隧道初期支護有效性對施工安全的影響

吳發展

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

0 引言

由于隧道工程的隱蔽性、受力復雜性、影響圍巖穩定的未知因素多，支護措施有效性不足將造成隧道塌方的嚴重質量安全事故，規范施工，警鐘長鳴。張金星(2012)［1］對祁連山隧道富水軟弱圍巖防坍塌施工技術進行了總結，分析了施工過程中影響圍巖變形失穩塌方的因素，實例說明超前支護方案是保證圍巖安全性與穩定性的關鍵所在。閆肅、董倩(2012)［2］對楊家灣隧道初期支護裂縫分析時，認為隧道的初期支護是新奧法中的主要承載結構，其作用主要是控制圍巖的變形松弛，初期支護是保證施工安全的關鍵。王學敬(2012)［3］以新建太興鐵路小河隧道為例研究淺埋偏壓黃土富水隧道施工變形機理和控制措施，開挖作用造成隧道周圍地層中應力的變化伴隨圍巖位移(變形)變化，及時根據量測數據結果調整圍巖支護參數和施作時間，確保了隧道施工安全。周嘉賓等(2012)［4］針對淺埋偏壓隧道洞口段初期支護變形進行了分析與控制，如果設計或施工處理不當將發生初期支護產生過大變形，帶來巨大的安全隱患。本文根據三座在建隧道的工程實例，探討隧道初期支護有效性對施工安全的影響。

1 隧道支護有效性不足引發事故

山嶺同隧道2012年8月在隧道上臺階立拱施工作業過程中，左側圍巖突然片幫坍塌，構成一般生產安全事故，按照“四不放過”原則進行事故原因分析并制定了整改措施。

1.1 原因分析

1)小導管前端沒有嵌入掌子面巖層中，起不到管棚支護破碎圍巖的作用，破碎圍巖在自身重力的作用下失穩，是造成圍巖坍塌的直接原因。從現場查勘和事故圖片資料顯示，最前面一環超前小導管距離掌子面水平距離約3.6 m(在上一開挖支護循環第二榀鋼拱架處施作)，而小導管設計長度4 m，扣除外插角影響、型鋼拱架翼板寬17.5 cm、尾端10 cm～20 cm的外露長度，以及施工誤差，綜合計算小導管水平有效長度約為3.3 m，這些因素導致小導管前端沒有嵌入掌子面巖層中，起不到管棚支護破碎圍巖的作用。

2)施工現場工序組織不合理，是造成此次事故發生的主要原因。現場每一循環開挖2 m，每兩循環打設一次小導管，從而造成每兩循環即有一次達不到“小導管縱向搭接不小于1 m”的規定，同時小導管前端不能嵌入掌子面巖層，起不到管棚預支護的作用。

因此，這是一起因現場施工組織管理不到位而導致的工序質量不符合設計，隧道支護有效性不足所引發的人身傷亡事故。

公司對責任人進行了責任追究:現場負責施工生產管理人員，在事故段圍巖未按施工技術交底組織施工，對事故的發生負主要管理責任。安全生產管理人員對超前小導管預支護施工問題帶來的安全隱患監督檢查不到位，對事故的發生負有監督管理責任。其他相關責任人按干部管理權限規定也進行了追究處理。

