福川隧道初期支護變形原因分析及處理

張 偉，劉艷青

(鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

隧道工程施工中，隧道開挖引起坑道周圍圍巖應力重分布，當初期支護提供的抗力不足以抵抗圍巖變形需求時，初期支護將發生變形。初期支護變形速率過大容易引起隧道坍塌，產生安全事故;累計變形值過大容易引起初期支護侵限，造成二次襯砌厚度不足。因此，根據地質和施工條件采取針對性的控制措施降低圍巖變形速率，從而達到控制初期支護變形的目的，對保證隧道施工和初期支護結構安全具有重要意義。

1 工程概況

福川隧道為新建客運專線鐵路隧道，全長10 649 m，起止里程為DK39+730—DK50+379，其3#橫洞承擔DK45+454—DK48+072的施工任務。3#橫洞小里程方向于2011年12月9日因冬休停工，掌子面里程DK46+115，2012年5月1日復工。復工后現場采用臺階法施工，開挖采用周邊眼裝少量炸藥進行起爆，中心土采用挖掘機進行開挖。當掌子面施工至DK46+074時，后方變形觀測發現觀測斷面單日拱頂下沉最大值15mm/d、單日邊墻收斂最大值25mm/d，累計變形值均未超過100mm，現場采取了應急措施。繼續施工發現拱頂下沉和邊墻收斂變形速率居高不下，且部分段落鋼架周圍出現程度不等的環向裂縫(如圖1)，鋼架噴射混凝土保護層局部剝落，上下臺階鋼架連接處噴射混凝土多處開裂(如圖2)，鋼架連接處發生較大的收斂變形，裂縫及混凝土剝落發展均較快，現場于6月2日立即暫停施工。停工時掌子面里程DK46+072，下臺階里程DK46+102，仰拱里程DK46+113，二次襯砌里程DK46+141。

圖1 鋼架周圍混凝土裂縫

圖2 鋼架連接處混凝土開裂

對觀測斷面進行加密，持續觀測發現各觀測斷面拱頂下沉和變形收斂變形速率均較大，且持續增長。于6月4日觀測到DK46+105斷面拱頂累計下沉163 mm，邊墻累計收斂190mm;DK46+100斷面拱頂累計下沉152 mm，邊墻累計收斂179 mm。DK46+075—DK46+135各觀測斷面累計變形值已超過預留變形量，初期支護變形侵限，DK46+100和DK46+105觀測斷面觀測到的累計拱頂下沉和邊墻收斂值都較大。

2 隧道初期支護變形原因分析

2.1 地質原因

該變形地段設計地質類型為白堊系下統泥巖，局部夾砂巖，弱膨脹性。開挖揭示掌子面為褐色泥巖、松軟潮濕、強度低、掌子面左側滲水。施工打鉆用水與掌子面滲水使泥巖強度及自穩能力急劇下降，同時泥巖遇水發生膨脹，導致圍巖壓力增加，初期支護發生變形，變形時間長且未得到有效控制，導致發生大變形。

2.2 施工原因

1)3#橫洞于2011年12月9日停工冬休，2012年5月1日復工，由于冬休停工，初期支護放置時間較長，達5個月之久。復工后隧道采用爆破法施工，對周圍圍巖多次擾動，塑性區范圍增大，產生較大的圍巖壓力，使初期支護產生變形。

2)現場未根據特殊地質條件采取有針對性的施工方法，上下臺階長度均較長，上下臺階預留高度不足。該施工段落泥巖具有一定的膨脹性，圍巖遇水膨脹產生較大的豎向和側向壓力，初期支護和上下臺階高度提供的抗力不足以抵抗圍巖產生的豎向和側向壓力，產生變形。

3)觀測數據顯示，隧道開挖后各觀測斷面拱頂下沉和邊墻收斂速率以及累計變形值雖未超過警戒值，但變形速率并未隨時間的增長而減小，拱頂下沉和邊墻收斂觀測值持續增加，現場未采取有針對性的加固預防措施，導致初期支護發生大變形。

3 隧道初期支護變形的處理

3.1 應急處理

初期支護變形速率急劇增加后，現場采取了如下應急處理措施:

1)封閉掌子面。立即暫停施工，采用C25網噴混凝土對掌子面進行封閉，掌子面封閉厚度不小于5 cm，防止掌子面因暴露時間過長、圍巖強度過低而發生垮塌。

2)上臺階應急處理。上臺階DK46+072—DK46+102段設置“I18+噴射混凝土”臨時仰拱支護。臨時仰拱I18對應原初期支護I18布置，于鋼架連接處焊接牢固。臨時仰拱I18之間采用方木進行橫向支撐，形成方格網狀布置，防止因側向擠壓力過大導致鋼架發生扭曲變形。臨時仰拱鋼架之間采用與初期支護噴射同級混凝土填充密實，為臨時仰拱鋼架提供側向抗力，噴射混凝土厚度以覆蓋鋼架為宜。由上臺階邊緣向掌子面方向加固施工。

