肖联国
福建省惠三建设发展有限公司 福建省厦门市 361004
摘要：隧道开挖后，围岩应力重新分布，当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限、或使围破裂、破坏等现象，从而导致隧道失稳变形。本文分析了施工中隧道初期支护变形侵限的处理。
关键词：隧道初期支护；变形侵限；处理；
一、工程概况
四川省道205线某隧道起讫里程为：DK24+852～DK25+419，全长567 m。隧道工程自然地面呈南高北低的形态，自然坡度近20°～45°，植被覆盖率低，冲沟发育，地形陡峭。本隧道穿越的软岩主要为为泥盆系中统三河口组。岩体的成分、结构强度、抗风化性等诸多方面都存在差异，主要为泥盆系中统三河组碳质千枚岩、碳质板岩和泥质板岩，节理裂隙发育，具薄层状镶嵌结构～碎石状压碎结构，强度低～中等，工程地质稳定性差，岩体各向异性特征显著，抗风化性差。
二、隧道变形侵限原因分析
1.自然因素。在隧道地表天然分布了3 条较大型的冲沟，沟深壁陡，沟内形成许多黄土陷穴；隧道施工期间恰逢雨季，部分地表水存积于黄土陷穴里；隧道变形地段洞顶地层以砂岩为主，节理裂隙发育，透水性好，地层受施工爆破及开挖扰动影响， 下渗量和下渗速率会增加， 地下水下渗量加大是导致初期支护变形的诱因之一。
2.地质因素。隧道洞身地层以泥岩为主，砂岩主要分布于拱部，泥岩具有弱膨胀性，在地下水干、湿交替影响下，导致岩体发生反复的膨胀、崩解，强度降低，促使局部围岩变形增大， 是导致隧道初期支护变形的主要原因。从变形规律分析，右侧纵向开裂段落为DK25+100～DK25+204，右侧边墙变形最大处发生于地表冲沟对应的DK25+140～DK25+156 段， 变形从中间开始向两侧延伸， 逐步扩大到二次衬砌混凝土及掌子面附近，与地表水下渗后围岩软化，造成结构变形的规律一致。隧道洞身穿越的地形为与隧道走向平行的斜坡，表层覆盖黄土，土石界面坡度和自然坡度方向一致，在受到隧道施工时爆破震动的影响下，存在沿土石界面滑动的可能。如果隧道上方土体有滑动的趋势必然会造成隧道初期支护结构受到偏压的影响，加之雨水下渗造成围岩软化， 从而最终造成初期支护的变形开裂。
三、初期支护变形处理措施
1.监理和业主控制。项目质量是工程监理控制工作的核心内容，监理人员在作业进程中应秉持严格、规范、公正的思路。经由目标控制、注重预防、全程跟踪调查、强化验收作业以及动态监理管控等措施，对隧道施工质量进行事前、事中与事后监理管控，以此保证整个建设项目的施工质量水平。对实行项目管理工程项目, 业主单位在项目的建设规模、标准、功能、设计方案、工期方面进行批准和监督, 并对工程建设的建设标准、质量、安全进行监督管理。
2.临时整治措施
（1） 地表处理措施。根据现场调查，在隧道上方黄土冲沟发育，有3条较大的黄土冲沟，9 条小黄土冲沟，个别沟底有积水坑。为防止降水进一步下渗，首先对坑洞进行回填并夯实， 对沟底进行顺坡处理， 使降水能够及时排走，防止降水积聚在洞顶；并在沟底表面采用三七灰土夯填（0.5 m 厚），局部采用浆砌片石对表面进行铺砌。
（2） 洞内临时支护。对变形段落设置φ159 mm 和φ108 mm 钢管横向支撑，间距3 m，每相邻两支撑间采用φ42 钢管纵向连接，并采用φ42 钢管做剪刀撑加固。
3.永久整治措施
（1） 初期支护参数的确定。本次计算选取隧道变形较大的DK25+150 断面位置，隧道埋深约32 m。假设隧道无限长，隧道开挖变形为平面应变问题。根据计算原则，按隧道的影响范围一般取3～5 倍的洞径，苏家湾隧道洞径为6.0 m。本计算采用有限元软件MIDAS-GTS 进行计算，计算模型选取左右各取40 m，下边界取30m，上部至地表。计算模型及网格划分如图1所示。初期支护截面强度验算结果显示， 初期支护侵限换拱处理段其支护截面强度安全系数均满足要求， 初期支护结构是安全的。
（2）按照现状地层参数， 支护参数按Ⅴ级加强措施（初期支护采用I20a 型钢钢架）计算。Ⅴ级围岩初期支护采用I20a 型钢钢架， 间距0.75 m/榀；C25 喷混凝土厚27 cm。由表4 的初期支护截面强度验算结果显示， 初期支护侵限换拱处理段其支护截面强度安全系数均满足要求， 初期支护结构是安全的。
