淺析康家樓隧道初期支護大變形處治技術

魏 杰

（和榆高速公路建設管理處，山西 左權 032600）

1 工程概況

康家樓隧道為分離式山嶺巖石隧道，左線長8 478 m、右線長8 500 m，左右線均為特長隧道，左右線間距35 m，最大埋深511.4 m。隧址區位于山西省東部，橫穿太行山山脈中南部晉冀交界處，地形地貌極為復雜，溝壑縱橫，懸崖峭壁，圍巖以石英砂巖、長石砂巖和砂質泥頁巖為主，巖層裂隙發育。該隧道共發育斷層16條，地下水富水性相對較強，含水段長度達6 764 m，施工中出現多次涌水、突泥和大變形等不良地質災害，對工程影響較大。

2 突水變形狀況

當康家樓隧道右線上臺階施工至K71+376處，右側下導坑施工至K71+366處時，右側下導坑圍巖為粉質砂巖與砂質頁巖相夾雜，巖層層厚20～30 cm，有少量裂隙水從巖石裂隙縫內流出。晚上21:10，在開挖出碴完成后進行拱架施工時，右側下導坑裂隙水增大，巖層大塊剝落坍塌，幾分鐘后，右側下導有部分砂巖塊夾雜泥水快速涌出，方量約15～20 m3，右側涌水量迅速增大，同時已施工完成噴射混凝土表面出現裂縫，中導坑右側拱架扭曲變形，裂隙迅速加大，右側中下導坑K71+350—K71+370段出現縱向裂縫，初期支護表面能夠明顯看到收斂變形，拱架扭曲，現場立即組織疏散撤離，停止掌子面的施工，同時從洞外拉碴進行堆碴反壓。晚上23:30，現場在堆碴反壓完成后，變形趨于穩定。

在變形穩定后，由測量人員對初期支護斷面進行監測，數據顯示，K71+351.5處右側收斂變形26.5 cm，K71+364.3處收斂變形75.3 cm，已經嚴重侵限。

3 初期支護變形原因分析

該施工段落處于F5～F6斷層破碎帶之間，斷層破碎帶寬24 m，巖體節理裂隙發育，裂隙充填膠泥和角礫狀砂巖，設計圍巖類別為Ⅳ3，超前地質預報資料顯示該段內縱橫波反射界面明顯增多，縱波、橫波速度均有明顯降低，推斷圍巖巖體破碎、裂隙發育，穩定性較差，有滲涌水可能，與設計描述基本相符，開挖支護時已采取加強措施，采用Ⅴ級深埋襯砌支護參數，三臺階預留核心土法進行開挖施工。現場揭示該段圍巖主要為中風化粉質砂巖，干燥狀態試驗強度為20～25 MPa左右，但是遇水后粉質砂巖強度迅速降低，長期浸泡后形成泥塑狀，圍巖自穩能力大大降低，滲涌水和巖石軟化增大了初期支護壓力，造成初期支護扭曲變形、開裂。

4 處治方法

大變形段處理具體措施見圖1。

圖1 大變形段處理示意圖

4.1 應急措施

a）暫停掌子面掘進施工，采用噴射C25混凝土將掌子面封閉，掌子面封閉厚度不小于10 cm，防止掌子面因暴露時間過長、圍巖強度降低而發生坍塌[1]。

b）增加抽水設備，加快排除積水，防止圍巖長期浸泡軟化，為后續工作提供作業面。

c）堆碴反壓變形段初期支護。采用洞外拉碴對掌子面進行反填，堆碴高度5 m，長度25 m，對碴堆采取噴射混凝土封閉，然后進行注漿固結，為變形段初期支護拱腰部提供支撐，減少圍巖壓力對初期支護的進一步影響，避免收斂變形加速，造成圍巖坍塌。

4.2 加固措施

a）注漿加固圍巖。對K71+350—K71+370段已施工初期支護段圍巖進行加固，加固采用φ42注漿小導管，長度4～5 m（根據變形情況確定，變形大，導管應適當加長），布設間距80 cm（縱）×100 cm（橫），注1∶0.8水泥水玻璃雙液漿進行加固及堵水，注漿終壓控制在0.5～1.0 MPa，使變形段圍巖形成自穩能力，確保已施工段初期支護穩定和下一步處治過程中作業安全。

b）增加臨時支撐。對K71+350—K71+370段已施工初期支護采用I20a工字鋼+噴射混凝土進行橫向臨時仰拱支撐，縱向間距80 cm，臨時仰拱I20a工字鋼應對原初期支護I18工字鋼布置，于鋼拱架連接處焊接牢固。臨時仰拱之間采用方木進行橫向支撐，形成網格狀布置，防止因側向擠壓過大導致臨時仰拱發生扭曲變形[1]。臨時仰拱鋼拱架之間采用C25噴射混凝土填充密實，使之形成一個整體，以保證在進行換拱作業時初期支護穩定。

c）加快未變形段成環，防止變形范圍進一步擴大。為確保未變形段安全穩定，先加快仰拱施工，形成閉合環均勻受力，將K71+330—K71+350段C15仰拱填充變更為C30混凝土，提高混凝土標號，盡早形成強度，降低初期支護變形風險。