1.2 整改措施

發揮施工技術管理系統、生產指揮管理系統和過程監督管理系統“三位一體”作用，提高協同工作能力。三個系統統一步調、統一計劃、統一認識，相互聯系、協調、配合，實現項目管理的目的。施工技術管理系統負責施工技術方案的確定和技術交底，同時進行技術跟蹤，對不按方案和交底施工的問題，督促生產指揮系統處理，在方案和交底不適宜現場實施時，對其進行調整;生產指揮系統負責按照施工技術方案和技術交底組織現場施工生產，并且對現場實施中出現的問題組織整改，對方案和交底不適宜的情況及時反饋給施工技術系統予以調整解決;過程監督系統負責監督檢查施工技術方案和技術交底的制定和實施，對現場出現的違規問題協調、督促施工技術管理系統或生產指揮系統解決。在施工工期、成本與安全發生矛盾時，施工技術管理系統、生產指揮管理系統和過程監督管理系統“三大系統”應共同研究切實可行的施工技術和施工組織措施，在保證安全的前提下，加快進度，控制成本。要針對隧道掌子面施工情況，組織研究確定如何既能滿足設計要求和設計意圖，又能使開挖、支護技術方案與現場生產組織相協調，形成具體可操作的施工技術措施，并嚴肅紀律、嚴格落實。吸取事故教訓，對隧道初期支護的有效性進行認真檢查，初期支護起到穩定隧道圍巖的作用，為施工安全提供保障。

2 隧道支護未及時調整引發塌方

山嶺木隧道出口段設計圍巖級別為Ⅴ級軟巖，支護參數:初期支護以網噴混凝土+錨桿+工字鋼架組成，錨桿拱墻布置，長4.5 m，環縱間距 1.2 m ×1.0 m，呈梅花狀布置，拱部和邊墻均采用R32N自進式錨桿;拱部120°范圍內布設φ42超前注漿小導管，長度 L=3.5 m/根，環向間距0.4 m;Ⅰ20b 工字鋼架拱、墻、仰拱全環架設，間距0.5 m/榀;拱、墻全環布置φ8鋼筋網片，網格尺寸20 cm×20 cm;縱向連接筋環向間距1.0 m，采用φ22鋼筋制作;拱、墻噴射C30混凝土，噴射混凝土厚度為33 cm。開挖情況揭示圍巖主要為碳質板巖，薄層狀，局部層理扭曲，圍巖無明顯的產狀，坍方處圍巖酥松，地下水不發育，局部有滴水，開挖掉塊比較嚴重。

2.1 塌方情況

2010年2月24日4:00，隧道出口左線開挖施工至DK191+448.55，拱架架立完成后進行噴漿作業，拱頂發生掉塊，將已架設好的拱架砸彎變形。將變形拱架進行拆換處理，在噴漿過程中拱頂又發生掉塊，將拆換后的拱架砸彎變形。先后對拱架進行拆換3次，拆換拱架5榀，仍未能架立成功，于2010年2月24日晚23:00發生較大坍塌，掌子面圍巖擠出掌子面，致使拱頂臨空面擴大，拱頂圍巖坍塌，坍塌范圍擴大至DK191+459段，坍塌體堆至拱頂，拱頂存在很大空洞，塌方量大致為1500 m3。

2.2 塌方原因分析

施工過程中未能重視圍巖變化，對圍巖變軟后未及時根據地質條件變化調整施工方案和支護參數，未能及時更改施工工藝。掌子面圍巖開挖易剝離，掌子面兩臺階施工，核心土預留過短，無法抵住大斷面圍巖壓力是本次塌方主要原因。初期支護施作質量是影響隧道變形塌方的原因之一［5］，鋼筋網片搭接長度不足、噴射混凝土不均勻等直接造成支護剛度的減小。

2.3 補強措施

每循環支護完成后徑向打設φ42 mm無縫鋼管，L=4.5 m，間距100 cm，梅花形布置，形成加固圈，減小圍巖初支壓力。掌子面打設φ42 mm無縫鋼管，長度1.5 m，間距1 m×1 m，梅花形布置，注漿加固掌子面松散圍巖，防止掌子面圍巖擠出掌子面。

在支護參數調整與防坍塌方面，李漢軍(2007)［6］在某三線大跨隧道坍方原因分析時指出，施工單位根據監控量測情況申請加強支護，業主為控制投資未同意，施工單位仍按原設計施工，沒能及時調整支護參數是造成坍方的主要原因。業主方按動態設計管理辦法成立現場管理小組，及時協調支護參數加強，對防止坍塌將有積極意義。

