對某高速公路隧道初支結構變形段處治的思考

牛 紫 龍

(中鐵隧道集團有限公司,廣東 廣州 510080)

對某高速公路隧道初支結構變形段處治的思考

牛 紫 龍

(中鐵隧道集團有限公司,廣東 廣州 510080)

鑒于初期支護是二次襯砌的基礎,初期支護大變形的預防與整治是破碎松散地質條件下隧道施工的關鍵,針對初期支護大變形的危害,分析了某高速公路隧道初期支護大幅變形的原因,提出了初期支護大變形的整治措施。

隧道，支護，變形，下沉，加固

1 工程概況

該高速公路隧道為左右分離式隧道，隧道左線長565 m，右線長640 m。其中左、右線分別位于半徑3 500 m和3 100 m的圓曲線上，線間距為33 m，隧道凈寬15.5 m，凈高5.0 m。隧道埋深為5 m～60 m，穿越地段基巖為全～強風化砂頁巖夾灰巖，巖質軟弱，裂隙極發育。全隧道設計為Ⅴ級圍巖，采用雙側壁導坑開挖工法。隧道按新奧法原理設計，結構采用錨、網、噴、鋼拱架組成初期支護與二次模筑混凝土相結合的復合式襯砌形式。設計襯砌類型為S5b型。初期支護工字鋼拱架型號20b，間距50 cm；雙層Φ8鋼筋網，網格間距為20 cm×20 cm；C25噴射混凝土28 cm厚。襯砌采用鋼筋混凝土結構，設計55 cm厚C25防水混凝土，主筋Φ25螺紋鋼，間距20 cm。隧道結構設計如圖1所示。

2 隧道變形段開挖實際揭露地質

原設計資料顯示該段開挖面已全部進入了灰巖。而據地表鉆孔和實際開挖揭示，隧道變形段所處地質條件較差，其上覆粉質粘土殘坡積層，揭露深度為1.4 m～29.1 m，坡體中部層厚較大，局部有炭質頁巖、泥巖夾層(0.9 m～3.5 m)，下伏中～微風(炭質)化灰巖、砂巖為主。

3 隧道初支變形情況描述

3.1 隧道內初支變形情況

隧道在開挖右側壁YK97+760仰拱時，臨時側壁出現了滑移垮塌，垮塌縱向長約7 m。同時，據現場觀察和量測，ZK97+717～ZK97+784段(共計67 m)左右側壁初支開裂加劇，部分初支向隧道內側鼓脹變形，鋼拱架扭曲失效，側壁上中臺階連接處拱架錯位變形最為明顯，形成剪切破壞形態，多段初支侵入二襯輪廓線5 cm～40 cm不等。初支變形破壞情況如圖2所示。

3.2 地表開裂情況

隧道K97+600.0～K97+680.0范圍左、右幅隧道間自然地表出現明顯開裂現象。其中，第一條張拉裂縫位于左幅隧道右導洞上方，走向近洞軸向，長約20余米，最大寬度約10 cm，可測深超1 m；第二條裂縫位于左右幅隧道間，走向與洞軸向呈一定角度，長約14 m，最大寬度約30 cm，可測深超1 m；第三條裂縫位于右幅隧道右導洞上方，走向近洞軸向，長約9 m，最大寬度約10 cm，可測深超1 m。地表開裂情況如圖3所示。

4 初支結構變形原因分析

從初支破壞的形態看，隧道支護結構明顯受到了巨大的外力作用，結合監測發展數據分析，整個坡體是存在變形滑動或者說是蠕動的，但又沒能找出明顯滑動面，即不能斷定隧道結構破壞由滑坡引起，分析可能有以下幾方面因素綜合導致初支產生重大變形：

1)因前期施工掘進、爆破等人工活動的影響，破壞了坡體的自然平衡，使中部土體產生松弛開裂變形，繼而牽引后部部分坡體向前方產生擠壓或推移。

2)外加前期降雨影響，大量地表水不斷入滲，使得坡體飽水，自重加大，不斷軟化巖土體，抗剪強度降低，致使邊坡局部受力進一步增加，誘使坡體局部出現明顯的變形滑動。

3)由于隧道上方自然坡體的潛在滑動，隧道上方原有土體的穩定形態被擾動，不能再依據新奧法的設計原理形成隧道自然拱，隧道初期支護承擔著上覆飽水土體的巨大荷載，圍巖和初支結構受力逐步增加至超出承載范圍而造成初支結構變形發展、拱架扭曲和剪切形態破壞。

4)隨著隧道停止掘進擾動和滑動后土體應力的重新調整，隧道初支結構、上方土體荷載又形成了新的應力平衡，這又是變形發生后監測數據未能反映土體繼續滑動和結構深層破壞的原因。

綜上所述，隧道施工掘進擾動和爆破影響坡體自然平衡，加上降雨引發的土體荷載增大，是引起初支結構變形破壞的誘因。由于山體已有的滑動和擾動，加上巨大的山體外力存在，設計上無法準確地對當前隧道支護參數的安全度進行評判，也給下一步的施工安全帶來極大的不確定因素和風險，也不排除滑動面(帶)貫通發展、深部發展的可能，因此在制定處治方案和措施上遇到很大困難。

