隧道初支变形的成因与应对探讨

黎川

摘    要：隧道开挖过程中围岩应力会重新分布，如若初期支护的作用力不足以承载围岩变形的压力就会导致初支变形。本文结合笔者既往隧道初支施工实践经验，从隧道初支变形的成因入手，进一步探讨了隧道初支变形的应对措施，以供借鉴参考。

关键词：隧道施工;初支变形;成因分析;应对措施

1  隧道初支变形的成因分析

1.1  地质水文方面

（1）隧道在经过应力集中地带，如压碎岩、千枚岩以及断层破碎带等地质条件时，经过开挖会使应力得以释放而对隧道的初支结构造成影响。如若围岩释放出的应力大于初支阻力，则会使得初支结构受到挤压而出现变形。

（2）隧道洞口穿越地层堆积体时，由于堆积体较为松散，胶结状态弱，一旦开挖则会造成结构出现较大松动，从而对隧道的初期支护造成影响，甚至会导致拱顶出现下沉或支护结构变形。

（3）在擠压形成的破碎带以及节理密集地带等较为破碎的地段，由于存在有软硬夹层，因此更容易填充泥质物，一旦遇到地下水，则会引起软硬夹层交界位置的强度迅速降低，从而引发节理面滑动，在节理面滑动的带动下致使隧道初支结构部位引发变形。

（4）隧道开挖工作面若遇地下水，则在开挖时易面临突发涌水。在富水条件下软岩极易软化，从而导致开挖工作面整体失稳，破坏隧道的初支结构，产生结构变形等现象。

（5）在软岩环境下施工完成的初期支护，由于软岩段地下水较丰富，使得支护结构的拱脚处于被浸泡的环境中，大大削弱了支护结构的拱脚承载力，从而引发结构变形。

1.2  勘查设计方面

（1）前期地质勘察疏漏或不够严谨，导致设计过程中对复杂地质情况的考虑不周，因此，致使后期对稳定性较差的围岩初期支护的适应性不够，支护参数及方案制定与实际变形围岩情况不匹配，从而导致支护结构失稳或产生较大变形。

（2）原始的隧道支护设计方案是基于最初的地质勘探情况而定，但是随着开挖的进行，围岩应力产生了变化，并且在局部地区还会出现骤然增加或减少的情况，从而使得初期支护无法满足应力变化的相关要求，虽支护施作后初期稳定但后期却逐渐失稳。

（3）施工时爆破参数设计不当，造成超挖或欠挖，使得隧道表面与原定设计轮廓不符，且因超挖或欠挖而导致的应力集中超出允许值，并在凹凸处因局部应力过于集中而形成薄弱点，尤其欠挖位置的集中应力甚至会达到初始应力值的十倍以上，从而导致隧道初支发生变形。

1.3  施工作业方面

（1）在施工中没有充分考虑到对碎质岩、炭质板岩的地质情况以及破碎带对初支结构的风险，以致未对风险源予以有效把控。当发生变形或失稳时，就会导致初支侵限，在对变形侵限的钢架进行拆换，从而影响了二衬施工等施工节奏与工序。

（2）钢架尺寸与需支撑尺寸不符，主要是由于超挖或洞室坍塌等问题导致需支撑尺寸较原方案大，钢架支撑无法与围岩紧密接触，不能按既定方案连接，导致支护的刚度不足。

（3）拱圈衬砌施工中，由于未考虑到围岩变形位移的积累效应，导致在后期隧道开挖中变形速率增大，当变形速度过快而未妥善安排衬砌时间，则会导致衬砌滞后而致使初支变形。

（4）施工中没有处理好地下水问题，导致掌子面与二衬的初期支护产生渗水或涌水现象，影响拱脚稳定性，降低了地基承载力，导致结构变形。

2  隧道初支变形的应对措施

2.1  技术措施

（1）合理采取注浆加固。对于地质条件复杂、破碎层较多地带，围岩的自身稳定性欠缺，并且结构松散，因此要通过加固的方式提升围岩自身的稳定性。在初期支护过程中，首先将围岩通过外围方式加固后，可以采取向内部注浆来进行整体加固，用浆液填塞破碎结构层，减少围岩在受挤压情况下产生的变形，同时也能够减少外部水对衬砌的渗透，从而提升岩体的稳定性及强度，并在与开挖隧道断面的喷锚支护的共同作用下使地应力趋于稳定状态。

