局部应力高度集中点。超欠挖引起的围岩应力集中，往往超过允许值，甚至可达初始应力值的几倍乃至十几倍，初支的支撑难以承受围岩所释放的应力，造成隧道初支被破坏。钢支撑背后的初支喷射混凝土喷射有间隙，以及超前砂浆锚杆不够饱满等，造成初支与岩体形成一些空隙和空洞，岩体形成自由面，导致围岩失稳。

3.4 雨季因素

桩号YK11+695～YK11+675 段的岩体极破碎，遇水易软化、崩解，围岩整体稳定性差、力学强度低，加之正处于雨季施工，连日大雨，上方山体土体储水饱和，岩体自重增大，初支所受的围岩应力增大，导致初支产生下沉与开裂。

3.5 其他因素

由于围岩级别Ⅳ级将要变化为Ⅴ级阶段，施工中未加强超前地质预报工作，未及时提出预警；作为隧道支护结构之一的二衬，在实际施工过程中未能及时跟进。

4 处理措施

4.1 下沉开裂段处理（YK11+695～YK11+675）

（1）在洞身塌方体上方地表影响区设置观测点，严密观测地表，根据观测点提供的连续几天观测资料，地表无水平和竖向位移、裂缝、冒顶现象，洞身塌方体上方地表无需进行加固处理。

（2）洞内塌方段掌子面先进行临时反压回填处理，回填体和掌子面表面采用厚30 cm 的C25 早强混凝土进行喷射封闭[1]。在塌方体表面梅花形布设Φ50×5 mm 小导管，间距为100 cm×100 cm，每根长度为6 m，同时注入C30 水泥浆或双液注浆形成一个固结的灌浆层（当后续对每一循环的塌方体进行开挖时，均采用此方式处理，前后两循环纵向水平搭接长度应大2 m）[1]。根据现场实际渗水量情况，在塌方体喷射混凝土上设置多个平孔排水。经过浆液的无规则穿透，塌方体从松散状态形成胶结状态，固结堵死塌方体范围内的裂隙。从根本上达到控制塌方体裂隙的扩展，提高掌子面围岩整体承载强度，确保塌方体的稳定。

（3）对塌方体附近围岩采用超前管棚探孔和超前地质探测技术，探明塌方体上方围岩的空腔大小和位置走向[1]。在塌方体后方围岩适当位置，向塌方体空腔内打入两根Φ108×6 mm 钢花管（根据现场实际情况确定钢花管应深入到塌腔体内部的具体位置和长度），然后采用C25 泵送混凝土对空腔部位进行压浆回填。伸入空腔内的两根钢管，一根用作泵送混凝土，另一根伸入高处用作排出空腔内的空气，直至高处管出现混凝土为止。若塌腔高度小于6 m，塌腔内部应全部填充；若塌腔填充高度大于6 m，塌腔填充高度应高于洞身开挖线以外6 m。

（4）强化塌方段落的超前支护，超前支护采用双层小导管超前注浆预支护。待塌方体空腔中混凝土稳固后，从塌腔边缘后退3.5 m 开始施作预支护，在拱顶150 °范围内打设双层超前Φ50×5 mm 小导管，小导管设置在钢支撑上方，钢管与衬砌中线平行，上下两层错开布置，上层超前小导管以10 °～20 °、下层超前小导管以5 °～10 °仰角打入拱部围岩，每根长度为6 m，环向间距为40 cm×20 cm，纵向间距为3 m，前后两环纵向水平搭接长度不小于1.5 m。同时注入C30 水泥浆或双液注浆形成一个新的围岩体，与初支共同形成一个强大的支撑体系。

（5）该段初支变形（二衬侵限）为5～31 cm，应对该段的钢支撑逐榀置换。置换钢支撑前，先采用径向Φ50×5 mm 小导管注浆对岩体加固，小导管长为6 m，间距80 cm×80 cm（梅花形布置、横断面加固范围为拱顶以下150 °）。待小导管注浆达到设计强度后，凿除附着在原变形钢支撑的喷射混凝土，钢支撑遵循隔榀和先上后下的原则一次拆除。置换的钢支撑必须保证初支及二衬达到原设计厚度，同时将原二衬的环向钢筋Φ16 调整为Φ25，二衬C30 防水混凝土调整为C40 防水混凝土，增加二衬结构的强度。

4.2 下沉开裂影响段处理（YK11+730～YK11+695）

（1）在洞内围岩及塌方体后方每5 m 设置监1 个测点，加强观测已施工的初支下沉开裂情况，对每个监测点的数据进行整理分析[2]，以便对围岩及初支的下沉开裂情况进行判断，确定影响段是否采取加固措施。

（2）根据现场监测数据反映，洞内塌方体后方已施工段（YK11+730～YK11+695）的初支变形（二衬侵限）小于5 cm。只需对塌方体后方径向打入梅花形Φ50×5 mm小导管（间距100 cm×100 cm、长6 m、横断面加固范围为拱顶以下150 °），同时注浆补强加固。待小导管注浆达到设计强度后，再次观测洞内围岩及塌方体后方已施工的初支变形情况，若该段初支无变形（二衬无侵限），立即施工二衬结构，同时将二衬（原Z5-1 型）的环向钢筋Φ16 调整为Φ25，二衬C30 防水混凝土调整为C40 防水混凝土，增加二衬结构的强度。若该段初支仍有变形（二衬无侵限），加密Φ50×5 mm 小导管注浆补强。

