公路隧道初支開裂變形坍塌處治施工技術研究

1 施工情況

大巖隧道洞身穿越背斜構造核部區、F18-1 及F18-2 斷層破碎帶，巖體極為破碎，在地表可明顯見到擠壓裂痕和地層錯位現象，且大巖隧道洞身穿越白云巖、灰巖等溶蝕通道較發育地段以及揭示巖層交界面均發生涌水、突水現象；大巖隧道出口段埋深均大于1km，大埋深、高地應力等因素導致大巖隧道多處初支開裂變形，最終失效坍塌。

2 原因分析

峨漢高速公路大巖隧道項目，進口端圍巖主要為軟弱巖層，呈深灰色、灰白色微新白云巖，巖體破碎，裂隙發育，爆破開挖后圍巖手抓即破碎，圍巖穩定性差，拱部掉塊嚴重，局部易坍塌，地下水發育成股狀。整體圍巖情況復雜多變，特別是隧道洞內兩側拱腰部位圍巖松散破碎，開挖后洞內周圍巖體出現較大臨空的松散區域，形變的壓力較大；圍巖自身穩定性較差，爆破開挖后臨空面巖層呈層狀脫落，且該段落裂隙水發育，軟弱巖層受裂隙水浸泡后，風化失穩較快，巖體的自承能力進一步降低，原設計圍巖初期支護無法承載此壓力，導致初期支護出現開裂變形[1]。

大巖隧道出口端巖體主要以硬質巖層為主，圍巖呈灰褐色、灰黑玄武巖，巖體破碎-極破碎，塊裂、碎裂結構，圍巖基本性差，地下水發育，呈滴水-淋雨狀。隧道洞身穿越背斜構造核部區、F18-1 及F18-2斷層破碎帶，隧道埋深均大于1km。巖體斜向節理裂隙發育，隧道初支受偏應力影響嚴重。掌子面開挖爆破震動導致圍巖蠕變進一步加大，從而出現鋼架扭曲、噴射混凝土開裂剝落、初支完全失效塌方等現象。

3 處治措施

峨漢高速大巖隧道受斷層破碎帶、大埋深、高地應力等不良地質條件影響，多處出現初支開裂變形情況，其中出口左線交通轉換帶區域初支開裂變形后失穩坍塌。對于隧道初支變形開裂坍塌的情況，應采取正確的施工處治方法和措施，加強監控量測，做好應急措施，適時在初支開裂變形后進行加固處治。

3.1 初支輕微變形開裂處治

對于開裂變形較輕部位，利用開挖臺車作為處治平臺，使用風鎬鑿除初支開裂噴射混凝土，鑿除完成后確保要初支面平順，并且開裂部位松散混凝土完全脫落；重新打設藥卷錨桿并掛網補噴混凝土。

3.2 初支嚴重變形開裂處治

3.2.1 加固支撐。對于沉降及收斂變形速率較快段落，首先進行復拱鋼架支護，采取硬性支護，防止初支坍塌失穩。因拱頂沉降收斂時受力不均導致初支噴砼變形后形狀凹凸不平，新增設復拱無法與原初支噴砼緊密貼合，因此兩者空隙一般采用噴砼進行填塞，復拱整體安裝完成后，再采用Φ22 縱向連接鋼筋將復拱固定為整體結構，從而增強復拱結構受力，增加鎖腳導管，并加強鎖腳焊接[2]。

3.2.2 圍巖徑向注漿加固。為防止初支變形進一步擴大，需要對初支背部松散圍巖進行固結注漿以形成環向保護殼。圍巖注漿能有效加固隧道開挖輪廓線外3.5m，注漿孔孔口布置采用梅花型布置，環向間距及縱向間距均為150cm，孔口管材質采用50cm長φ48mm×5mm 熱軋無縫鋼管，注漿孔孔徑設計為φ46mm，孔深設計為300cm，注漿孔與隧道軸線呈90°（拱頂若鉆孔困難，可調整為60°）。圍巖裂隙水不發育時采用純水泥漿；裂隙水發育時，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，C∶S=1∶（0.4～0.6），水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1。將一個注漿段從兩邊到中間，分兩序隔排施作，對于同一排孔按照由上到下的順序進行。一般情況下均采用全孔一次注漿，當成孔性較差時，應分兩段采用前進式注漿。

3.2.3 扭曲失效鋼架換拱。初支開裂變形后嚴重侵入二襯空間時，必須進行換拱處理，在換拱開槽前為了防止震動造成新的沉降變形，應采用破碎錘進行鑿除鋼架兩側噴砼，嚴禁爆破。變形換拱段常有初期支護混凝土開裂、鋼架扭曲失效、沉降收斂嚴重等現象發生，為了防止初期支護失效坍塌，在變形初期一般采用復拱鋼架支護配合圍巖徑向注漿加固等措施，從而阻止變形發展。

