隧道初支變形的成因與應(yīng)對探討

黎川

摘? ? 要：隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力會重新分布，如若初期支護(hù)的作用力不足以承載圍巖變形的壓力就會導(dǎo)致初支變形。本文結(jié)合筆者既往隧道初支施工實踐經(jīng)驗，從隧道初支變形的成因入手，進(jìn)一步探討了隧道初支變形的應(yīng)對措施，以供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：隧道施工;初支變形;成因分析;應(yīng)對措施

1? 隧道初支變形的成因分析

1.1? 地質(zhì)水文方面

（1）隧道在經(jīng)過應(yīng)力集中地帶，如壓碎巖、千枚巖以及斷層破碎帶等地質(zhì)條件時，經(jīng)過開挖會使應(yīng)力得以釋放而對隧道的初支結(jié)構(gòu)造成影響。如若圍巖釋放出的應(yīng)力大于初支阻力，則會使得初支結(jié)構(gòu)受到擠壓而出現(xiàn)變形。

（2）隧道洞口穿越地層堆積體時，由于堆積體較為松散，膠結(jié)狀態(tài)弱，一旦開挖則會造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大松動，從而對隧道的初期支護(hù)造成影響，甚至?xí)?dǎo)致拱頂出現(xiàn)下沉或支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

（3）在擠壓形成的破碎帶以及節(jié)理密集地帶等較為破碎的地段，由于存在有軟硬夾層，因此更容易填充泥質(zhì)物，一旦遇到地下水，則會引起軟硬夾層交界位置的強(qiáng)度迅速降低，從而引發(fā)節(jié)理面滑動，在節(jié)理面滑動的帶動下致使隧道初支結(jié)構(gòu)部位引發(fā)變形。

（4）隧道開挖工作面若遇地下水，則在開挖時易面臨突發(fā)涌水。在富水條件下軟巖極易軟化，從而導(dǎo)致開挖工作面整體失穩(wěn)，破壞隧道的初支結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形等現(xiàn)象。

（5）在軟巖環(huán)境下施工完成的初期支護(hù)，由于軟巖段地下水較豐富，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱腳處于被浸泡的環(huán)境中，大大削弱了支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱腳承載力，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)變形。

1.2? 勘查設(shè)計方面

（1）前期地質(zhì)勘察疏漏或不夠嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致設(shè)計過程中對復(fù)雜地質(zhì)情況的考慮不周，因此，致使后期對穩(wěn)定性較差的圍巖初期支護(hù)的適應(yīng)性不夠，支護(hù)參數(shù)及方案制定與實際變形圍巖情況不匹配，從而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或產(chǎn)生較大變形。

（2）原始的隧道支護(hù)設(shè)計方案是基于最初的地質(zhì)勘探情況而定，但是隨著開挖的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力產(chǎn)生了變化，并且在局部地區(qū)還會出現(xiàn)驟然增加或減少的情況，從而使得初期支護(hù)無法滿足應(yīng)力變化的相關(guān)要求，雖支護(hù)施作后初期穩(wěn)定但后期卻逐漸失穩(wěn)。

（3）施工時爆破參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，造成超挖或欠挖，使得隧道表面與原定設(shè)計輪廓不符，且因超挖或欠挖而導(dǎo)致的應(yīng)力集中超出允許值，并在凹凸處因局部應(yīng)力過于集中而形成薄弱點，尤其欠挖位置的集中應(yīng)力甚至?xí)_(dá)到初始應(yīng)力值的十倍以上，從而導(dǎo)致隧道初支發(fā)生變形。

1.3? 施工作業(yè)方面

（1）在施工中沒有充分考慮到對碎質(zhì)巖、炭質(zhì)板巖的地質(zhì)情況以及破碎帶對初支結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，以致未對風(fēng)險源予以有效把控。當(dāng)發(fā)生變形或失穩(wěn)時，就會導(dǎo)致初支侵限，在對變形侵限的鋼架進(jìn)行拆換，從而影響了二襯施工等施工節(jié)奏與工序。

（2）鋼架尺寸與需支撐尺寸不符，主要是由于超挖或洞室坍塌等問題導(dǎo)致需支撐尺寸較原方案大，鋼架支撐無法與圍巖緊密接觸，不能按既定方案連接，導(dǎo)致支護(hù)的剛度不足。

（3）拱圈襯砌施工中，由于未考慮到圍巖變形位移的積累效應(yīng)，導(dǎo)致在后期隧道開挖中變形速率增大，當(dāng)變形速度過快而未妥善安排襯砌時間，則會導(dǎo)致襯砌滯后而致使初支變形。

（4）施工中沒有處理好地下水問題，導(dǎo)致掌子面與二襯的初期支護(hù)產(chǎn)生滲水或涌水現(xiàn)象，影響拱腳穩(wěn)定性，降低了地基承載力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。