3 隧道初期支護剛度對圍巖變形的影響

馬家山隧道進口DK240+170～DK240+238段在掘進進入DK240+170以后，掌子面為強風化板巖，泥巖，板巖巖體非常破碎，地應力較大，泥巖體結構面交錯多變，掌子面開挖后圍巖易沿結構面發生坍塌掉塊(見圖1)，易造成局部超挖，DK240+222最大收斂60 cm、累計收斂130 cm，由于現有初期支護不能抵抗圍巖變形，經四方會勘，從DK240+181起，原有Ⅰ20b鋼架調整為H175型鋼，拱架間距0.8 m/榀。

DK240+238～DK240+288段圍巖以泥巖為主，開挖后掌子面圍巖失穩易產生坍塌，原設計初支參數:φ6 mm鋼筋網片+拱部組合中空錨桿，經四方會勘，支護加強為H175+Ⅰ18雙層拱架支護體系。上、中臺階拱架屈服扭曲圖見圖2。

巖層低強度是隧道發生大變形的地質因素，但在高地應力條件下，隧道初期支護強度儲備不夠，因大變形引起初期支護結構破壞，無法保證施工安全。對軟弱圍巖要及時地支護，而且要封閉成環，隧道支護成為閉合受力結構，可以在很大程度上改善圍巖受力狀態，與圍巖共同形成受力體系［7］。為控制變形，隧道支護三次加強［8］，DK240+181起現場鋼架由原來Ⅰ20b改為H175型鋼鋼架，拱架間距0.6 m;在DK240+238開始支護時，再次加強為外側立H175鋼架、內側立Ⅰ18鋼架的雙層拱架噴射混凝土支護體系，并增加鎖腳錨桿及鎖腳錨桿系統化。通過加強初期支護提高支護剛度等措施，使支護強度能夠抵抗圍巖應力，有效地抑制變形的發展，保證了施工安全。

圖1 板巖脫落后露出泥化構造面，開挖后自動滑落

圖2 上、中臺階拱架屈服扭曲

4 結語

1)嚴格按設計施工，滿足“小導管縱向搭接不小于1 m”的規定，小導管前端嵌入掌子面巖層中，起到管棚支護破碎圍巖的作用，確保支護的有效性，為施工生產創造一個安全的工作環境。

2)根據開挖揭露出的實際圍巖，研究支護的施作時間、剛度與圍巖穩定的關系，與設計單位聯系按實際情況進行變更，及時調整支護參數增加支護剛度，以使施工合規，支護剛度能夠抵御地應力產生的變形。

3)隧道施工結合工程實際情況，認真做好監控量測，對量測數據及時分析并反饋指導施工，以便進行動態設計與施工，調整圍巖支護參數和施作時間，確保隧道施工安全。

隧道初期支護有效是確保施工安全的重要保證。

［1］張金星.祁連山隧道富水軟弱圍巖防坍塌施工技術［J］.現代隧道技術，2012，49(sup):417-420.

［2］閆 肅，董 倩.楊家灣隧道初期支護裂縫分析與處理技術［J］.現代隧道技術，2012，49(sup):453-456.

［3］王學敬.淺埋偏壓黃土富水隧道施工變形控制［J］.現代隧道技術，2012，49(sup):421-425.

［4］周嘉賓，張小旺，侯騰飛.淺埋偏壓隧道洞口段初期支護變形分析與控制［J］.地下空間與工程學報，2012，8(S1):1411-1417.

［5］陳鳳熔.特征曲線法及其在隧道塌方分析中的應用［J］.隧道建設，2007，27(sup):15-17.

［6］李漢軍.三線大跨隧道坍方處理施工技術［J］.隧道建設，2007，27(sup):76-78.

［7］何 磊，楊 斌，王更峰，等.高地應力軟巖隧道施工動態控制與優化研究［J］.現代隧道技術，2011，48(2):44-48.

［8］吳發展，魏 立.馬家山隧道進口變形控制施工技術［J］.現代隧道技術，2012，49(sup):360-364.