淺埋軟弱圍巖隧道初期支護變形開裂分析及處理

(中國十九冶集團有限公司 云南 臨滄 677000)

隨著基礎設施建設深入到了地質條件較差的山區。在隧道開挖過程中，軟弱圍巖地層受多重因素的作用影響，使圍巖穩定性在很大程度上有所降低，增加了施工的難度，致使初期支護容易產生拱頂沉降量，變形開裂和收斂[1]。為保證在軟弱圍巖隧道施工作業的安全。本文以茂蘭隧道橫洞為例，結合工程特點及施工難點，介紹隧道初期支護變形開裂的處理方法以及預防。

一、工程概況

茂蘭隧道橫洞位于云南大理至臨滄鐵路張家山站到羅閘河站區間，隧道全長6641m，設橫洞一座，橫洞小里程為DK130+192，大里程為DK133+320。隧道線路縱坡為22.8‰的單面下坡，線路平面均位于直線上。隧道洞身最大埋深約為192m，洞身有多處淺埋段，最小埋深為11米，隧道最大涌水量為17880m3/d。隧道明洞段采用明挖法施工外，其余各段均按新奧法原理[2]組織施工，光面爆破，噴錨網初期支護，仰拱超前，拱墻一次襯砌。

茂蘭隧道DK131+110～DK131+090線左起拱線位置初期支護發生變形開裂，該里程段最淺埋深約為30米，開裂位置距離掌子面10米，裂縫長度約12米，最大裂縫寬度約3公分。本段設計為Ⅴb復合式襯砌，超前支護采用φ42小導管，長度4米，環×縱為0.4m×2.4m，每環26根;加強支護采用全環四肢格柵鋼架，間距0.8m/榀。出現裂紋到裂縫達到最寬期間，拱頂最大日沉降量5cm，起拱位置最大日收斂達到4cm，詳見圖1。

圖1 初期支護變形開裂

二、初期支護變形開裂原因分析

(一) 不良地質影響

初期支護變形開裂地段(DK131+110～DK131+090)地質巖層主要為黑云母花崗巖。TSP超前地質預報顯示本段巖體破碎，節理裂隙發育，存在較多裂隙、軟弱夾層，圍巖穩定性較差，地下水量上升，存在掉塊、溜塌風險。掌子面圍巖整體性較差，主要呈層狀和塊狀，掌子面表面節理裂隙發育，夾雜碎石土，巖體較軟弱，毛開挖面隨時間松弛掉塊，巖面局部存在滲水。掌子面詳見圖2。

圖2 掌子面

(二)施工因素影響

掌子面DK131+081.2～+080.4，開挖進尺0.8m，立架1榀，掌子面現場圍巖差，節理裂隙發育，挖機扒渣時，拱部滑落，形成深長寬約為3.0m×2.0m×1.5m的一個塌腔，拱架完成噴射砼后，未及時對空腔進行回填，導致塌腔后裂隙蔓延擴張，進而引起掌子面后10米位置的初期支護出現變形開裂。初支變形開裂原因分析及示意圖詳見圖3。

圖3 初支變形開裂圖示意

三、初期支護開裂處理方案

本次掌子面溜塌引起的初期支護變形開裂突發性強、裂隙貫穿較長。針對現場掌子面溜塌以及初支開裂的實際情況，處理分兩步進行：一是對初支開裂部位進行搶險處理，防止裂縫增大蔓延，二是對前方掌子面塌腔快速回填處理，三是對塌腔及裂縫整體制訂總體方案。

(一)初期支護變形開裂搶險處理

為了防止變形裂縫范圍繼續擴大，對初期支護開裂地段采取以下搶險措施:

①為減少對圍巖的擾動，暫停洞內一切施工，除裂縫處理；②在初期支護變形開裂處內側增加I18型鋼復拱架，并在每一個拱腳位置安裝鎖腳錨管然后注漿，用以增大初期支護的承受力，穩定拱頂的下沉以及拱腰部位的收斂。③在裂縫區間加密布置監控量測點并在復拱架上也增加監控量測點，用于雙層監控對比沉降，每隔2小時觀測一次，分析沉降及收斂是否達到穩定。④在裂縫處及輻射范圍打設注漿管，安裝6米長Φ42mm注漿鋼花管并注M20水泥漿，讓漿液注滿裂隙空腔防止裂隙再次擴大，同時漿液充填滿破碎巖體固結碎石體防止其再次下沉，詳見圖1。

注漿參數參照超前小導管注漿執行，注漿時若注漿壓力達到1MPa時暫停注漿，等一小時后再換注漿管注漿，在停止注漿期間進行監控量測點測量。反復以上步驟，直至注漿不能注進且監控量測下沉收斂趨于穩定后方可停止。

待注漿完成且監控量測點收斂趨于穩定后，用噴射混凝土將復拱架和裂縫進行噴射覆蓋形成整體，形成整體增大拱架支撐受力且便于觀察噴射混凝土表面是否還會出現裂縫。同時監控量測每隔6小時測一次，直至不再變化，待二次襯砌澆筑至此處方可停止觀測。詳見圖4、圖5。

圖4 復拱整體布置

圖5 監控量測點回歸分析

(二)掌子面溜塌空腔處理

為防止掌子面空腔繼續溜塌，在初期支護上埋設Φ125mm注漿泵管，泵管口距塌腔頂20cm，泵管20cm附近埋設兩根Φ42mm小導管，小導管管口距巖面5cm，用做注漿時排氣管。注漿管埋設好，待初期支護達到設計強度之后，對塌腔進行泵送C25噴射混凝土回填，對塌腔內滲水采用埋管方式進行集中引排。

為避免塌腔段隧道洞身開挖因變形過大而侵限，洞身初支立架預留變形量適當加大，初期支護四肢格柵鋼架改用I18型鋼鋼架，且加密鋼架，鋼架間距由設計0.8米改為0.6米。前方10米隧道采用上臺階預留核心土開挖，中下臺階按原設計錯開開挖進行施工，上臺階每循環開挖進尺不得超過1榀拱架間距，中下臺階每循環進尺不得超過2榀拱架間距。同時對洞內掌子面至二襯中間段初支的收斂、拱頂下沉加強監測頻次，加密量測斷面，根據現場實際圍巖情況實時調整開挖方法和支護參數。

四、初期支護變形開裂預防

(一)超前地質預報

超前地質預報技術預報通過地震波反射法、鉆孔探測等方法預測隧道掌子面前方的地質情況，如軟弱巖層、斷層、破碎帶及富水情況等不良地質體位置及規模[3]。首先采用TSP203型超前地質預報系統進行探測，探測深度120m；再輔助以超前水平鉆探法地質預報進行驗證，探測深度40m；最后在開挖前用加深炮孔法再驗證，探測深度6m。多重探測驗證以達到提前知曉、提前預防確保施工安全。

(二)監控測量

現場監控測量作為信息化施工的重要組成部分，能通過觀測變形及時了解地層、支護體系的受力和變形規律，判定其安全穩定狀況。對存在有安全隱患的部位有針對性地制定應急措施，對施工過程進行有效控制和管理，防止災害事故的發生。所以必須按照規范建立完整的監控量測系統，有必要時加密量測斷面。

(三)加強支護

對軟弱圍巖地段，達到小導管或管棚超前支護；開挖進尺小；盡量不使用爆破開挖或者采用人工開挖必要時局部采用松動爆破開挖；加強支護，必要時縮短拱架間距換用受力更好的拱架材料；開挖后快速支護封閉成環；增加量測頻率；再根據現場實際情況適當增加開挖預留量保證初支不侵限。

五、結語

軟弱圍巖結構穩定性較低，其開挖后圍巖自穩時間短、易坍塌，若是開挖或支護不當，極易出現較大變形甚至失穩破壞[4]。增加了施工的難度和施工安全風險。為了提高施工綜合效率，合理選擇施工與支護方法，規范落實超前支護、地質預報、初期支護等工作，切實保證隧道開挖作業安全順利地完成。