程 李 将
（中铁六局集团太原铁建天和工程公司 山西 太原 ０３００００）
摘 要：在隧道施工中，不良地质会造成隧道初期支护出现开裂、剥落、掉块，型钢拱架出现严重扭曲、弯折、剪断等变形现象，导致初期支护断面侵入二衬甚至侵入净空。文章结合工程实例，通过从地质条件、施工等方面综合分析，深入探讨隧道初期支护变形、侵限的原因，提出了一些处理措施，在施工过程中根据监控量测数据及时调整支护参数、施工方法有效预防初支变形侵限，对类似工程的施工具有借鉴意义。
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关键词 ：初期支护；变形；换拱；监控量测
中图分类号：U455 文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．04．０41
１ 概述
１．１ 工程概况
某隧道为单线隧道，工点位于低山区，隧道地表地势总体南高北低，植被覆盖率低，沟谷发育。隧道全长９８５ｍ。隧道进口地形平缓、出口处地形较陡，最大埋深约为５８m。洞内设计纵坡为１‰和－１‰的人字坡，隧道采用复合式衬砌，按新奥法原理设计和施工。
１．２ 工程地质特征
隧道范围内地层主要由第四系上更新统风积层黄土和斜坡坡积体，下覆三叠系中统砂岩、泥岩构成，洞身岩性特征为：泥岩（Ｔ２）紫红色，节理裂隙发育，泥质结构，层状构造，岩层产状近水平，层理厚度０．２～０．８ｍ，以厚层状为主，夹有中厚层及薄层，全风化至弱风化，有一定的含砂量，局部夹有砂岩和砂岩泥岩的过渡相；砂岩（Ｔ２）青灰色，夹紫红色，弱风化，节理裂隙发育，中粗粒结构，岩层产状近水平，层理厚度０．３～１．５ｍ，以厚层状为主，夹有中厚层及薄层，局部夹泥岩条带或泥岩团块，Ⅳ级软石。
１．３ 水文地质特征
测区冲沟发育，地下水主要为基岩裂隙水，接受大气降水及地表水的下漏补给，局部地段的土石界面处有上层滞水。
１．４ 施工中初期变形情况描述
隧道采用台阶法掘进施工，当隧道掌子面上台阶掘进至ＤＫ２４＋８７０处，仰拱施工至ＤＫ２４＋８２０处，二衬施工至ＤＫ２４＋７２０处，准备下一模二衬施工时，发现ＤＫ２４＋７２５～ＤＫ２４＋７７５处钢架连接处初支混凝土有局部“张嘴”现象，同时监控量测数据显示，变形还在进一步发展。一周后ＤＫ２４＋７２５～ＤＫ２４＋７５５段初支出现纵向裂缝，最大裂缝宽度５ｍｍ，裂缝处伴有渗水，局部喷射混凝土剥落、钢拱架扭曲，边墙拱脚处最大位移达到２５ｃｍ，初期支护侵入二次衬砌净空，侵入厚度５～３０ｃｍ不等，并且变形还有进一步扩大趋势。
２ 隧道初期支护变形的原因分析
（１）洞身围岩岩性的影响。从隧道开挖过程中揭示的围岩情况来看，拱顶部为砂岩，从起拱线以下围岩层理较明显，构造较复杂，节理裂隙发育，自稳性较差。主要为１５～２０ｃｍ厚的青灰色泥岩、砂岩夹层，易崩解；同时围岩中含有少量裂隙水，青灰色砂岩等类似断层角砾的捕掳体，受构造力的高温高压影响，变形严重。青灰色泥岩以下为褐红色泥岩，泥质结构，易崩解，具有弱膨胀性。
（２）气候因素的影响。隧道施工期间恰逢雨水集中，7月份最大降水量为２２６ｍｍ，降水量较往年增大了将近一倍，为近５０年罕见。隧道初期支护变形段地表有冲沟及多个黄土限穴，为雨水的储存、收集、运移提供了有利条件，隧道变形地段洞顶埋深２８ｍ，地层以砂岩为主，节理缝隙发育，透水性好，地层受施工爆破及开挖扰动影响，下渗量和下渗速率会增加，隧道周边围岩含水率增大导致岩体的强度降低。另外隧道洞身地层以泥岩为主，砂岩主要分布于拱部，泥岩具有弱膨胀性，在地下水干、湿交替影响下，导致岩体发生反复的膨胀、崩解、强度降低，促使局部围岩变形增大，导致隧道初期支护变形侵限。
