基于隧道斷層破碎帶的初期支護凈空侵限處治

黃 凱

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430050)

隧道初期支護侵限形式可分為：由于隧道一側圍巖軟弱或涌泥后回填不密實導致單側受較大壓力而引起隧道單側大變形后的侵限和由于隧道拱頂圍巖壓力較大、基底軟弱、初期支護沉降、收斂較大而引起拱部的侵限[1]。某隧道洞口段圍巖多呈軟弱破碎狀，施工極易發生圍巖大變形，導致初期支護侵入二次襯砌凈空界限[2]。李明耿[3]針對隧道施工出現的初期支護侵限現象，提出了有效的換拱設計方案；呂梁等[4-5]對大斷面偏壓黃土隧道、軟巖地層的換拱施工工藝進行了研究，但缺乏侵限機理解答。

當前國內關于隧道初期支護侵限的研究多集中在治理措施層次，對隧道斷層破碎帶初期支護侵限深層次的機理分析及處治效果評價較為欠缺。對侵限的處治一般為施作大面積換拱，常引起圍巖大幅擾動，降低圍巖的自持能力，危及結構安全和施工安全。本文依托某公路隧道出口段F9斷層破碎帶，對初期支護侵限機理進行分析，以期提出切實可行的治理措施。

1 工程概況

1.1 地質概況

某隧道起止樁號為K144+874-K147+780，全長2 906 m，最大埋深358.7 m。根據工程地質調繪及鉆探成果，隧址區山體斜坡上局部表層覆蓋第四系全新統殘坡積物，巖性為粉砂、粉質黏土、碎石，下伏基巖主要為晚元古代片巖、片麻巖，巖體較為破碎，有斷層破碎帶通過。地表水補給主要為山間溪流、大氣降水，地下水主要為基巖裂隙水。

1.2 初期支護侵限段地質情況

開挖揭露及地質素描記錄顯示，洞口淺埋段K147+750-K147+761掌子面圍巖拱部范圍主要為粉質黏土，呈土狀、碎塊狀及角礫狀松散結構，手捏易碎；底部主要為強風化片麻巖，節理裂隙發育，巖質較軟。掌子面掘進方式為臺階法并預留核心土開挖，施工時掉塊現象嚴重，穩定性差，開挖后易坍塌，圍巖級別為V級。

2 初期支護侵限過程及隧道宏觀表征

2.1 監控量測情況

換拱前地表沉降觀測點布設示意見圖1，觀測點縱向按10 m間距布置，橫向間距5 m，隧道中線附近適當加密[6-7]。

圖1 隧道出口地表沉降觀測點布置圖(尺寸單位:m)

該隧道出口K147+755斷面沉降位移見圖2，沉降速率見圖3。

圖2 隧道出口K147+755斷面沉降位移

圖3 隧道出口K147+755斷面沉降速率

由監測數據可知，2017年2月26日時，沉降速率最大發生在左拱腰處，達-82.40 mm/d，隨著掌子面推進，累計沉降逐漸增大，拱頂累計沉降穩定在87.2 mm，左拱腰累計沉降穩定在151.2 mm。隧道初期支護最大累計沉降量已超過隧道設計預留變形量的2/3，需采取措施后再進行施工[8]。

2.2 初期支護凈空斷面檢測情況

根據監控量測結果，結合K147+750-K147+761段初期支護凈空掃描檢測結果，初支凈空斷面已侵入二次襯砌界限15～30 cm之間，K147+755處初期支護凈空掃描檢測圖見圖4。

圖4 K147+755處初期支護凈空掃描檢測圖

3 隧道初期支護侵限機理

3.1 斷層破碎帶的影響

F9斷層破碎帶處隧道平縱斷面剖面圖見圖5。

圖5 F9斷層破碎帶處隧道平縱斷面剖面圖

由圖5可知，隧道穿越I級結構面的F9斷層破碎帶時，隧道圍巖的穩定性受到較大影響。圍巖受開挖擾動后初始應力發生改變，在圍巖中形成非持續擴大性的塑性松動圈，并最終形成彈性松動圈。

圍巖破碎及地下水作用使得斷層塑性段處于應變軟化狀態，抗剪切性隨剪切變形量的增大而減小。而掌子面遠端的斷層彈性段處于應變硬化狀態，剪切變形隨剪切應力增大而增大。隧道掌子面開挖至F9處時，拱頂斷層帶出現剪切應力集中，斷層塑性區和彈性區剪切應力均增大。初期支護發生向隧道內變形和侵入凈空界限的現象時，增大的斷層破碎帶剪切應力超過了拱頂圍巖抗剪強度，引起松動圍巖壓力和形變圍巖壓力增大。F9斷層破碎帶圍巖變形演化見圖6。

圖6 F9斷層破碎帶圍巖變形演化示意圖

3.2 地下水下滲加劇沉降

隧道開挖期間遇連日陰雨，地表水沿著斷層破碎帶充當的徑流渠道進行下滲，粉質黏土層含水量增大使拱頂初期支護的垂直荷載也增大。當隧道掘進至F9斷層處時，隧道拱頂處動水壓力迅速增大，拱頂初期支護承受動、靜水壓力的耦合作用。同時，地下水沿開挖面下滲至拱底，拱腳麻巖在地下水軟化、浸泡和沖蝕作用下的承載能力大幅降低。以上綜合作用下，初期支護不均勻沉降不斷加劇，最終導致初期支護侵入二次襯砌的凈空界限。

3.3 施工造成的影響

現場施工時對洞口淺埋段F9斷層破碎帶施工風險認識不足，未能及時改變施工方法或采取有效措施防范施工中出現的變形過大等問題。隧道下導開挖后未能加快鋼拱架的架設，導致拱腳處鋼拱架支撐懸空時間過長，其現場照片見圖7。同時，仰拱的開挖擾動又進一步加大了初期支護的沉降。

