公路隧道初期支护侵限处理施工技术

卢联川

山区公路隧道围岩地质结构复杂，隧道穿越浅埋区、偏压区、断层破碎带、遇水膨胀岩石等不良地质地段时，常常会因为该段地勘资料不准确、隧道施工图设计的初期支护类型不合理支护强度不够，造成该段隧道围岩收敛变形较大，严重侵界。本文通过总结公路隧道初期支护侵限处理的工艺技术，对其他公路隧道发生的同类问题处治有一定指导意义。

一、公路隧道初支易发生变形的不良地质概述

（1）隧道洞口松散覆盖层较多如耕植土，洞口段处于严重偏压，一侧临河或是临沟壑。

（2）隧道围岩为含粘土类矿物，有各种粘土岩、页岩及泥岩。这类岩石的特点是硬度小，具有可塑性，遇水膨胀、软化和黏结。

少数火山岩如流纹质岩石、凝灰岩、沉凝灰岩等也容易吸水膨胀。

含碳酸盐类矿物：主要有方解石、白云石、菱镁矿、菱锰矿等。含这类矿物多的岩石有石灰岩、白云岩和泥质灰岩等，容易水解。

（3）隧道围岩为角砾土及强风化岩（强风化层岩性软弱，易出现较大滑层及大面积塌方）；隧道围岩岩体极破碎、裂隙发育、成块石与碎石状镶嵌结构，层间结合差，基岩裂隙水发育。

（4）隧道穿越断层破碎带或隧道洞身所处段落埋深较浅且有冲沟等地表水侵入。

二、主要工艺技术难点

（1）隧道初支变形发生在隧道掌子面开挖后的短时间内，掌子面出现塌方。

隧道开挖完后，立即进行初期支护施工，并布设隧道监控量测点（主要布设拱顶沉降点及水平收敛侧线点），进行监控量测工作，分析隧道围岩收敛情况。如果监控量测测得的数据，隧道拱顶沉降值偏大，沉降速率过大，则极有可能是隧道掌子面围岩自稳能力较差，很容易出现塌方。此种情况对隧道施工生产安全有很大影响，对变形的初支处治难度较大。

（2）隧道初支变形发生在隧道掌子面开挖与仰拱、二次衬砌步距长度增加后。隧道围岩收敛变形及初支变形，主要发生在以下隧道施工工序中：

1）隧道掌子面开挖爆破时，炸药爆炸产生的冲击波及震波对隧道围岩二次扰动，造成围岩沉降、收敛数值突增，隧道掌子面后方已经初支的段落变形量增加。

2）隧道多台阶开挖时，每开挖一层台阶，隧道临空面增加，则围岩的竖向应力增加，都会对后方临近段落的围岩产生影响，尤其是部分不良地质段落，从而加大了初支的变形量。

3）隧道仰拱开挖时，仰拱对应的初支段落变形量增加。

4）隧道二次衬砌及仰拱到掌子面的距离越长，超过隧道安全步距则初支段落的沉降越大。

隧道施工安全步距一般规定：仰拱距离掌子面的距离要求Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩地段不大于90m；Ⅳ、Ⅴ级围岩地段不大于50m。二次衬砌距离掌子面的距离要求Ⅰ、Ⅱ级围岩地段不大于200m；Ⅲ级围岩地段不大于120m；Ⅳ、Ⅴ级围岩地段不大于90m。

（3）隧道围岩处于断层破碎带或地表埋深浅、地表水量充沛地段，极易造成初支变形量持续增加，变形曲线很难趋向稳定。

三、主要技术措施

针对隧道现场施工技术瓶颈积极进行了技术攻关与研究，形成了多套成熟配套的技术，为隧道初支变形处治的实施提供了保障。主要综合应用和形成了以下成熟与配套的技术体系：

隧道掌子面开挖完成后发生塌方，会造成后方初支段落拱架的变形，严重时初支拱架直接弯折变形。塌方发生时，首先撤离现场全部人员，等待塌方体堆积至初支未受影响段，通过观察，塌腔暂时稳定时，停止掌子面的掘进，先处理掌子面处的塌方，后处理初支变形的拱架。

（1）塌方体暂时稳定后，掌子面处进行反压回填，反压回填土可进行注浆保证其密实稳固。反压回填的主要目的是防止隧道塌方体继续堆积下压下滑造成安全隐患，危及现场作业人员安全。

（2）根据塌方堆积体判断塌腔大小，对塌腔采用竖向小导管注浆或是采用大管棚灌注混凝土，在塌腔和隧道掌子面上部范围形成一个混凝土保护壳（层），混凝土保护壳（层）厚度根据塌腔体积大小来确定，厚度通常为1～2m。该工序确保了塌方处理完后，隧道掌子面继续开挖施工的安全。

（3）在进行小导管注浆或是大管棚灌注混凝土时，预留塌腔体的吹砂管，后期对塌腔进行吹砂或颗粒材料，在混凝土保护壳外形成缓冲层，确保隧道支护结构的安全。

隧道围岩处于不良地质段落时，围岩应力释放持续时间长，且具有突然大量释放的特点。使得锚喷支护持续变形，突然开裂。变形严重的开裂部位存在锁脚锚管和锚杆与喷射混凝土出现滑移的现象。裂缝逐步发展，出现初支表面混凝土受环向方向的挤压而翘起、脱壳、继而剥离、脱落，露出钢拱架。隧道掌子面的安全步距距离过长，隧道初支变形加大，此时立刻停止掌子面施工，对初支变形段落进行处治。