（2）为变形预留控制基准。根据规范要求，普通地质情况下的变形量预留标准为：施工图预留变形量+50mm;围岩易变形区段预留控制基准时，应以施工预留变形量为参考，结合实际施工需求进行计算，通常还应在预留变形量+50mm施工误差的基础上再增加50mm的留足系数。如若围岩变形段施工出现滞后的现象或者工序需要调整时，应按原定标准扩大系数1.2～1.5来进行预留，并进行及时的观测分析以及动态调整。

（3）提高初期支护结构相关参数。在设计方面，施工单位要结合实际地质情况及时配合对原定设计参数的调整;在施工方面要做好施工预案，提前做好初支加强工作，例如当发现局部地质较先前勘测情况差时，应减少拱架之间的间距或加密连接钢筋等。

（4）选取适宜初支变形控制方法。若初支结构出现变形之后，在进行应急处理并使初期支护结构达到稳定状态后，进行换拱处理以提升支护结构的稳定性。换拱要遵循“少装药、弱爆破、逐榀更换、随换随测”的原则进行。为确保换拱的顺利实施，钢架拆换应采用逐榀拆换，钢架应采用I25a工字钢，每榀之间的间距控制在60cm，拆换时不可超过两榀钢架同时拆除。通常，为确保拆换钢架后初支稳定，需采取如下措施：一是，凿除初期支护需要人工与机械施工相配合，严禁采用爆破方式;二是，先立后拆，用小导管进行施工后方可进行全环拆换;三是，如果初支变形严重，已经超过了标准误差，则要采用垂直方向自上而下拆换，不可让围岩暴露时间过长，随后凿除完成应立即喷射砼，再建立钢拱架支撑，挂网喷射砼，同时槽壁也应初喷砼，厚度保持在50mm～80mm为宜，从而有效避免围岩暴露引发的滑塌现象。

2.2  施工措施

在隧道施工中必然会有围岩应力释放的现象，往往也是造成初期支护结构变形的直接原因，因此在制定施工方案时，可采取以下施工措施予以控制。

（1）为了减少初支结构对外暴露时间过长易引起变形的问题，要将分台阶施工中的台阶长度缩短，尤其是针对地下水丰富的地段要调整为三部台阶七步流水的施工方法。由此，取消上台阶的钻孔台架，尽量减少了长短台阶之间转换的时间，从而减少因初支长时间暴露而导致的初支变形。

（2）合理控制施工步距，并强化对围岩的量测工作。即施工中总结出的三抓：抓好仰拱封闭工作、抓好衬砌施工紧密结合、抓好围岩监控量测工作，由此保障开挖工作的顺利进行，并确保初支结构在有效的时间内的稳定牢靠。

（3）做好及时排水，避免长期浸泡而突发变形。开挖作业面前可采取中6m超前探孔，提前引出开挖作业面的地下水，避免施工中出现突然涌水。若遇洞内水较大的情况时，应提前开挖集水井并采取排水措施将地下水引流到临时排水沟，避免由于浸泡影响初支结构的稳定性。

2.3  预防措施

（1）加强径向锚杆支护、超前小导管注浆以及锁脚锚管支护等施工质量的严格把控，严把注浆过程控制，确保注浆密实饱满，从而充分发挥围岩自稳及初支结构的共同支护成效。

（2）对于强风化围岩及软岩，应及时做好支护，防止长时间暴露而导致围岩软化变形;另外，在机械的选择上以减少扰动为原则，或者可以采取人工开挖的方式进行。

（3）遵守相关规范及标准，严格依循有关规定开展施工管理。

（4）随时观测，观测单元为每200cm设置一个断面，地表断面每500cm设置一个断面。

3  结语

总而言之，为保障隧道施工的顺利进行，最大限度减少因初支变形而导致的拱顶坍塌，相应项目管理人员务须要对隧道初支变形的成因予以细致分析，并结合隧道工程项目实际，采取行之有效的变形控制策略，以为隧道工程施工的顺利进行提供切实保障。

参考文献：

[1] 张兵.隧道初期支护变形原因分析及防护措施[J].价值工程，2020（10）：175～179.

[2] 纪伟.黄土隧道初支变形情况及原因分析[J].中外建筑，2017（7）：244～248.