4.3 洞身开挖

（1）严格按照CD 法开挖塌方段落，采用小型机械及人工辅助开挖，严禁爆破，一侧导坑上台阶先开挖至超过塌方段落。开挖前，严格把控超前小导管施工质量关，确保围岩整体稳定。当对塌方处掘进时，严格按照短进尺强支护方式，每挖一榀钢支撑间距的围岩，立即架设一榀钢支撑，同时喷射混凝土至设计厚度，导坑的初支、中隔壁墙及临时仰拱尽快形成闭合圈，然后视侧壁稳定情况决定是否对侧壁再进行加固。塌方影响区的钢支撑拱脚处由锁脚砂浆锚杆调整为锁脚注浆小导管，同时锁紧固定拱脚，钢支撑拱脚完全支撑在坚实的基础上。

（2）根据监控量测数据，确定侧壁稳定后才能开挖导坑下台阶（含临时仰拱）。同理开挖另一侧导坑，中隔壁临时支护拆除时间的判定以拱顶下沉和净空收敛为依据，一次性拆除长度应根据量测数据谨慎确定。

5 预防措施

针对该地质下的初支下沉开裂现象，严格按照新奥法施工原理，采用超前地质预测、探测等多种手段，超前探明地质、渗水情况。按照“勤监测、管超前、预注浆、短开挖、弱爆破、强支护、早成环、紧衬砌”的原则组织施工，贯彻“光面爆破是基础，喷锚支护保安全，围岩量测明情况，仰拱先行快封闭，衬砌质量树形象”的工作思路[3]。

（1）以监控测量和超前地质预测（地震调查、物理勘探、超前水平钻探、地质雷达、超前导洞等[3]）等多种手段，掌握掌子面前方围岩地质和支护的动态信息并及时反馈和指导施工作业。每一开挖循环应对掌子面进行地质描述，对于出现异常以及地质复杂的地段，如破碎带和节理裂隙密集带等地段，前后50 m 可采用超前水平钻探孔、超前平行导洞、隧道内超前导洞等措施相结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，以探明掌子面前方地质，及时作出地质预警。根据超前地质预测预报、监控测量等反馈信息对地质情况进行分析，当地质条件与设计不符或出现异常时，立即对隧道的开挖方式、结构支护体系等进行调整和优化设计，确保隧道工程的施工安全。

（2）隧道开挖前，超前管棚及注浆小导管等超前预支护，严格按照设计长度、搭接长度、环向间距、外插角等要求进行钻孔注浆，并与拱架结合形成棚架式受力结构，压浆以压力值作为主控，注浆量校核，确保有效的扩散半径。对开挖轮廓周围的岩层进行固结，达到稳定围岩安全的效果。

（3）这类地层的开挖，应减少对围岩的扰动，一般采取先护后挖、密闭支撑、边挖边封闭的施工原则，坚持求“稳”的原则。应严格按照“勤量测、管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、早成环”的原则组织施工[3]，确保隧道不塌方。

该地质的Ⅴ级围岩开挖循环进尺，应结合钢支撑间距来确定，每循环开挖长度不得大于一品钢支撑间距。采用静态爆破作业或人工与机械配合开挖方式减少对围岩的扰动，尽可能减少超欠挖对围岩的扰动和破坏。

（4）隧道开挖后必须及时进行初支，围岩暴露时间不得过长，坚持“随挖随支护和先喷后锚”的原则[3]，尽快封闭围岩，控制围岩的初支变形。初支至掌子面的间距最大不得超过4 m，如遇特殊地质，要求支护紧跟掌子面。

钢支撑架立时不得置于虚碴或活动石上，不得悬空，必须位于坚实的基础上，软弱围岩地段基底必须作提高承载力处理。锚杆支护的孔深、间距、方位、焊接必须到设计要求，注浆要饱满，锚杆与垫板应保持垂直并与喷射混凝土充分接触，垫板之间螺母务必拧紧。为了避免因洞身开挖造成钢支撑悬空和支护结构失稳，对钢支撑扩大拱脚处理（如增设锁脚砂浆锚杆、锁脚注浆小导管或在拱脚增设立钢肋支撑）。喷射混凝土前，必须清除危石及松动石块，初喷混凝土必须达到设计厚度。

6 总结

该文通过塌方体回填及封闭、塌腔注浆回填、超前注浆预支护、钢支撑置换、增加二衬结构的强度等综合处治措施，有效控制了隧道初支下沉开裂，确保隧道后续施工的顺利推进。处治措施虽然能解决隧道初支下沉开裂问题，但终归属于补救措施，实际施工必须以预防为主要控制目标，通过及时反馈监控测量和超前地质预测、严格落实超前预支护、控制好洞身开挖及初支的施工质量等措施预防隧道的初支下沉开裂，真正做到防患于未然。