（３）设计与实际地质条件不符导致初期支护变形。从地质角度来看，隧道开挖后，实际揭露的岩体比勘察设计阶段所预想的更加破碎，以及遭遇５０年一遇罕见雨水，雨水下渗，围岩自重增加，泥岩透水性较差，遇水软化，导致勘察设计阶段所设计的初期支护措施已经无法满足围岩稳定的要求，致使初期支护面出现变形。
（４）施工过程未能及时对现场围岩变形观察情况和量测数据进行分析，及时开展支护参数调整和施工工艺变更，围岩变形后未能及时采取有效措施，造成围岩变形进一步加大。
（５）施工中上台阶距离较长，仰拱未及时开挖封闭，围岩稳定后未及时施作二次衬砌，二次衬砌滞后较多，导致初期支护变形。
３ 隧道初期支护变形处理措施
（１）隧道洞顶冲沟、黄土限穴处理．隧道洞顶冲沟，因沟谷底部岩层裂隙较多，采用用Ｍ７．５浆砌片石铺砌沟底，水泥砂浆勾缝抹面，防止雨水下渗。黄土限穴及低洼积水地段采用粘土回填，并分层夯实，高出原地面，防止积水。
（２）临时加固措施。对已施工做的初期支护进行临时加固，防止初支变形进一步加大，在原有的钢架的位置设置横竖向临时支撑。横向支撑采用Φ１０８ｍｍ钢管，变形严重的采用Φ１５９ｍｍ钢管，横支撑上下钢管间距为８０ｃｍ，横支撑每隔３ｍ设置一处，两端设置２０ｃｍ×２０ｃｍ×１．５ｃｍ钢垫板。每处在初期支护上下拱架连接处上下各４００ｍｍ位置拱架上焊接２０ｃｍ×２０ｃｍ×１．５ｃｍ钢板，并用Φ４２ｍｍ钢管做斜撑对横支撑进行加固。每道横撑之间采用Φ４２ｍｍ钢管做剪刀撑状加固，确保横撑不变形。
竖向支撑采用工１８型钢，工字钢接头处不得在一个位置，两根工字钢接头错开至少１ｍ。两端设置２０ｃｍ×２０ｃｍ×１．５ｃｍ钢垫板，每处在初期支护上下拱架连接处上下各４００ｍｍ位置拱架上焊接２０ｃｍ×２０ｃｍ×１．５ｃｍ钢板。竖撑上部端头钢垫板焊接在拱架上，仰拱未施做段竖撑下部垫枕木，已施做段垫设木板，枕木或木板与下部端头钢垫板之间用木楔堵塞牢固，木楔长宽大于钢垫板每边３ｃｍ。
临时支撑完成后，通过量测，初期支护变形减缓，慢慢趋于收敛，说明临时支护抑制围岩变形发挥了重要作用，避免酿成大塌方。
（３）环向注浆加固措施。由于围岩出现变形，岩体节理、裂隙扩大，本身物理力学特性下降。为了提高岩体ｃ、φ值，在临时支撑的保护下，采用环向注浆小导管对整个变形地段围岩进行预加固。小导管采用外径４２ｍｍ，壁厚４ｍｍ，长３５０ｃｍ的热扎无缝钢管，环向间距约１００ｃｍ，纵向间距１００ｃｍ，径向打入，尾端支撑于钢架上。环向小导管注浆采用水泥浆液，添加水泥重量５％的水玻璃，浆液扩散半径按７５～１００ｃｍ控制。形成隧道开挖轮廓线外３～４ｍ围岩加固圈，注浆压力控制在１．５ＭＰａ内。
（４）变形侵限小于５ｃｍ处理措施。首先接上述措施对围岩进行注浆加固，并在边墙及拱腰处各增设２根锁脚锚杆，长度为４．５ｍ，待围岩变形稳定后及时施做二衬，二次衬砌厚度保证不小于３５ｃｍ，将原设计的Ｃ３０素混凝土改为Ｃ３０钢筋混凝土结构。
（５）变形侵限超过５ｃｍ处理措施．首先接上述措施对围岩进行注浆加固，注浆完成待围岩稳定后，进行换拱施工。
４ 换拱施工方法