d）加強監控量測，預防次生災害。初期支護加固處理過程中，應加強變形段的圍巖量測，經連續監測，收斂變形和鋼拱架內應力逐步降低后，才能進行下一步處治工作。

4.3 處治措施

a）超前支護。在K71+350—K71+370段初期支護加固完成后，且圍巖收斂趨于穩定后，對該段拱架進行換拱處理，換拱前先進行超前支護，拱部120°范圍采用φ42超前注漿小導管支護，間距40 cm，長度300 cm，外插角10°，每更換2榀拱架施作一循環。

b）換拱處理。采取“減弱爆破，逐榀換拱，加強鎖腳，及時噴錨”的施工方法，減少對圍巖擾動和圍巖暴露時間，對侵界的圍巖及支護爆破開挖后，人工將已侵限的鋼拱架、錨桿、導管進行拆除（或割除），然后安裝新拱架。換拱按上下臺階分次施工，不應一次全斷面更換，先更換拱部或上導坑部分鋼拱架，然后換下導坑和堆碴反壓掩埋部分，接頭處加強鎖腳錨管施工。下部換拱作業時先拆除臨時仰拱，單側開挖施工，中間預留核心土，換拱前先注漿加固圍巖（同拱部處理）。

c）換拱拱架采用I20a工字鋼，拱架間距由80 cm調整為60 cm，每循環施工1榀拱架，將系統徑向錨桿調整為徑向注漿小導管，間距為60 cm（縱）×100 cm（橫），長度4 m/根，呈梅花型布置，并與工字鋼焊接在一起；增加噴射混凝土厚度，將噴混凝土厚度由26 cm調整為30 cm；增設鎖腳錨管，采用φ42小導管施做鎖腳，長度4 m，在每榀鋼拱架兩側各施做兩根，且注漿對其進行加固。

d）每完成2～3 m換拱，停止換拱作業，迅速完成該段仰拱及仰拱填充施工，確保初期支護封閉成環，整體受力。

e）對滲水集中的初期支護表面預留泄水孔，通過環向半邊管將初期支護背后滲水集中引排至縱向中心排水管，同時加密滲水變形段落排水管，環向及橫向排水管調整為1道/5 m。

換拱作業時，加大對換拱后初期支護拱頂下沉及周邊收斂觀測頻率，監測初期支護變化情況，一旦有異常情況增加臨時支撐或迅速將人員撤離，確保施工安全。

康家樓隧道K71+350—K71+370段涌水變形段，通過堆碴反壓、臨時仰拱及注漿加固等處理措施后，在換拱期間支護變形穩定，未再次發生大的變形，在施工安全和處理效果上達到了預期目標。

5 不良地質變形預防及控制措施

a）加強超前地質預報工作，TSP地震波與地質雷達探測長短結合，為施工提供可靠資料，必要時對探測到的不良地質段，采用超前地質鉆孔驗證前方地質和地下水情況，提前做好不良地質段的強支護及排水措施。施工中應嚴格遵循“管超前，嚴注漿，短進尺，強支護，勤量測，早成環”的施工原則。

b）對不良地質段采用三臺階預留核心土的開挖方法，中臺階及下臺階在開挖過程中必須錯開開挖，嚴禁對開，左右側錯開距離宜為2～3 m，且在中臺階及下臺階增設臨時仰拱的措施約束變形，二襯距離掌子面的距離控制在35 m之內。

c）增大施工預留變形量，一般控制在20～30 cm之間，可根據現場監控量測情況進行調整。

d）洞內上臺階初期支護背后出水點的位置埋設鋼管將水引排，并在拱腳位置設置臨時排水溝，將水排至集水坑。滲涌水段必須及時將積水抽排，防止積水滲泡，降低圍巖強度，加劇支護變形。

e）出現支護較大變形，特別是伴隨滲水時，應先拉洞碴反壓，以約束支護變形，并采取臨時加固措施防止圍巖坍塌。對圍巖注漿加固時，可采取增加注漿孔數量減小注漿壓力，在保證擴散半徑搭接的前提下，防止注漿壓力過大造成圍巖變形加劇，以保證施工安全。

f）平時要做好應急物資儲備，比如做好水玻璃、小導管、方木的日常儲備，對可能發生涌突水的反坡段落提前布設抽水管線等，確保發生突水變形時能及時投入使用。

6 結語

康家樓隧道大部分富水斷層破碎帶采取加強超前地質預報、提前預防性加固圍巖、加強初期支護和三臺階穩步施工等措施，均安全順利通過，未發生較大變形。在之后發生的兩段初期支護大變形的處理中均采用上述處治方法，未發生任何安全事故，換拱后初期支護穩定，二次襯砌無開裂，取得明顯效果。

隧道換拱方式多種多樣，安全有效是第一位，采取有針對性、穩妥的圍巖加固措施后，再采取“減弱爆破，逐榀換拱，加強鎖腳，及時噴錨，迅速成環”的換拱方式，具有快速安全、支護穩定的特點，在巖石隧道支護變形換拱處理中是一種較為合理的施工方法。