淺談高原隧道軟弱圍巖變形控制措施

王福聰

【摘要】 隨著國家交通事業的不斷發展，高海拔、高寒地區的隧道施工也會更多地被我們接觸，如何降低高寒條件下圍巖凍脹對隧道施工的影響，如何控制高原隧道軟弱圍巖的變形以及提高隧道超欠挖的控制水平，直接影響到高原項目隧道施工的安全、質量、進度和效益。本文根據花久公路扎果隧道施工經驗，針對高海拔的圍巖特性，采取相適應的的初支加強、防排水等措施，有效地控制了初支沉降變形，保證了安全質量，提高了施工進度。

【關鍵詞】 高原 凍土 初支加強 防排水

1.工程概況

花久公路扎果隧道位于青海省果洛州久治縣門堂鄉，地處青藏高原東南部，平均海拔4000米以上，為高山峽谷區，人煙稀少，生態環境脆弱。設計為雙向四車道分離式公路隧道，設計時速80km/h，隧道主洞設計建筑限界寬×高為：2×（10.25×5）米。最大埋深為235.5米。其中左線進口淺埋段260m，右線進口淺埋段250m，淺埋段埋深僅為4～45m。

1.1 地形地貌

扎果隧道隧址區水文地質條件復雜，地表少有泉水出露，沖溝發育，隧道兩側均有水量較大的沖溝，且溝底標高均高于隧道拱頂標高。隧道進口地段草沼極發育，地表見有大量的積水坑，水深0.3-0.8米。

1.2 水文地質條件

由于隧道進口地形平緩，第四系松散層中粉粒含量較大，地表徑流、排泄不暢等因素，在該地段形成上層滯水，在后期生物、化學作用下，形成特殊的水草地等特殊巖土，對工程存在不利影響。

1.3 不良地質

隧道進口處高海拔區，冬季多積雪、冰凍天氣，區內降雨量較大。隧道進口為斜坡地帶，覆蓋層較厚，巖體破碎，巖土層富水性較強，在冬季，隧道進口地帶多涎流水現象，對隧道施工影響較大。

隧道進口位于水草地內，水草地主要物質成分以粉粒為主，包含角礫成分，厚度1.0-3.0m不等，松散-稍密狀，含腐殖質成分。下部為沖積、坡積等成因卵石、碎石。該層土受水位、含水層厚度、含水量等影響，凍土上限埋深一般為1.6-2.5m，凍脹性強，對隧道施工影響很大。

2.現場實際水文地質情況及出現的問題

2.1 現場實際水文地質情況

隧道邊仰坡開挖后滲水量大：尤其左洞左側邊仰坡相交處、右洞仰坡面及右側邊仰坡相交處水流呈線狀多股涌出。邊仰坡開挖暴露出圍巖為泥巖夾砂礫，巖體極破碎，多呈散體狀結構，自穩能力極差，邊仰坡經涌水沖刷侵泡后極易坍塌，尤其右洞洞口邊仰坡開挖暴露出圍巖為黑色泥巖，無自穩能力。

在施工過程中洞身暴露出圍巖為碳質泥巖夾強風化砂巖，充填粉土，圍巖節理裂隙極發育，圍巖極破碎，呈散粒狀結構，掌子面自穩性極差。且裂隙水發育，滲水量大，掌子面圍巖經涌水沖刷極易坍塌。其中左線ZK143+462處發生過涌水突泥。洞身初支結構沉降較大，尤其在中下臺階施工時初支結構沉降最大。

2.2 施工中出現的問題

扎果隧道于2013年9月進入洞身施工，在施工中下臺階時初支結構最大日平均變形量達到6cm以上，變形最大點累計變形量達1m以上。隧道沉降收斂較大導致初支結構開裂，噴射混凝土脫落，工字鋼由于無法承受巨大擠壓力導致扭曲變形。嚴重的初支收斂下沉造成初支結構局部已侵入二襯凈空。

2.3 原因分析

扎果隧道左右線進口淺埋段洞身開挖暴露出圍巖為深灰色碳質泥巖夾強風化砂巖，呈散體狀結構，巖層極破碎、軟弱，節理裂隙極發育，節理面成垂直狀，巖體完整性極差，無自穩能力，成洞條件極差。掌子面滲水較大，呈股狀出水。