為確保變形換拱段施工安全，一般通過回填洞渣反壓兩側初支拱腳，為后期施工提供操作平臺。在換拱施作過程中，循環往返地不斷翻動渣體。第一榀失效鋼架鑿除寬度略比鋼支撐寬，每鑿除一單元后必須及時再安裝一單元；進行第二榀換拱施作時，鑿除寬度為第一榀與第二榀之間的設計間距，鑿除時必須采用機械局部分階段進行，嚴禁劇烈爆破。新換拱架安裝完成后，應及時進行鎖腳固定，并通過縱向連接鋼筋的方式穩定鋼架，鎖腳錨桿采用Φ25HRB400 鋼筋、長度3.5m，鋼筋網片采用Φ8HPB300 鋼筋、間距為20cm×20cm，噴射混凝土采用C25的混凝土。后續換拱循環施工，方式同第二榀一致。

3.3 初支坍塌處治

初支開裂變形前期處治加固失效后，坍塌處治風險將大大增加。為確保人員施工安全，初支坍塌后必須待塌腔圍巖趨于穩定時方可進行下一步處治[3]。

3.3.1 首先進行洞渣反壓堆載，防止坍塌部位進一步牽引破壞，并噴砼封閉洞渣面。反壓洞渣必須堆載密實，此舉能夠有效阻斷坍塌面繼續擴大，并為后期施工提供操作平臺。

3.3.2 預埋泵送管并采用C20混凝土回填塌腔，總回填高度達到拱頂以上并不小于5m，以確保后期開挖及左右洞結構安全。泵送回填分兩階段施作，第一階段在洞渣封閉完成后泵送，第二階段在二襯澆筑前泵送。

3.3.3 超前跟管大管棚施作：由于塌方體不易成孔且長度不易搭接，普通超前管棚無法進行有效施作。本文采取跟管管棚在塌方體內進行超前支護。跟管管棚在拱部150°角度范圍內施作，采用108mm 跟管，跟管單根長度2m；受塌方段長度限制，超前加固總長度設計為40m，間距40cm，后期分段采用單層和雙層小導管輔助開挖。

3.3.4 監控量測數據顯示無異常后，塌方段重新進行開挖，塌方段開挖主要采用破碎錘進行機械開挖，嚴禁使用爆破等強烈擾動圍巖的作業方式；開挖預留量為30cm，采取逐榀環形掏槽預留核心土開挖，必要時掌子面及時噴砼封閉，初支完成后周圍坍渣采用徑向小導管注漿固結。塌方段主要的支護參數為：采用C30 抗滲混凝土，120b 工字鋼，間距0.5m/榀，預留變形量不小于30cm，鋼筋混凝土二襯厚度60cm[4]。

3.3.5 根據公路隧道設計圖紙要求，隧道防水層鋪設必須在二襯混凝土澆筑前施作完成，防水層由土工布+ EVA 防水板組成，環向采用FH50 軟式透水管，縱向采用HDPE DN/ID100 打孔雙壁波紋管。對于大埋深和高地應力以及巖層不利產狀的影響，后續主洞開挖和支護應遵循“邊抗、邊讓、邊放”的總體原則，通過監控量測分級預警，支護措施應先后分次施作，后續可采用徑向打設小導管（錨桿）、增設專用應力釋放孔、加大預留變形量、復噴鋼筋網混凝土等措施，盡量避免變形侵限，節約工期及施工成本。

圖1 超前跟管管棚支護

4 處治效果

4.1 注漿效果檢測

初期支護變形段進行注漿效果的檢測。采用取芯檢查的方法檢測注漿效果，經對所取芯樣進行檢查，水泥漿液已將隧道初支背后空洞完全填充，并固結了隧道較為破碎松散的巖體，從而增強了圍巖的自穩能力。

4.2 初支侵限檢測

凈空量測初支變形段前后5m范圍內每榀鋼架，標記侵限以及已破壞的型鋼鋼架段，為后期換拱及支護提供依據。

4.3 變形監控量測

針對已處治完成段落進行埋點觀測，重點進行沉降、收斂變形的監測，如有異常及發現變形現象，及時重新加固處治。

4.4 初支空洞檢測

初支背部返填后進行雷達背部初支空洞監測，如有空洞塌腔，應進一步注漿回填。

5 結語

綜上所述，本文通過分析大巖隧道項目初支開裂變形的原因，對大巖隧道進口及出口端不同圍巖性質進行區分，并描述了其層狀節理結構，分析巖質對初支變形開裂的產生規律。根據初支開裂變形嚴重程度提出初支輕微變形開裂處治、初支嚴重變形開裂處治、初支坍塌處治，對軟巖徑向固結、超前跟管大管棚支護、硬巖應力釋放、初支侵限換拱、坍塌體環形掏槽預留核心土開挖工藝等進行重點分析研究，確保初支開裂變形坍塌有效處治，大大降低了施工的風險，可為類似工程參考。