2? 隧道初支變形的應(yīng)對措施

2.1? 技術(shù)措施

（1）合理采取注漿加固。對于地質(zhì)條件復(fù)雜、破碎層較多地帶，圍巖的自身穩(wěn)定性欠缺，并且結(jié)構(gòu)松散，因此要通過加固的方式提升圍巖自身的穩(wěn)定性。在初期支護(hù)過程中，首先將圍巖通過外圍方式加固后，可以采取向內(nèi)部注漿來進(jìn)行整體加固，用漿液填塞破碎結(jié)構(gòu)層，減少圍巖在受擠壓情況下產(chǎn)生的變形，同時也能夠減少外部水對襯砌的滲透，從而提升巖體的穩(wěn)定性及強(qiáng)度，并在與開挖隧道斷面的噴錨支護(hù)的共同作用下使地應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）為變形預(yù)留控制基準(zhǔn)。根據(jù)規(guī)范要求，普通地質(zhì)情況下的變形量預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)為：施工圖預(yù)留變形量+50mm;圍巖易變形區(qū)段預(yù)留控制基準(zhǔn)時，應(yīng)以施工預(yù)留變形量為參考，結(jié)合實際施工需求進(jìn)行計算，通常還應(yīng)在預(yù)留變形量+50mm施工誤差的基礎(chǔ)上再增加50mm的留足系數(shù)。如若圍巖變形段施工出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象或者工序需要調(diào)整時，應(yīng)按原定標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大系數(shù)1.2～1.5來進(jìn)行預(yù)留，并進(jìn)行及時的觀測分析以及動態(tài)調(diào)整。

（3）提高初期支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。在設(shè)計方面，施工單位要結(jié)合實際地質(zhì)情況及時配合對原定設(shè)計參數(shù)的調(diào)整;在施工方面要做好施工預(yù)案，提前做好初支加強(qiáng)工作，例如當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部地質(zhì)較先前勘測情況差時，應(yīng)減少拱架之間的間距或加密連接鋼筋等。

（4）選取適宜初支變形控制方法。若初支結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形之后，在進(jìn)行應(yīng)急處理并使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，進(jìn)行換拱處理以提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。換拱要遵循“少裝藥、弱爆破、逐榀更換、隨換隨測”的原則進(jìn)行。為確保換拱的順利實施，鋼架拆換應(yīng)采用逐榀拆換，鋼架應(yīng)采用I25a工字鋼，每榀之間的間距控制在60cm，拆換時不可超過兩榀鋼架同時拆除。通常，為確保拆換鋼架后初支穩(wěn)定，需采取如下措施：一是，鑿除初期支護(hù)需要人工與機(jī)械施工相配合，嚴(yán)禁采用爆破方式;二是，先立后拆，用小導(dǎo)管進(jìn)行施工后方可進(jìn)行全環(huán)拆換;三是，如果初支變形嚴(yán)重，已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)誤差，則要采用垂直方向自上而下拆換，不可讓圍巖暴露時間過長，隨后鑿除完成應(yīng)立即噴射砼，再建立鋼拱架支撐，掛網(wǎng)噴射砼，同時槽壁也應(yīng)初噴砼，厚度保持在50mm～80mm為宜，從而有效避免圍巖暴露引發(fā)的滑塌現(xiàn)象。

2.2? 施工措施

在隧道施工中必然會有圍巖應(yīng)力釋放的現(xiàn)象，往往也是造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的直接原因，因此在制定施工方案時，可采取以下施工措施予以控制。

（1）為了減少初支結(jié)構(gòu)對外暴露時間過長易引起變形的問題，要將分臺階施工中的臺階長度縮短，尤其是針對地下水豐富的地段要調(diào)整為三部臺階七步流水的施工方法。由此，取消上臺階的鉆孔臺架，盡量減少了長短臺階之間轉(zhuǎn)換的時間，從而減少因初支長時間暴露而導(dǎo)致的初支變形。

（2）合理控制施工步距，并強(qiáng)化對圍巖的量測工作。即施工中總結(jié)出的三抓：抓好仰拱封閉工作、抓好襯砌施工緊密結(jié)合、抓好圍巖監(jiān)控量測工作，由此保障開挖工作的順利進(jìn)行，并確保初支結(jié)構(gòu)在有效的時間內(nèi)的穩(wěn)定牢靠。

（3）做好及時排水，避免長期浸泡而突發(fā)變形。開挖作業(yè)面前可采取中6m超前探孔，提前引出開挖作業(yè)面的地下水，避免施工中出現(xiàn)突然涌水。若遇洞內(nèi)水較大的情況時，應(yīng)提前開挖集水井并采取排水措施將地下水引流到臨時排水溝，避免由于浸泡影響初支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.3? 預(yù)防措施

（1）加強(qiáng)徑向錨桿支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿以及鎖腳錨管支護(hù)等施工質(zhì)量的嚴(yán)格把控，嚴(yán)把注漿過程控制，確保注漿密實飽滿，從而充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)及初支結(jié)構(gòu)的共同支護(hù)成效。

（2）對于強(qiáng)風(fēng)化圍巖及軟巖，應(yīng)及時做好支護(hù)，防止長時間暴露而導(dǎo)致圍巖軟化變形;另外，在機(jī)械的選擇上以減少擾動為原則，或者可以采取人工開挖的方式進(jìn)行。

（3）遵守相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格依循有關(guān)規(guī)定開展施工管理。

（4）隨時觀測，觀測單元為每200cm設(shè)置一個斷面，地表斷面每500cm設(shè)置一個斷面。

3? 結(jié)語

總而言之，為保障隧道施工的順利進(jìn)行，最大限度減少因初支變形而導(dǎo)致的拱頂坍塌，相應(yīng)項目管理人員務(wù)須要對隧道初支變形的成因予以細(xì)致分析，并結(jié)合隧道工程項目實際，采取行之有效的變形控制策略，以為隧道工程施工的順利進(jìn)行提供切實保障。

參考文獻(xiàn)：

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