雨季時（或凍土融化），水量變大，排水困難；凍土融化時，巖土體強度極低，呈流塑狀，成洞極為困難。受反復凍融作用，裂隙張開，強度降低，極易變形產生熱融沉降。

洞身開挖后圍巖暴露遇水有膨脹性，由于圍巖無自穩能力，圍巖應力隨著臨空面的產生不斷釋放，在施工中下臺階及仰拱時，圍巖應力釋放已累積到一定程度并不斷傳遞到初支結構上，隨著初支結構受力的不斷累積，達到受力臨界點而產生突變，鋼架扭曲變形成麻花狀，采用20b工字鋼無法滿足圍巖受力要求。

3.控制措施

3.1 支護加強措施

3.1.1 將超前小導管加密。原設計φ42×4mm超前小導管長3.0m，環向間距30cm，縱向排距180cm。將超前小導管縱向間距加密成120cm。增加超前支護剛度，減少初期支護與超前支護之間巖土厚度，控制開挖支護過程中圍巖掉塊或局部坍塌。

3.1.2 將初期支護型鋼加強。原設計初期支護采用20b工字鋼，間距60cm，C25纖維噴射混凝土厚26cm。將初期支護型鋼加強為I25a工字鋼，間距不變，C25纖維噴射混凝土厚31cm。由于變形原因主要為初支剛度偏弱，無法承受圍巖應力導致鋼架變形而引起整個初支結構收斂下沉。因此增加鋼架剛度及噴射混凝土厚度能增強整個初支結構受力。

3.1.3 將初支型鋼整體連接加強，落腳受力面積增大。將型鋼鋼架拱腳采用I16工字鋼縱向連接，增強初支結構整體受力能力；在型鋼拱腳采用槽鋼墊實，增大型鋼落腳受力面積。控制初支結構下沉。

3.1.4將初期支護鎖腳加強。原設計在型鋼連接每處施工兩根Φ25中空錨桿，長3.5米。將鎖腳改為Φ42×4mm錨管，在型鋼連接每處施工四根，長度不變，并且從型鋼腳兩側加焊鋼構件耳朵中穿過，鎖腳錨管下插角度控制在30～40°，鎖腳錨管與型鋼用“7”型螺紋鋼滿焊連接。這樣能增強鎖腳剛度及受力能力。

3.1.5 在設計基礎上適當加大預留變形量，并且施工中加強監控量測，如果發現初支結構收斂沉降異常，及時在中臺階位置增加臨時仰拱，臨時仰拱采用20b工字鋼，縱向間距0.6m，采用Φ22螺紋鋼縱向連接，并用厚26厘米C25噴射混凝土封閉。這樣能對初支結構臨時封閉成環，讓其成為整體，能較好地控制初支結構變形。

3.1.6 如局部初支結構變形開裂嚴重，應為該初支背后圍巖擠壓初支程度較大，可考慮徑向小導管注漿加固處理。采用Φ42×4mm小導管，長3m，間距0.6×1.0m（縱*環，間距及長度可以根據實際情況調整）。注漿材料一般采用1：1水泥凈漿。

3.2 防排水加強措施

針對高海拔軟弱圍巖，對施工最大影響是滲水。圍巖遇水易變軟；圍巖有水在高寒地區發生凍融作用易導致初支結構下沉。

因此，應加強對圍巖滲水的處理及引排。首先，在初支背后安裝盲管，將圍巖裂隙水引入綜合排水系統。其次如果初支結構出現較大滲水，可以采取徑向小導管注漿止水，一般采用Φ42×4mm小導管，間距及長度可以根據實際情況確定。注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。另外在高海拔環境下，綜合排水系統必須采取保溫措施，橫向排水管采用保溫管，中心排水管埋深必須深于本地區凍土深度，出水口作保溫處理。通過這些堵排水措施將圍巖滲水及時引入綜合排水系統，盡量減少圍巖凍脹作用，降低對隧道結構的影響。

3.3 仰拱、二襯及時跟進

在初支結構變形有效控制的情況下，加快仰拱、二襯的施工，及時封閉成環，保證安全步距。

4.結論與建議

通過上面采取的一系列措施，目前對扎果隧道軟弱圍巖段初支結構的變形控制已經取得了一定的效果，初支結構整體收斂沉降較少（從上臺階施工到仰拱施工完變形累計一般控制在30cm左右，仰拱施工完初支結構一般已經趨于穩定），初支外觀較好。有效地控制了超欠挖，仰拱二襯能有序跟進，保證了安全質量，施工進度也有了較大的提高。

參考文獻：

1.武憼民 汪雙杰 章金釗.多年凍土地區公路工程.人民交通出版社

2.大武至久治公路擴建工程兩階段施工圖設計.青海省公路科研勘測設計院