5 變形處治方案及效果

總體上講，初支結構破壞原因分析特別是后期變形是否發展存在大的不確定性，增大了處治方案確定的難度，但是工程不能停滯不前，只得被迫在處治方案或者措施上進行嘗試或試驗，以最終結構能否穩定來驗證其方案是否可行。最后，通過專家會議確定，選取了一段已經遭到破壞的初支結構作為試驗段來恢復施工。

5.1 試驗段施工原則

以確保施工安全為前提，先通過TSS注漿改良開挖輪廓線外3 m～5 m范圍土體恢復隧道組合拱，由新的組合拱來承載土壓力，再對初支變形部位恢復開挖換拱，進一步提高設計支護參數來實現隧道永久初支結構體系的可靠性和穩定性，試驗段施工過程加密監控量測，嚴格工藝、工法控制。如果試驗段恢復開挖換拱后山體穩定無滑動，并且試驗段新的初支結構體系穩定可行，則二襯緊跟封閉，否則該方案不可行。通過總結試驗段的參數和工藝，以此指導后續段施工。

5.2 試驗段細化方案

經現場調查，試驗段選定在隧道左線左側壁ZK97+717～ZK97+723段，長度為6 m，現場測量該段初支剪切變形破壞已侵入二襯輪廓線。對變形段進行設計加強，設計襯砌類型為S5a型。初期支護工字鋼拱架型號25a，間距50 cm；雙層Φ8鋼筋網，網格間距為20 cm×20 cm；C25噴射混凝土31 cm厚。襯砌采用鋼筋混凝土結構，設計60 cm厚C25防水混凝土，主筋Φ25螺紋鋼，間距20 cm。

方案施工流程為：先進行隧道TSS徑向注漿改良土體恢復組合拱，再進行開挖換拱支護，同步觀測山體是否存在滑動，做好洞內監測,依據監測情況決策下步襯砌和后續循環。

5.3 試驗段驗證效果

1)注漿后圍巖改良效果。試驗段TSS注漿管按1 m×1 m間距，梅花形布置，試驗段環向布設數量為31根，縱向布設7排，總數量217根。注漿量共341.3 m3，注漿管數量為868 m，每延米實際注漿量約0.24 m3。本次注漿達到了預期效果，且在注漿過程中，注漿終壓控制在2.0 MPa。開挖后，土體穩定性有了明顯改善，確保了試驗段順利換拱開挖。

2)換拱施工。現場試驗段換拱嚴格按方案施工，每次換1榀，利用防水板臺架作為操作平臺，施工時人工風鎬破除原噴射混凝土及二次開挖。現場開挖后，發現土體密實堅硬，干燥無水，自穩性較好。

3)洞內監測情況。試驗段施工期間，項目監控量測組嚴格執行施工監控量測專項方案，加密監測頻率，在ZK97+717及ZK97+722兩個斷面設置洞內拱頂沉降和邊墻收斂監測點，確保及時監測及數據分析，以便及時調整施工方案，信息化指導施工。

換拱后通過近一個月的監控數據，監測點后期日變化速率逐步減小，期間最大沉降速率1.9 mm/d，最大收斂速率2.1 mm/d，累計最大沉降32.1 mm，累計最大收斂38.7 mm，從監測數據來看，換拱后，隧道變形逐步趨于穩定，初支處于穩定狀態，在安全可控施工范圍內。隨即跟進完成了加強設計后的二次襯砌封閉，適當延長了二襯拆模養護時間，襯砌后仍保持不間斷監測，顯示結構穩定無破壞跡象。

4)洞外監測情況。試驗段施工期間，是地區降雨較為集中的月份，月降雨約184 mm。洞外巡查和監測數據顯示：ZK97+670.0右約5 m及25 m兩條既有封閉裂縫未見明顯發展，地面監測點反映淺層地表位移相對較小，深部位移反映Ⅱ—Ⅱ及Ⅲ—Ⅲ監測斷面附近坡體(在隧道拱頂上方)整體狀態穩定。

6 結語

總體上講，依據洞內外變形監測數據分析，山體和已處治完成的隧道支護結構處于相對穩定和安全的狀態，驗證了該6 m試驗段方案是可行的。剩余的61 m嚴重變形段均采用試驗段確定的方案進行了實施，最終安全的完成了該段隧道支護結構的施作，持續洞內外變形監測也表明了該段隧道支護結構是穩定和安全的。

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Introduction of an expressway tunnel deformation of the structure in the early period of treatment of thinking

Niu Zilong

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Guangzhou510080,China)

As early support is the foundation of the second lining, the prevention and renovation for large-scale deformation of early support have become the key to he excavation of soft surrounding rock tunnels. In the light of the harms in large-scale deformation of early support, this paper analyzes the cause of large-scale deformation of early support in a tunnel. The measures for renovation of large-scale deformation of early support are presented.

tunnel， support， deformation， subsidence， strengthening

2014-12-16

牛紫龍(1976- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0170-02

U451

A