（１）换拱前技术准备工作。a.测量组对初支变形地段每榀拱架进行断面净空检查，并绘出超欠挖断面图。b.根据各段不同的换拱部位采取有针对性的换拱方案，并进行技术交底。c.测量组根据技术交底在现场用油漆标出换拱的起止里程、部位，方便现场换拱施工。
（２）拆除临时支撑。在拆除临时支撑时，必须保证前一榀换拱拱架已封闭成环，每３ｍ换拱施工封闭成环后拆除下榀临时支撑。临时支撑拆除顺序为先横撑后竖撑，确保结构稳定。在换拱施工时要对下一榀临时支撑进行监控量测，如果数据有突变，则需要立即停止换拱作业对临时支撑进行加固，监测数据稳定后方可进行换拱作业。换拱作业见图１。
换拱顺序说明： a.打设Ｌ＝３．５ｍ、φ＝４２ｍｍ注浆小导管进行注浆加固。b.凿除两既有拱架ａ、ｂ之间喷射混凝土，拆除宽度１．０５ｍ，两侧各预留０．２２５ｍ，拆换顺序按照先拱后墙的原则进行，先拆除拱部混凝土， 然后拆除变形严重处边墙混凝土， 最后拆除另一侧边墙混凝土。c.扩挖并进行初喷加固，然后安装新拱架，安装顺序为先１后２，安装完毕后进行加固并喷射混凝土，安装拱架、加固及喷锚施工顺序为先拱后墙，同步骤２中拆除混凝土顺序。d.凿除ｂ、ｃ之间喷射混凝土，拆除宽度１．０５ｍ，两侧各预留０．２２５ｍ，拆换顺序按照先拱后墙的原则进行，同步骤２。 e.重复进行３中所述步骤。f.拆除２、３间喷射混凝土，进行加固并喷射混凝土。g.后续每换一榀拱架与此顺序相同。
（３）拆除矮边墙及初期支护混凝土。对换拱部位矮边墙混凝土进行拆除，矮边墙拆除每循环３ｍ，先拆除变形较大一侧，然后拆除变形较小一侧，矮边墙拆除采取松动爆破配合人工风镐的施工方式，炮眼间距为３０×３０ｃｍ梅花型布置。
对喷射砼的位置进行松动爆破配合人工风镐凿除，炮眼间距为３０×３０ｃｍ，深度为１５ｃｍ，凿除循序为先拱后墙，拆除至钢筋网或连接筋混凝土面时，要优先切断钢筋网及连接筋，确保全部切断后方可对剩余混凝土进行凿除。在拆除喷射砼过程中对既有的钢筋网及连接筋采用水焊进行切割处理。确保不破坏既有拱架受力。拆除后进行扩挖至设计轮廓线，预留沉降量为１５ｃｍ，扩挖后对岩面进行混凝土初喷。初喷封闭围岩后再进行初期支护施工。待拱部换拱工序结束之后方可进行边墙砼拆除及支护工程，原则为先拆除变形较大侧然后拆除变形较小侧。
（４）架设工型钢及喷射砼。混凝土拆除后架设Ⅰ２０ａ型钢钢架，钢架间距为７５ｃｍ，拱脚打设Φ４２ｍｍ注浆钢花管，两边拱腰、拱脚及墙角每节点各２根，每根长４ｍ，与岩面成４５°角打设，注水泥浆，设计注浆压力（终压值）为１．０ＭＰａ；安装Φ８钢筋网，网格尺寸２０×２０ｃｍ，钢拱架处外露１０ｃｍ作为搭接预留筋；安装Φ２２ｍｍ组合中空锚杆及砂浆锚杆；纵向每２榀钢架采用Φ２２ｍｍ钢筋纵向连接，环向间距１００ｃｍ，外露１０ｃｍ作为搭接预留筋；Ｃ２５网喷射混凝土厚２７ｃｍ。架立钢架按照先拱后墙的顺序进行，拱脚采用Ｃ２５砼垫块垫设。
在安装钢筋网时预埋初支背后空洞注浆孔，孔径５０ｍｍ，纵向每１．５ｍ设一个，环向每３ｍ设一个。
（５）二衬施工。初支完成收敛稳定后立即进行二衬施工，二衬施工每循环９ｍ，二衬采用Ｖ级围岩加强衬砌，Ｃ３５钢筋混凝土结构。施工过程中要确保仰拱距离换拱施工作业面不得多余９ｍ，二衬距离施工作业面不得多余１８ｍ。
（６）监测分析。隧道初期支护变形段经过上述加固措施处理后，进行了拱顶下沉及边墙收敛观测。发现在变形段的初期支护完成后，拱顶下沉为４ｍｍ／ｄ、边墙收敛为３ｍｍ／ｄ，在初期支护施做完成后两周内经观测数据分析，变形段的围岩已经稳定。
