公路隧道初期支護侵限處理施工技術

盧聯川

山區公路隧道圍巖地質結構復雜，隧道穿越淺埋區、偏壓區、斷層破碎帶、遇水膨脹巖石等不良地質地段時，常常會因為該段地勘資料不準確、隧道施工圖設計的初期支護類型不合理支護強度不夠，造成該段隧道圍巖收斂變形較大，嚴重侵界。本文通過總結公路隧道初期支護侵限處理的工藝技術，對其他公路隧道發生的同類問題處治有一定指導意義。

一、公路隧道初支易發生變形的不良地質概述

（1）隧道洞口松散覆蓋層較多如耕植土，洞口段處于嚴重偏壓，一側臨河或是臨溝壑。

（2）隧道圍巖為含粘土類礦物，有各種粘土巖、頁巖及泥巖。這類巖石的特點是硬度小，具有可塑性，遇水膨脹、軟化和黏結。

少數火山巖如流紋質巖石、凝灰巖、沉凝灰巖等也容易吸水膨脹。

含碳酸鹽類礦物：主要有方解石、白云石、菱鎂礦、菱錳礦等。含這類礦物多的巖石有石灰巖、白云巖和泥質灰巖等，容易水解。

（3）隧道圍巖為角礫土及強風化巖（強風化層巖性軟弱，易出現較大滑層及大面積塌方）；隧道圍巖巖體極破碎、裂隙發育、成塊石與碎石狀鑲嵌結構，層間結合差，基巖裂隙水發育。

（4）隧道穿越斷層破碎帶或隧道洞身所處段落埋深較淺且有沖溝等地表水侵入。

二、主要工藝技術難點

（1）隧道初支變形發生在隧道掌子面開挖后的短時間內，掌子面出現塌方。

隧道開挖完后，立即進行初期支護施工，并布設隧道監控量測點（主要布設拱頂沉降點及水平收斂側線點），進行監控量測工作，分析隧道圍巖收斂情況。如果監控量測測得的數據，隧道拱頂沉降值偏大，沉降速率過大，則極有可能是隧道掌子面圍巖自穩能力較差，很容易出現塌方。此種情況對隧道施工生產安全有很大影響，對變形的初支處治難度較大。

（2）隧道初支變形發生在隧道掌子面開挖與仰拱、二次襯砌步距長度增加后。隧道圍巖收斂變形及初支變形，主要發生在以下隧道施工工序中：

1）隧道掌子面開挖爆破時，炸藥爆炸產生的沖擊波及震波對隧道圍巖二次擾動，造成圍巖沉降、收斂數值突增，隧道掌子面后方已經初支的段落變形量增加。

2）隧道多臺階開挖時，每開挖一層臺階，隧道臨空面增加，則圍巖的豎向應力增加，都會對后方臨近段落的圍巖產生影響，尤其是部分不良地質段落，從而加大了初支的變形量。

3）隧道仰拱開挖時，仰拱對應的初支段落變形量增加。

4）隧道二次襯砌及仰拱到掌子面的距離越長，超過隧道安全步距則初支段落的沉降越大。

隧道施工安全步距一般規定：仰拱距離掌子面的距離要求Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段不大于90m；Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段不大于50m。二次襯砌距離掌子面的距離要求Ⅰ、Ⅱ級圍巖地段不大于200m；Ⅲ級圍巖地段不大于120m；Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段不大于90m。

（3）隧道圍巖處于斷層破碎帶或地表埋深淺、地表水量充沛地段，極易造成初支變形量持續增加，變形曲線很難趨向穩定。

三、主要技術措施

針對隧道現場施工技術瓶頸積極進行了技術攻關與研究，形成了多套成熟配套的技術，為隧道初支變形處治的實施提供了保障。主要綜合應用和形成了以下成熟與配套的技術體系：

隧道掌子面開挖完成后發生塌方，會造成后方初支段落拱架的變形，嚴重時初支拱架直接彎折變形。塌方發生時，首先撤離現場全部人員，等待塌方體堆積至初支未受影響段，通過觀察，塌腔暫時穩定時，停止掌子面的掘進，先處理掌子面處的塌方，后處理初支變形的拱架。

（1）塌方體暫時穩定后，掌子面處進行反壓回填，反壓回填土可進行注漿保證其密實穩固。反壓回填的主要目的是防止隧道塌方體繼續堆積下壓下滑造成安全隱患，危及現場作業人員安全。

（2）根據塌方堆積體判斷塌腔大小，對塌腔采用豎向小導管注漿或是采用大管棚灌注混凝土，在塌腔和隧道掌子面上部范圍形成一個混凝土保護殼（層），混凝土保護殼（層）厚度根據塌腔體積大小來確定，厚度通常為1～2m。該工序確保了塌方處理完后，隧道掌子面繼續開挖施工的安全。

（3）在進行小導管注漿或是大管棚灌注混凝土時，預留塌腔體的吹砂管，后期對塌腔進行吹砂或顆粒材料，在混凝土保護殼外形成緩沖層，確保隧道支護結構的安全。

隧道圍巖處于不良地質段落時，圍巖應力釋放持續時間長，且具有突然大量釋放的特點。使得錨噴支護持續變形，突然開裂。變形嚴重的開裂部位存在鎖腳錨管和錨桿與噴射混凝土出現滑移的現象。裂縫逐步發展，出現初支表面混凝土受環向方向的擠壓而翹起、脫殼、繼而剝離、脫落，露出鋼拱架。隧道掌子面的安全步距距離過長，隧道初支變形加大，此時立刻停止掌子面施工，對初支變形段落進行處治。