4.注浆工艺研究。在DK25 +274.5 ～DK25 +273.5 段进行注浆试验，注浆管为φ42 mm 钢花管，长度3m，间距为1.0 m（环向）×1.0 m（纵向）；注浆材料采用1∶1水泥浆。通过注浆试验发现， 隧道边墙变形较大的位置注浆效果相对较好， 但跑浆现象较为严重。隧道拱部变形较小， 注浆压力很快就可以达到1.2～1.6MPa，浆液无法注入，可以推断拱顶围岩完整性相对较好。开挖过程中密切注意初期支护状态，包括喷砼层是否产生裂缝、剥离和剪切破坏、支撑是否压屈变形等。对以上情况进行详细描述、记录，并上报，作为及时调整支护参数的参考及量测等级选择的依据。根据注浆效果的分析，对隧道径向注浆措施进行以下调整：① 对注浆时漏浆严重及注浆量较大的小导管进行间断注浆。② 由于初期支护变形较大的位置其背后围岩节理裂隙十分发育，为了保证注浆效果，将边墙部分注浆小导管的长度调整为4.5 m。③ 根据围岩情况可以采用短管进行补充注浆，加固处置背后裂隙十分发育的岩层。对于软岩的施工，严格按照规范和设计要求施工，应采用短开挖留核心土、超前支护、提前施作仰拱、加强支护和衬砌、及时封闭等施工方法。重点应注意仰拱超前，应紧跟下部掌子面，以控制隧道边墙和底部变形。施工中必须加强地下水的疏导和集中引排，以避免对拱脚、墙脚围岩的软化。对于富水地带或涌水地带，采用超前预注浆可有效改善和提高围岩的工程性质，阻断或减少地下水对围岩进一步软化，对于软岩区隧道顺利施工有很好的效果。
5.初期支护拆换工艺研究。换拱的顺序按照凿除初期支护—扩挖至设计轮廓线—初喷—挂网并架立I20a 型钢钢架—复喷至设计厚度的顺序进行。换拱采用两台阶法， 先对拱部的初期支护进行拆换，待拱部换拱完毕、喷混凝土达到一定的强度后， 再对边墙的初期支护进行拆换。由于隧道初期支护变形较大，且已侵入二衬，严重影响隧道的安全，因此有必要对该段初期支护进行处治。根据国内大变形隧道工程处治经验，大变形隧道工程处治应以加固围岩、改善变形、先柔后刚、先放后抗、变形预留、底部加强为主要原则。施工方案宜采用尽早闭合的短台阶法施工，施工期间应预测和预报掌子面前方的地质状态，建立地质数据库，及时反馈，必要时对各种岩类的特性数据进行试验和测试；施工时应加强监控量测，建立日常管理体制及管理标准，监测初始位移速率及速度的变化预测最终位移值，建立控制标准值。
6.施工处理效果
（1） 拆除初期支护后地质情况。初期支护的拆换采用松动爆破。通过计算和现场试验，确定炮孔间距、深度及装药量。拆除初期支护以后对初期支护背后围岩的观察表明， 拱顶围岩完整性较好，无掉块现象；边墙部分节理裂隙发育，多为竖向节理；开挖后注浆痕迹明显，采用径向注浆的处理措施对变形较大处的围岩加固效果较好。
（2） 换拱处理后效果。通过对已拆换段落进行监控量测， 拆除初期支护初期，围岩变形相对较大，施做初期支护后变形逐渐稳定，初期支护收敛变形（DK25+150 断面）。及时施做二次衬砌，按设计处理措施可以满足结构安全的需要。经检验，设计措施安全可靠，有针对性。在施工中要结合具体的情况适当调整。
隧道地质条件复杂，地表黄土冲沟发育，洞身为砂泥岩互层的水平岩层， 大量降水后地表水下渗导致隧道围岩遇水软化，围岩等级降低，从而造成隧道初期支护开裂。文章通过有限元分析，确定了处理措施和支护参数， 从而为病害治理提供了可靠依据。在病害治理的过程中，对施工工艺进行了动态调整，有力地保证了施工的顺利进行。通过此项目实践，提高了对黄土地区地质特性的了解，施工前应该对隧道中线顶部地表、地形地貌加以调查，如遇沟谷陷穴，应进行处理，并做好排水系统；隧道内加强支护体系，适当加大预留变形量；加强监控量测，防止出现隧道大变形。
参考文献：
［1］郑伟．对西康铁路软岩和极软岩隧道支护的认识［Ｊ］．水文地质工程地质，２０１５，（４）．
［2］朱汉华，孙红月，杨建辉．公路隧道围岩稳定与支护技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１５．
论文作者:肖联国
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/20
标签：隧道论文; 围岩论文; 初期论文; 注浆论文; 地表论文; 节理论文; 措施论文; 《防护工程》2018年第4期论文;