冷泉隧道初期支护开裂原因及处置措施

摘要：在隧道施工中，隧道初期支护施工过程中出现开裂，会对结构的稳定性带来不利影响。本文针对冷泉隧道施工过程中部分初期支护开裂情况进行分析，结合工程实例，通过从地质条件、施工等方面综合分析，深入探讨隧道开裂的原因，提出了一些治理措施，以期对类似工程的施工具有借鉴意义。

关键词：隧道 初期支护 开裂 治理

中图分类号：U45 文献标识码： A

1、工程概况

中海能源煤焦集运铁路专用线冷泉隧道工程，位于山西省古交市以西5km，冷泉隧道位于专用铁路末端，作为机回线调车使用，隧道全长143.5m，其中双线隧道长64m，单线隧道长79.5m，隧道设计地质围岩为Ⅴ，平均埋深55m，最大开挖断面121m2。

隧道进洞采用108mm大管棚超前支护，管棚长度30m。初期支护采用全环I18型钢钢架+50超前小导管+22mm砂浆锚杆进行支护，C25喷射混凝土喷射施工。二衬采用C35钢筋混凝土浇筑，厚度50cm，抗渗等级P8。（见隧道断面图）

2、地质条件

本线地处山西段隆中部，位于吕梁段拱西端，新生代晋中断面盆地的西北部，区内构造较为简单。

冷泉隧道位于站场末端，围岩设计等级Ⅴ，开挖断面范围内主要为砂质黄土。洞内较为湿润，未见渗水现象。

3、初期支护开裂情况

在现行规范中关于初期支护的围岩稳定性判据是：不允许喷射混凝土出现大量的明显裂缝。该隧道的初期支护在施工过程中已经出现了明显的裂缝，因此需要对该段的初期支护作出处理。

本隧道采用全环钢拱架、Φ42mm注浆小导管和拱部Φ22mm砂浆锚杆支护，钢拱架间距双线0.8m，单线0.75m;砂浆锚杆间距环向1m,纵向1.2m。冷泉隧道采用“三台阶七步法”掘进施工。上台阶开挖高度3.7m,中台阶3.2m，下台阶开挖高度3m。开挖过程循环渐进，每个台阶长度不超过5m。机械进行开挖，人工进行修整作业。进行中台阶、下台阶施工时，左右边墙不对称开挖，需错开2-3m。仰拱超前，衬砌紧跟。（见“三台阶七步法”纵断面示意图）

“三台阶七步法”纵断面示意图

初期支护开裂出现位置位于上台阶拱脚以及隧道中心线顶部，裂纹延初期支护钢拱架开裂，长度3-6m不等，裂缝宽度3-5mm，主要出现里程为DK1+952-DK1+957，此段初期支护开裂距离掌子面16m。DK2+001-DK2+014，此段初期支护开裂距离掌子面19m。裂缝成环形，沿初期支护工字钢拱架延伸。监控数据显示围岩收敛速率较大。

4、初期支护开裂原因分析

4.1地质原因

隧道初期支护开裂处围岩多由砂质黄土组成，具有一定的弱膨胀性，冷泉隧道围岩在刚开挖后看起来较好，但遇水后则变成淤泥状，该类围岩遇水极易饱和，自稳定性极差，易导致围岩及初支发生大的变形，导致围岩压力全部传递至拱架上，从而导致隧道周边收敛变形和初支开裂，掌子面开挖后，形成临空面，围岩力学性能发生变化，对施工工程不利。

4.2设计原因

冷泉隧道初期支护开裂主要集中在双线段，隧道双线段开挖断面121m2，且埋深55m，采用“三台阶七步法”掘进施工，上台阶施工中围岩变化稳定，中、下台阶施工中，围岩变化较大，初期支护出现开裂、变形情况。

从设计图中可以看出该段原设计为Ⅴ级围岩，但根据现场地质情况应该按Ⅴ级加强考虑初支，原设计的I18工字钢拱架，对于此类围岩来说支护体系较为脆弱;由于初期支护难以抵抗围岩对支护体系形成的压力，从而导致初期支护混凝土发生变形并开裂。

4.3施工原因

（1）仰拱封闭不及时，对于此类围岩，仰拱距掌子面距离应控制在2倍洞径范围内，及时封闭成环，保证整体受力，减少收敛变形。

（2）对监控量测资料分析不够及时，没有将量测结果及时应用于实际中，使得初期支护施工时未能及时进行参数的调整。

（3）从施工的角度出发，该段设计为拱部大管棚配合超前小导管注浆进行超前支护，施工中由于注浆时压力不足，未能很好的固结拱顶围岩使其形成环，在施工过程中采用“三台阶七步法”法开挖施工，施工过程中上、中开挖断面初期支护工字钢落脚处地质条件较为松软。初期支护施工完成后，随着围岩应力的释放以及变形的积累，初期支护极易产生下沉变形导致支护开裂。