3)下臺階應急處理。DK46+102—DK46+113段上下臺階鋼架連接處采用I18對撐，鋼架與原初期支護鋼架焊接牢固;墻腳設置臨時仰拱進行加固，臨時仰拱設置同上臺階。上下臺階鋼架連接處增加φ42鎖腳錨管進行加固，錨管長度不小于5m，每處接頭4根，相互錯開布置，錨管與鋼架焊接牢固，保證錨固效果(如圖3)。由二襯端頭向掌子面施工，先施作鎖腳錨管，然后進行臨時仰拱和支撐施工。

圖3 鎖腳錨管布置(單位:m)

4)DK46+113—DK46+135段于上下臺階鋼架連接處增加鎖腳錨管進行加固，鎖腳錨管設置同下臺階應急處理。

5)初期支護變形應急處理過程中應加強變形觀測。DK46+072—DK46+135共計63 m存在初期支護變形侵限現象，DK46+100斷面拱頂累計沉降值最大，實際觀測值為278 mm，侵限178 mm(如圖4);DK46+105斷面邊墻累計收斂值最大，實際觀測值為320mm，侵限220mm(如圖5)。現場于6月5日進行初期支護變形應急處理，6月10日全部完成。觀測數據顯示，應急處理過程中，圍巖變形速率逐漸減小，應急加固完成后，初期支護變形趨于穩定，變形速率接近于0，支護變形得到有效控制。

圖4 DK46+100變形觀測值

3.2 變形侵限處理

圖5 DK46+105變形觀測值

在初期支護變形應急處理完成且初期支護變形穩定后，對侵限的初期支護進行換拱處理。換拱處理遵循“少裝藥、弱爆破、逐榀更換、勤量測”的原則組織實施。鋼架拆除由二襯端頭向掌子面方向逐榀進行，并采用縮小鋼架間距、增加噴射混凝土厚度等措施加強初期支護。置換拱架前復核開挖斷面尺寸，須比設計開挖輪廓線擴大15 cm，即預留15 cm的變形量。

1)拱架置換從二襯端頭變形侵限第二榀拱架間向掌子面方向進行。采用少裝藥、弱爆破方式鑿除寬為25～40 cm、深度為侵限值并加大15 cm預留變形量的拱槽，拱槽鑿除完成后，進行拱架安裝。

在拆除第二榀拱架前，在已置換第一榀拱架拱部上方施作超前注漿小導管對初期支護背后已松動圍巖進行加固。小導管尾部與拱架焊接牢固，超前小導管注漿漿液采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.5～1.2 MPa，注漿過程中加強觀察，謹防壓裂原初支面。注漿完成12 h后圍巖形成一定的自穩能力，然后拆除下一榀拱架，如此循環進行換拱。

2)拱架拆除前首先檢查拆除拱架的錨桿、連接筋、網片與拱架是否徹底斷開，未斷開的先行斷開后再拆除。然后，對已置換的拱架之間的初支及突出的圍巖進行鑿除，再進行拱架連接筋的焊接，網片掛設，噴混凝土封閉，以此進行下一榀拱架置換。

3)DK46+135—DK46+102段由邊墻開始進行拱架的置換，然后進行拱部拱架置換。亦即先進行邊墻拱架的鑿槽，然后支立邊墻的鋼架，鎖腳錨管的施作，再進行拱部拱架的鑿槽、拱架置換、鎖腳錨管的施作，相鄰一榀拱架同樣順序置換完成后，進行拱架間的初支、圍巖處理。換拱處理達到一環二襯長度立即進行二襯施工。

4)DK46+102—DK46+072段拱架置換逐榀進行。置換時，先弱爆破拆除原變形鋼架，再鑿槽安裝鋼架，相鄰拱架拆除完成后，立即進行拱架間初期支護的施作。

5)按上述步驟逐榀向前拆除鋼架，直至完成全部換拱作業。在仰拱已施工完成段，若達到12 m，滿足一環二襯長度，則立即進行二襯施工;下臺階換拱完成后，進行上臺階換拱施工，下臺階開挖按照一榀鋼架步距進行，鎖腳錨管加強，達到3榀步距，則立即完成初支成環的仰拱施工。

福川隧道3#橫洞于6月15日開始初期支護變形侵限段的換拱施工，7月25日完成全部換拱施工，歷時40 d，平均1.6 m/d，換拱期間初期支護變形穩定，無大變形發生。

4 結語

福川隧道因地質和施工因素導致圍巖變形速率長期不能趨于穩定，通過對初期支護采取臨時仰拱和鎖腳錨管等應急處理措施，有效地控制了圍巖變形，保證了后續變形侵限處理的順利進行，在工程進度和施工安全上取得了理想效果。

1)隧道施工應根據不同的地質情況采取有針對性的施工措施和方法，施工過程中應切實重視變形觀測的指導作用，根據觀測數據進行施工方法和支護措施的動態調整，真正做到以變形觀測數據指導施工。

2)隧道支護變形處理方式多樣，施工現場需根據地質因素和變形特點采取有針對性的控制措施。臨時仰拱和鎖腳錨管聯合加固措施能夠有效地降低初期支護變形速率，控制圍巖變形，同時能夠為后期變形處理提供一定的安全保障。

3)隧道換拱作業方式較多，采取有效的加固措施后，“少裝藥、弱爆破”換拱方式具有進度快、效果優的特點，在換拱施工中不失為一種合理選擇。

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