圖7 現場拱腳處鋼拱架懸空

4 初期支護侵限段處治

依據該隧道斷層破碎帶初期支護的侵限機理，并結合現場初期支護變形監控量測數據，制定了進行徑向注漿加固，后更換拱架的施工方案。

4.1 全徑向注漿加固

換拱前在洞內進行全徑向注漿加固，K147+750-K147+761一次注漿完成后再開始進行換拱作業。洞內初支背后圍巖加固處理時設置長5 m的直徑42 mm的徑向注漿小導管，注漿孔采用梅花型布置，孔口環向和縱向間距分別為1.0 m和1.2 m，徑向導管布置示意見圖8。

圖8 徑向導管布置示意圖

注漿材料采用水灰比為1.1∶1的水泥-水玻璃雙液漿，水泥級別選為42.5級硅酸鹽水泥，注漿壓力為0.5～1.2 MPa。

4.2 初期支護拆除

全徑向注漿達到固結齡期且注漿效果控制達到要求后，在圍巖變形穩定條件下采用以炮頭機為主，人工鑿除為輔的方式逐榀拆除原初期支護及臨時支護，拆除一段后立即支護一段。一般采用從下向上、先墻后拱的拆除順序，原初期支護拆除時可切除多余鋼化管，盡量避免對原徑向加固體的擾動破壞，換拱處治施工流程圖見圖9。

圖9 換拱處治施工流程圖

4.3 架設替換鋼支撐

在拆除原初期支護后，隧道各節段新采用的支護形式與原設計保持一致，原則上仍按原設計預留沉降量，但可根據實際施工情況做適當調整，以保證二次襯砌的厚度。施工過程的要求如下。

1) 安裝前清除拱腳虛碴及雜物，局部超挖部分采用噴射混凝土進行填充密實。

2) 換拱作業前人工組裝鋼支撐，鋼架節段采用螺栓連接，連接板接縫做到三面滿焊。

3) 鋼支撐要落到實地，嚴格按照設計施工鎖腳錨桿以減小拱頂下沉。

4) 鋼拱架拆裝更換完成后需及時噴射混凝土。

5) 對于新施作的初期支護隧道斷面要加強監控量測并加密監測斷面和監測頻率。安排專人負責施工現場觀察，現場異常情況發生后立即停工，同時加強洞內支護。

6) 侵限處治控制重點在初期支護破除、換拱、落底、封閉成環4個方面。換拱必須每榀分單元進行，待噴射混凝土穩定后方可進行下一榀的換拱施工。

7) 疏通換拱段的地表水系，降水盡快排走以保證地表沒有積水。同時對地表存在的裂縫需及時采用噴射混凝土進行封閉。

5 處治效果

為評價鋼拱更換方案是否達到預期要求，采用midas Civil數值模擬結合監控量測的方法對換拱后初期支護的受力變形進行分析。

5.1 數值模擬計算

假設支護結構為承載主體，上方圍巖為松散巖體，對支護結構產生豎向荷載。模型物理力學參數見表1。

表1 圍巖及材料的物理力學參數

蘇聯學者普洛托雅克諾夫(簡稱普氏)以松散理論為基礎，認為在松散介質中開挖隧道后，隧道上方將形成拋物線平衡拱，其高度H為

(1)

式中：B為平衡拱的半跨度，m；Fm為巖石堅固性系數，土層取Fm=tanθ，巖石取Fm=R/10；其中：θ為土的內摩擦角，(°)；R為巖石抗壓極限強度,MPa。

當側壁不穩定時，平衡拱寬度

B=Bt+Httan(45°-θ/2)

式中：Ht為隧道凈高，m；Bt為隧道凈寬之半，m。平衡拱寬度示意見圖10。得出：H=6.2 m，拱頂圍巖荷載p=γH，取飽和粉質黏土為20 kN/m3，得到p=124 kPa。

圖10 平衡拱寬度示意圖

對模型圍巖處限制水平及豎直位移，施加豎直向下的均布荷載后計算得到鋼拱架的應力圖見圖11。

圖11 鋼拱架應力圖

由圖11可知，鋼拱架最大應力為173.9 MPa，發生在鋼拱架拱腳處，由于Q235型鋼屈服強度為235 MPa，故結構安全系數K=1.35，結構受力安全。

5.2 現場監控量測分析

通過縱向間隔5 m加密設置觀測斷面，并對維修加固后的初期支護變形進行持續觀測。監控量測數據顯示隧道拱頂下沉和周邊收斂變形均很小，15 d后變形量已趨于穩定狀態，最大下沉變形量為18 mm，最大周邊收斂變形量為3.4 mm。同時，換拱段斷面凈空的隧道激光斷面儀檢測結果均符合設計要求。

6 結論

1) 隧道初期支護凈空侵限的機理分析需結合現場實際。本工程F9斷層破碎帶圍巖較差，地下水侵入加大拱頂荷載，以及拱腳麻巖在地下水下作用承載能力降低是初期支護侵限客觀原因。隧道下導開挖后未能加快架設鋼拱架，拱腳懸空時間過長導致上部初期支護下沉是主觀原因。

2) 數值模擬和監控量測結果證明，本工程“全徑向注漿加固+換拱”的處治方案能有效地控制隧道掌子面穩定，避免初期支護侵限再次發生，隧道順利通過斷層破碎帶。

3) 施工中要根據超前地質預報、開挖掌子面圍巖揭示情況，以及監控量測數據及時調整開挖方法和支護參數。嚴格規避鋼拱架底部懸空過長或者基底不實的情況，嚴格控制縮腳錨桿的施工質量，保證鋼拱架在初期支護中的有效支撐作用。