（７）分析总结。ａ．隧道施工过程中，尤其是在一些软弱围岩地段，要较好地应用监控量测成果，及时开展支护参数调整和施工工艺变更等工程设计动态管理工作；科学建立等级管理制度，针对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级风险及时采取小导管注浆、增加锚杆数量、施做临时仰拱、加设套拱、增加竖向横向支撑等措施，有效控制围岩变形。ｂ．在软弱围岩地段，初期支护强度、刚度加强对控制初期支护变形较为有效。施工过程中发现地质情况与设计不符时应及时提出变更，根据围岩的岩性及监控量测数据选择合理的初期支护形式，使其能和地质条件相匹配。ｃ．单线软岩隧道宜采用短台阶法，不宜采用微台阶法、长台阶法施工，台阶长度应控制在１０～１５ ｍ。仰拱、二衬应紧跟，严格控制步距。ｄ．隧道初支侵限后针对侵限程度及时采取不同的处理措施，同时加强监控量测工作，根据量测数据进行施工。
５ 措施应用
在隧道换拱施工完毕后，施工单位认真分析初支变形原因，总结经验教训，加强了监控量测，根据监控量测数据及时采取有效措施防止初支变形进一步加大，取得了较好的效果。
（１）ＤＫ２５＋１１０处围岩开挖后，收敛下沉较明显，最大值为１１ｍｍ／ｄ，拱架环向局部有裂缝。现场在开裂处增加径向锚杆，锚杆与拱架焊联，并复喷。９月１３日以后钢架落地完成再无明显变化，至９月２３日施作仰拱，从开挖到浇筑仰拱砼结束，沉降每天４ｍｍ，裂缝无进一步扩展，后期基本稳定（见图２）。
（２）ＤＫ２５＋１５０处围岩开挖后，收敛下沉明显，最大值为２０ｍｍ／ｄ，有环向裂缝。１０月５日增加锚杆数量并注浆加固，落地完成后采取拱脚填土反压，效果较好，后无明显变化。至１０月２３日施作仰拱，从开挖到浇筑仰拱砼结束，沉降一天达５ｍｍ，裂缝无明显扩展，后期稳定（见图３）。
（３）ＤＫ２５＋１９４处围岩开挖后，接中导，收敛下沉较明显，１１月５日开挖下台阶时围岩变形急速变化，最大值为一天４０ｍｍ，初支出现多处环向裂缝（见图４）。
说明：①１１月６日立即增加锚杆数量并注浆加固，但效果较差，８日、９日连续两天变形量均大于２０ｍｍ。②１１月１０日采取拱脚回填土反压，但变形量仍较大，每天约１５ｍｍ左右，拱部初支局部混凝土有剥落掉块现象。③１１月１５日采用架设Ⅰ１８套拱加固，加打锁脚锚管及部分系统锚管，喷混凝土封闭。沉降得以控制，后无明显变化。至１１月１９日施作仰拱，浇筑仰拱砼结束，沉降３ｍｍ，后期稳定。
６ 结语
由于隧道施工地质条件复杂多变，隧道初期支护变形影响因素众多。故在施工时需结合具体隧道施工过程的自身特点，针对隧道初期支护变形发生的现象加以分析，根据不同的变形情况制定出相应的处理措施，以有效克服隧道变形影响，使洞身施工满足设计要求。在施工过程中尤其是在一些软弱围岩地段，应用监控量测成果，及时对支护参数、施工方法进行调整，加强初期支护闭合及时性，初期支护变形侵限也是可以避免的。
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参考文献
１ 王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１０
２ 关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３
（责任编辑 高 平）