隧道圍巖處于斷層破碎帶或地表埋深淺、地表水量充沛地段，初支變形持續增加，此時需要進行該段支護補強處理，并進行換拱處理。

初支變形處治措施：

（1）采用激光斷面儀或全站儀測量掃描初支變形段落的斷面，獲得精確斷面測量數據及圖形，根據數據圖形確定需換拱段落、范圍。對侵入凈空的拱架拆除換拱，并增加預留變形量。

（2）隧道初支變形需處治的段落、范圍確定后，對該段落既有支護及圍巖進行預加固措施。

①對該段圍巖進行環向小導管注漿加固，在既有初支每兩榀拱架中間位置，環向間距0.5～1.0m 范圍內設置φ50 注漿小導管。導管長4.0m，采用1：0.8 水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.8 ～1.2Mpa。

②底部增設I20 工字鋼臨時仰拱，噴射混凝土厚度26cm。

③對應鋼拱架隔榀安裝門形鋼架支撐，鋼架采用I20a工字鋼，與拱架連接處鑿出拱架混凝土保護層，與拱架焊接牢固。換拱前按照隧道實際斷面搭設支撐鋼架，其主要作用是依靠臨時支撐與變形初支建立臨時連接，限制初支劇烈變形，避免壓漿或置換過程中原初期支護拱架失穩，對換拱部位兩側的初支形成保護，維持其穩定

（3）同一部位換拱鑿除混凝土不超過2 榀，并間隔2 榀進行。混凝土鑿除采用人工風鎬進行，不得采用大型設備振動沖擊鑿除，新舊工字鋼采用鋼板幫焊連接。

（4）換拱段設置雙層鋼筋網片，貼近圍巖設置一層，鋼拱架內側設置一層。

（5）新換拱架采用鎖腳錨管且內置螺紋鋼進行加固，長度4.5m，并灌漿加固。

（6）換拱段初支混凝土強度等級C25，摻入鋼纖維3%～6%。

（7）換拱結束后立刻布設監控量測點進行觀測，根據觀測數據分析圖表，初支變形曲線趨于穩定，在仰拱混凝土施做至距離掌子面20m 后，才能恢復隧道掌子面開挖工作。

特殊軟巖地質構造下初支變形出現多次換拱處治的技術措施：

（1）案例

①云南小磨高速公路買賣河1 號隧道小勐養端軟巖地段施工。隧道開挖揭示地質情況為灰質泥巖。經過現場勘察并結合隧道EH4 成果圖確定：該段地質為地表第四系松散覆蓋層，隧道圍巖地質為褐色泥巖，層理發育，薄片狀，遇水及空氣發生膨脹崩解。開挖過程中未見明顯塌方，但支護完成后，明顯可見拱架一側發生鼓包，通過監控量測實測最大沉降速率為23.5mm/d，最大收斂速率為63.3mm/d（連續5 天平均速率），累計最大沉降量為451mm，累計最大收斂量為655mm。

②上述公路隧道的軟巖段，在經過第一次換拱施工后，通過監控量測觀測到初支變形趨于穩定，但是隨著隧道圍巖掌子面開挖、上下臺階開挖、仰拱開挖都會突然加劇初支變形量，造成需要二次換拱，極大的增加了施工難度和施工成本。

（2）針對特殊軟巖地質構造的隧道，尤其是泥巖裂隙水豐富的隧道圍巖，通過監控量測和地質素描判斷為特殊軟巖段時，應立即停止掌子面開挖，及時開挖仰拱進行支護并澆筑混凝土，盡早讓隧道初支閉合成環。仰拱混凝土至隧道掌子面的步距調整到10m 以內，減少開挖對圍巖的多次擾動。及時澆筑二次襯砌，確保圍巖結構穩定。

（3）在對特殊軟巖地質構造的段落進行第一次換拱時，圍巖加固采用自進式注漿錨桿，錨桿長度不小于6m。新更換拱架采用上下雙層鋼拱架結構，底部增加槽鋼托梁，采用鎖腳錨管加U 型卡加固鋼拱架。噴射混凝土采用鋼纖維砼。

（4）換拱完畢，初支變形處治結束，二次襯砌及時施做。盡可能的減少二次襯砌、仰拱與隧道掌子面的步距，這樣才能確保隧道特殊軟巖地質段落開挖時，對已支護段落初支影響最小避免多次換拱。

四、結語

（1）隧道施工時應該依據“新奧法”原理，嚴格按照“超前探測、超前支護、短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強支護、勤量測”的工藝要求進行施工，確保圍巖穩定，杜絕圍巖塌方等大事故造成損失，安全通過不良地質段。

（2）施工時，加強監控量測工作，提供真實、可靠、準確的監控量測數據，通過現場量測掌握圍巖和支護的變化參數，加強動態管理，以指導施工作業。增設專職安全人員，做好洞內外沉降及變形觀察記錄，發現安全隱患，立即匯報，采取應急措施，確保整個施工階段安全生產。