隧道围岩处于断层破碎带或地表埋深浅、地表水量充沛地段，初支变形持续增加，此时需要进行该段支护补强处理，并进行换拱处理。

初支变形处治措施：

（1）采用激光断面仪或全站仪测量扫描初支变形段落的断面，获得精确断面测量数据及图形，根据数据图形确定需换拱段落、范围。对侵入净空的拱架拆除换拱，并增加预留变形量。

（2）隧道初支变形需处治的段落、范围确定后，对该段落既有支护及围岩进行预加固措施。

①对该段围岩进行环向小导管注浆加固，在既有初支每两榀拱架中间位置，环向间距0.5～1.0m 范围内设置φ50 注浆小导管。导管长4.0m，采用1：0.8 水泥水玻璃双液浆，注浆压力为0.8 ～1.2Mpa。

②底部增设I20 工字钢临时仰拱，喷射混凝土厚度26cm。

③对应钢拱架隔榀安装门形钢架支撑，钢架采用I20a工字钢，与拱架连接处凿出拱架混凝土保护层，与拱架焊接牢固。换拱前按照隧道实际断面搭设支撑钢架，其主要作用是依靠临时支撑与变形初支建立临时连接，限制初支剧烈变形，避免压浆或置换过程中原初期支护拱架失稳，对换拱部位两侧的初支形成保护，维持其稳定

（3）同一部位换拱凿除混凝土不超过2 榀，并间隔2 榀进行。混凝土凿除采用人工风镐进行，不得采用大型设备振动冲击凿除，新旧工字钢采用钢板帮焊连接。

（4）换拱段设置双层钢筋网片，贴近围岩设置一层，钢拱架内侧设置一层。

（5）新换拱架采用锁脚锚管且内置螺纹钢进行加固，长度4.5m，并灌浆加固。

（6）换拱段初支混凝土强度等级C25，掺入钢纤维3%～6%。

（7）换拱结束后立刻布设监控量测点进行观测，根据观测数据分析图表，初支变形曲线趋于稳定，在仰拱混凝土施做至距离掌子面20m 后，才能恢复隧道掌子面开挖工作。

特殊软岩地质构造下初支变形出现多次换拱处治的技术措施：

（1）案例

①云南小磨高速公路买卖河1 号隧道小勐养端软岩地段施工。隧道开挖揭示地质情况为灰质泥岩。经过现场勘察并结合隧道EH4 成果图确定：该段地质为地表第四系松散覆盖层，隧道围岩地质为褐色泥岩，层理发育，薄片状，遇水及空气发生膨胀崩解。开挖过程中未见明显塌方，但支护完成后，明显可见拱架一侧发生鼓包，通过监控量测实测最大沉降速率为23.5mm/d，最大收敛速率为63.3mm/d（连续5 天平均速率），累计最大沉降量为451mm，累计最大收敛量为655mm。

②上述公路隧道的软岩段，在经过第一次换拱施工后，通过监控量测观测到初支变形趋于稳定，但是随着隧道围岩掌子面开挖、上下台阶开挖、仰拱开挖都会突然加剧初支变形量，造成需要二次换拱，极大的增加了施工难度和施工成本。

（2）针对特殊软岩地质构造的隧道，尤其是泥岩裂隙水丰富的隧道围岩，通过监控量测和地质素描判断为特殊软岩段时，应立即停止掌子面开挖，及时开挖仰拱进行支护并浇筑混凝土，尽早让隧道初支闭合成环。仰拱混凝土至隧道掌子面的步距调整到10m 以内，减少开挖对围岩的多次扰动。及时浇筑二次衬砌，确保围岩结构稳定。

（3）在对特殊软岩地质构造的段落进行第一次换拱时，围岩加固采用自进式注浆锚杆，锚杆长度不小于6m。新更换拱架采用上下双层钢拱架结构，底部增加槽钢托梁，采用锁脚锚管加U 型卡加固钢拱架。喷射混凝土采用钢纤维砼。

（4）换拱完毕，初支变形处治结束，二次衬砌及时施做。尽可能的减少二次衬砌、仰拱与隧道掌子面的步距，这样才能确保隧道特殊软岩地质段落开挖时，对已支护段落初支影响最小避免多次换拱。

四、结语

（1）隧道施工时应该依据“新奥法”原理，严格按照“超前探测、超前支护、短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”的工艺要求进行施工，确保围岩稳定，杜绝围岩塌方等大事故造成损失，安全通过不良地质段。

（2）施工时，加强监控量测工作，提供真实、可靠、准确的监控量测数据，通过现场量测掌握围岩和支护的变化参数，加强动态管理，以指导施工作业。增设专职安全人员，做好洞内外沉降及变形观察记录，发现安全隐患，立即汇报，采取应急措施，确保整个施工阶段安全生产。