（4）在隧道开挖初期，由于施工经验的缺乏与不足，使得隧道进口段大断面的变形比较大。

5、初期支护开裂治理措施

初期支护整治原则采用"变形留够, 加固围岩, 刚柔结合,及时支护,限制变形,仰拱加强,提高二次衬砌刚度"的整治原则等。

（1）在初期支护变形比较严重的地段加打锚杆，同时将原设计锚杆的长度由原来的3m加长到4.5m，使其穿过塑性区。因为较长的锚杆在围岩发生较小变形时就能迅速达到最大工作阻力，可以很好的控制变形的扩大，使围岩的承载能力得到迅速发挥。

（2）由于隧道通过区地质条件复杂，断层、节理裂隙发育，围岩自身不稳定，结构松散，所以建议采取注浆方法来进行加固处理。因为注浆后岩层的裂隙得到填充，岩层变形将大大减小，浆液填塞块状岩石的裂缝和裂隙，可消除或减少外压力对衬砌的作用，改善岩体的内聚力和内摩擦角，而且围岩的注浆压密作用提高了强度，又和隧道断面的喷锚支护共同作用而使围岩稳定。

（3）在严重变形地段采取增设工字钢拱架，提高初期支护的刚度。对所有裂隙均采用中空锚杆或注浆小导管进行注浆。

（4）施工过程中，对拱架锁脚锚杆进行调整，将φ22mm砂浆锚杆进行更换，采用φ42mm注浆导管进行拱架加固，同时加长注浆锚杆长度，增强锁脚锚杆刚度。

（5）施工过程中拱脚地质较差，拱架易出现下沉，导致初期支护开裂，施工时在工字钢拱架拱脚处设置垫板增强受力面，提高拱脚地基承载力，垫板可采用钢板预制或方木制作，施工过程中循环利用。

（6）开挖过程中，采用机械配合人工进行开挖，对于砂质黄土开挖，机械开挖完成后采用人工进行修整，开挖时尽量减少超欠挖。严格按照相关文件及规定进行开挖施工，开挖过程中不得盲目进行。

（7）及时进行初期支护封闭施工，仰拱紧跟，使初期支护尽快封闭成环，形成整体受力结构。

（8）对处理后的支护体系过程中加强监控量测，如遇新的变异情况，及时进行原因分析以便采取相应的对策。

6、体会

通过对冷泉隧道初期支护开裂处理，得出以下结论。

（1）施工前对地质勘探尤为重要，应根据地质构造进行设计施工，确定合理的施工方案，过程中不能盲目、野蛮进行开挖。

（2）在地质条件复杂地区修建深埋大断面隧道，初期支护强度、刚度加强对控制初期支护变形较为有效；根据围岩的岩性选择合理的初期支护形式，使其能和地质条件相匹配。隧道支护体系是由支护结构和周围岩体结构构成的共同承载体系，且围岩是主要的承载单元。对于隧道通过断层、围岩破碎、节理发育的地段，采取注浆措施能提高围岩的内摩擦角和粘聚力，控制岩体变形。

（3）用锚杆加固不稳定岩体时，锚杆应该有足够的长度。

（4）对于已开挖成形的隧道地表加固应谨慎，应先进行注浆试验，确定注浆压力以及注浆范围，避免对已有隧道衬砌产生负作用。

（5）通过对初期支护的变形破坏整治可以有效地防止隧道的进一步恶化，以免更大的灾害发生。

7、结束语

隧道施工从勘测设计、施工管理、施工技术等方面都有值得总结的地方。只有提前掌握详尽的地质资料，才能有校的优化设计，施工过程中才能有效的指导施工。在过程中出现问题时应及时进行分析与整治，及时采取针对性措施,以期实现隧道施工安全、高效。只有这样才能有效的确保隧道施工安全，

参考文献：

（1）王梦恕，中国隧道及地下工程修建技术。北京：人民交通出版社，2010

（2）关宝树，隧道工程施工要点集。北京：人民交通出版社，2003

（3）铁路隧道工程施工技术指南。北京：中国铁路出版社，2008

第一作者简介：义文生，男，工程师，2008年毕业于中央广播电视大学土木工程专业，