基于隧道断层破碎带的初期支护净空侵限处治

黄 凯

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430050)

隧道初期支护侵限形式可分为：由于隧道一侧围岩软弱或涌泥后回填不密实导致单侧受较大压力而引起隧道单侧大变形后的侵限和由于隧道拱顶围岩压力较大、基底软弱、初期支护沉降、收敛较大而引起拱部的侵限[1]。某隧道洞口段围岩多呈软弱破碎状，施工极易发生围岩大变形，导致初期支护侵入二次衬砌净空界限[2]。李明耿[3]针对隧道施工出现的初期支护侵限现象，提出了有效的换拱设计方案；吕梁等[4-5]对大断面偏压黄土隧道、软岩地层的换拱施工工艺进行了研究，但缺乏侵限机理解答。

当前国内关于隧道初期支护侵限的研究多集中在治理措施层次，对隧道断层破碎带初期支护侵限深层次的机理分析及处治效果评价较为欠缺。对侵限的处治一般为施作大面积换拱，常引起围岩大幅扰动，降低围岩的自持能力，危及结构安全和施工安全。本文依托某公路隧道出口段F9断层破碎带，对初期支护侵限机理进行分析，以期提出切实可行的治理措施。

1 工程概况

1.1 地质概况

某隧道起止桩号为K144+874-K147+780，全长2 906 m，最大埋深358.7 m。根据工程地质调绘及钻探成果，隧址区山体斜坡上局部表层覆盖第四系全新统残坡积物，岩性为粉砂、粉质黏土、碎石，下伏基岩主要为晚元古代片岩、片麻岩，岩体较为破碎，有断层破碎带通过。地表水补给主要为山间溪流、大气降水，地下水主要为基岩裂隙水。

1.2 初期支护侵限段地质情况

开挖揭露及地质素描记录显示，洞口浅埋段K147+750-K147+761掌子面围岩拱部范围主要为粉质黏土，呈土状、碎块状及角砾状松散结构，手捏易碎；底部主要为强风化片麻岩，节理裂隙发育，岩质较软。掌子面掘进方式为台阶法并预留核心土开挖，施工时掉块现象严重，稳定性差，开挖后易坍塌，围岩级别为V级。

2 初期支护侵限过程及隧道宏观表征

2.1 监控量测情况

换拱前地表沉降观测点布设示意见图1，观测点纵向按10 m间距布置，横向间距5 m，隧道中线附近适当加密[6-7]。

图1 隧道出口地表沉降观测点布置图(尺寸单位:m)

该隧道出口K147+755断面沉降位移见图2，沉降速率见图3。

图2 隧道出口K147+755断面沉降位移

图3 隧道出口K147+755断面沉降速率

由监测数据可知，2017年2月26日时，沉降速率最大发生在左拱腰处，达-82.40 mm/d，随着掌子面推进，累计沉降逐渐增大，拱顶累计沉降稳定在87.2 mm，左拱腰累计沉降稳定在151.2 mm。隧道初期支护最大累计沉降量已超过隧道设计预留变形量的2/3，需采取措施后再进行施工[8]。

2.2 初期支护净空断面检测情况

根据监控量测结果，结合K147+750-K147+761段初期支护净空扫描检测结果，初支净空断面已侵入二次衬砌界限15～30 cm之间，K147+755处初期支护净空扫描检测图见图4。

图4 K147+755处初期支护净空扫描检测图

3 隧道初期支护侵限机理

3.1 断层破碎带的影响

F9断层破碎带处隧道平纵断面剖面图见图5。

图5 F9断层破碎带处隧道平纵断面剖面图

由图5可知，隧道穿越I级结构面的F9断层破碎带时，隧道围岩的稳定性受到较大影响。围岩受开挖扰动后初始应力发生改变，在围岩中形成非持续扩大性的塑性松动圈，并最终形成弹性松动圈。

围岩破碎及地下水作用使得断层塑性段处于应变软化状态，抗剪切性随剪切变形量的增大而减小。而掌子面远端的断层弹性段处于应变硬化状态，剪切变形随剪切应力增大而增大。隧道掌子面开挖至F9处时，拱顶断层带出现剪切应力集中，断层塑性区和弹性区剪切应力均增大。初期支护发生向隧道内变形和侵入净空界限的现象时，增大的断层破碎带剪切应力超过了拱顶围岩抗剪强度，引起松动围岩压力和形变围岩压力增大。F9断层破碎带围岩变形演化见图6。

图6 F9断层破碎带围岩变形演化示意图

3.2 地下水下渗加剧沉降

隧道开挖期间遇连日阴雨，地表水沿着断层破碎带充当的径流渠道进行下渗，粉质黏土层含水量增大使拱顶初期支护的垂直荷载也增大。当隧道掘进至F9断层处时，隧道拱顶处动水压力迅速增大，拱顶初期支护承受动、静水压力的耦合作用。同时，地下水沿开挖面下渗至拱底，拱脚麻岩在地下水软化、浸泡和冲蚀作用下的承载能力大幅降低。以上综合作用下，初期支护不均匀沉降不断加剧，最终导致初期支护侵入二次衬砌的净空界限。

3.3 施工造成的影响

现场施工时对洞口浅埋段F9断层破碎带施工风险认识不足，未能及时改变施工方法或采取有效措施防范施工中出现的变形过大等问题。隧道下导开挖后未能加快钢拱架的架设，导致拱脚处钢拱架支撑悬空时间过长，其现场照片见图7。同时，仰拱的开挖扰动又进一步加大了初期支护的沉降。

图7 现场拱脚处钢拱架悬空

4 初期支护侵限段处治

依据该隧道断层破碎带初期支护的侵限机理，并结合现场初期支护变形监控量测数据，制定了进行径向注浆加固，后更换拱架的施工方案。

4.1 全径向注浆加固

换拱前在洞内进行全径向注浆加固，K147+750-K147+761一次注浆完成后再开始进行换拱作业。洞内初支背后围岩加固处理时设置长5 m的直径42 mm的径向注浆小导管，注浆孔采用梅花型布置，孔口环向和纵向间距分别为1.0 m和1.2 m，径向导管布置示意见图8。

图8 径向导管布置示意图

注浆材料采用水灰比为1.1∶1的水泥-水玻璃双液浆，水泥级别选为42.5级硅酸盐水泥，注浆压力为0.5～1.2 MPa。

4.2 初期支护拆除

全径向注浆达到固结龄期且注浆效果控制达到要求后，在围岩变形稳定条件下采用以炮头机为主，人工凿除为辅的方式逐榀拆除原初期支护及临时支护，拆除一段后立即支护一段。一般采用从下向上、先墙后拱的拆除顺序，原初期支护拆除时可切除多余钢化管，尽量避免对原径向加固体的扰动破坏，换拱处治施工流程图见图9。

图9 换拱处治施工流程图

4.3 架设替换钢支撑

在拆除原初期支护后，隧道各节段新采用的支护形式与原设计保持一致，原则上仍按原设计预留沉降量，但可根据实际施工情况做适当调整，以保证二次衬砌的厚度。施工过程的要求如下。

1) 安装前清除拱脚虚碴及杂物，局部超挖部分采用喷射混凝土进行填充密实。

2) 换拱作业前人工组装钢支撑，钢架节段采用螺栓连接，连接板接缝做到三面满焊。

3) 钢支撑要落到实地，严格按照设计施工锁脚锚杆以减小拱顶下沉。

4) 钢拱架拆装更换完成后需及时喷射混凝土。

5) 对于新施作的初期支护隧道断面要加强监控量测并加密监测断面和监测频率。安排专人负责施工现场观察，现场异常情况发生后立即停工，同时加强洞内支护。

6) 侵限处治控制重点在初期支护破除、换拱、落底、封闭成环4个方面。换拱必须每榀分单元进行，待喷射混凝土稳定后方可进行下一榀的换拱施工。

7) 疏通换拱段的地表水系，降水尽快排走以保证地表没有积水。同时对地表存在的裂缝需及时采用喷射混凝土进行封闭。

5 处治效果

为评价钢拱更换方案是否达到预期要求，采用midas Civil数值模拟结合监控量测的方法对换拱后初期支护的受力变形进行分析。

5.1 数值模拟计算

假设支护结构为承载主体，上方围岩为松散岩体，对支护结构产生竖向荷载。模型物理力学参数见表1。

表1 围岩及材料的物理力学参数

苏联学者普洛托雅克诺夫(简称普氏)以松散理论为基础，认为在松散介质中开挖隧道后，隧道上方将形成抛物线平衡拱，其高度H为

(1)

式中：B为平衡拱的半跨度，m；Fm为岩石坚固性系数，土层取Fm=tanθ，岩石取Fm=R/10；其中：θ为土的内摩擦角，(°)；R为岩石抗压极限强度,MPa。

当侧壁不稳定时，平衡拱宽度

B=Bt+Httan(45°-θ/2)

式中：Ht为隧道净高，m；Bt为隧道净宽之半，m。平衡拱宽度示意见图10。得出：H=6.2 m，拱顶围岩荷载p=γH，取饱和粉质黏土为20 kN/m3，得到p=124 kPa。

图10 平衡拱宽度示意图

对模型围岩处限制水平及竖直位移，施加竖直向下的均布荷载后计算得到钢拱架的应力图见图11。

图11 钢拱架应力图

由图11可知，钢拱架最大应力为173.9 MPa，发生在钢拱架拱脚处，由于Q235型钢屈服强度为235 MPa，故结构安全系数K=1.35，结构受力安全。

5.2 现场监控量测分析

通过纵向间隔5 m加密设置观测断面，并对维修加固后的初期支护变形进行持续观测。监控量测数据显示隧道拱顶下沉和周边收敛变形均很小，15 d后变形量已趋于稳定状态，最大下沉变形量为18 mm，最大周边收敛变形量为3.4 mm。同时，换拱段断面净空的隧道激光断面仪检测结果均符合设计要求。

6 结论

1) 隧道初期支护净空侵限的机理分析需结合现场实际。本工程F9断层破碎带围岩较差，地下水侵入加大拱顶荷载，以及拱脚麻岩在地下水下作用承载能力降低是初期支护侵限客观原因。隧道下导开挖后未能加快架设钢拱架，拱脚悬空时间过长导致上部初期支护下沉是主观原因。

2) 数值模拟和监控量测结果证明，本工程“全径向注浆加固+换拱”的处治方案能有效地控制隧道掌子面稳定，避免初期支护侵限再次发生，隧道顺利通过断层破碎带。

3) 施工中要根据超前地质预报、开挖掌子面围岩揭示情况，以及监控量测数据及时调整开挖方法和支护参数。严格规避钢拱架底部悬空过长或者基底不实的情况，严格控制缩脚锚杆的施工质量，保证钢拱架在初期支护中的有效支撑作用。