高地應力軟巖隧道施工中常見病害及處治措施

李 偉，吳憲富

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

1 工程及地質條件概述

連城山隧道位于陜西省漢中市境內，為寶漢高速公路坪坎至漢中（石門）段的控制性工程，雙向六車道，隧道按左右線分離式設計。隧道（右線）全長5812m，屬特長隧道。

隧址位于秦嶺南側，秦嶺中生代末以來全面隆起的褶皺山地，洞口緩坡地段為早期滑坡堆積。地質條件較為復雜，開挖實際揭露為綠泥石云母片巖，含少量方解石、云母及滑石成分，呈薄片狀，風化嚴重，遇水快速崩解，開挖后在流動空氣及水的作用下迅速風化，呈粉末狀。同時掌子面小構造發育，常見的構造類型有揉皺，巖體整體賦存環境差，局部地段地下水較發育，自穩能力極差。巖石的單軸抗壓強度（Rb）和最大水平主應力（SH）的比值Rb/SH 遠小于4，套用《鐵路隧道規范規定》，這種圍巖屬于極高地應力，2016 年11 月19 日被國內知名專家定義為高地應力軟巖的特殊地質條件。

在高地應力軟弱圍巖的特殊地質條件下，高速公路三車道大斷面隧道施工在國內可參考的經驗少之又少，尤其高速公路隧道開挖跨度大，凈高小，為扁平結構，受力結構條件差，更為隧道的施工增加了難度。

2 高地應力軟巖隧道常見病害類型

2.1 初期支護侵限

在高地應力作用下，隧道開挖應力重分布，層狀巖體發生彎曲，引起隧道輪廓側向變形。圍巖產狀為傾斜型，開挖后，巖層傾斜面兩端向內側擠壓，具體表現為頂部拱腰及下部拱腳的內斂變形。

隧道高地應力段第一層初期支護預留變形量1.5m，第二層支護緊貼，上臺階整體施工至180°位置，受力結構改善，左右側下臺階交錯開挖支護，第二層支護緊跟，盡量在最短的時間內完成仰拱施工，使隧道閉合成環，形成更好的承載結構。根據監控量測數據分析，第一層初期支護上臺階變形速率較大，中臺階施工完成后減小，第二層施工完成后進一步減小，至仰拱施工完成，變形得到有效控制，期間在中臺階開挖支護、下臺階開挖支護、仰拱開挖澆筑過程中，變形速率呈臺階式陡增驟降。高地應力軟巖地段具有變形大且持續時間長的特點，初期支護變形難以穩定。

雖然優化開挖工法工藝，加大開挖支護的預留變形量，增強了初期支護強度，加設了大鎖腳鋼管，采取了一系列控制沉降變形的措施，但在高地應力作用下，局部的初期支護變形仍不可控，初期支護最大沉降量達1.92m，最大收斂值0.44m。最終侵入二襯空間，必須對這些部位初期支護進行拆換，否則會嚴重影響施工安全和進度。

2.2 仰拱隆起、開裂

在前期的隧道施工中，對高地應力軟巖隧道的危害性認識不到位、技術儲備不足。受仰拱及仰拱與二襯聯結部位設計支護強度不足、受力結構不理想、仰拱基底承載力不足等因素影響，在高地應力作用下，二襯及初期支護在兩側拱腳位置受到較大的擠壓，原仰拱無法抵抗強大的地應力，造成局部地段仰拱的隆起、開裂、破壞。

2.3 襯砌混凝土開裂、破壞

在復雜特殊的地質條件下，隧道的扁平結構受到來自四周的壓力，混凝土的抗壓能力強，但抗剪強度低，圍巖應力分布復雜，仰拱發生隆起開裂后，約束條件改變，形成再平衡狀態，隧道開挖跨度大，加之地下水的影響，襯砌施作時初期支護的變形未能完成釋放，隨著后期應力的釋放，襯砌無法滿足結構受力要求，造成了襯砌結構破壞，混凝土產生開裂、掉塊、剝落等現象。

3 常見病害的預防及處治施工方案

通過在施工過程中的不斷摸索、總結，探索出了一套較為成熟的病害預防措施及拆換作業施工方案，下面主要從初期支護、仰拱、混凝土襯砌的病害預防及拆換施工方案進行闡述。

3.1 初期支護大變形常用防治措施及初期支護拆換施工方案

（1）初期支護大變形常用防治措施。由于高地應力軟巖大變形隧道的特殊性，極易造成初期支護侵限現象，不得不進行初期支護的拆換，這就造成了極大的成本增加，且延誤工期。如何避免拱架拆換，是高地應力軟巖大變形隧道面臨的一項難題，目前常用的措施主要有以下5 點。①加強監控量測，動態設計，動態施工。將監控量測工作納入隧道施工的重要環節，分析數據，繪制時間—變形量曲線、變形速率—施工工序曲線圖，根據分析結果對預留變形量進行合理預測，及時調整支護參數，做到動態設計，動態施工。②總結經驗教訓，確定合理施工工法、施工工藝。采取三臺階預留大核心土的施工方法，減少對圍巖的擾動頻次，充分保護圍巖，上臺階直接施工至120°位置，受力條件相對較好，中臺階緊跟，上斷面第二層支護快速施工，對減小變形速率意義重大。仰拱、混凝土襯砌及時施作，尤其是仰拱施工完成后，變形速率減小明顯。嚴格控制安全步距，對軟巖隧道施工意義重大。③適當釋放，及時注漿。根據監控量測數據分析，在圍巖變形和圍巖應力得到一定程度釋放后，圍巖產生一定的松弛孔隙，此時及時采取措施，注漿加固巖體，改良圍巖條件，能夠有效控制初期支護變形速率，減小初期支護侵限的概率。④加強支護參數，調整斷面形式。由于高地應力軟巖大變形隧道的特殊性，圍巖自承能力十分有限，要求支護強度必須能夠承受住這份壓力，才能避免受力結構的崩潰。加強支護參數的同時，也要改善受力結構，如優化仰拱曲率，調整鋼支撐弧度等。⑤多措并舉，避免初期支護拆換。增設鎖腳大鋼管，適時施作，及時注漿；適當時機設置臨時支撐，及時控制突發變形；加強拱架聯接構件，使拱架形成整體受力；預制混凝土墊塊，擴大拱腳受力面積，增強拱腳承載能力；增強拱架薄弱部位剛度，確保結構受力安全等，多措并舉，盡量避免初期支護的拆換。

（2）初期支護侵限拆換施工方案。①原初期支護注漿加固。為確保初期支護拆換作業安全，防止破拱過程中產生漏渣、坍塌等事故，改良圍巖，加固巖體，需要對原初期支護背后進行注漿加固，采用Φ50mm 注漿小導管，1.5m×1.5m 梅花型布設，采用單液水泥漿，水泥∶水=1∶0.75，通過注漿壓力及預期注漿效果控制單孔注漿量，注漿完成后，通過探孔對注漿效果進行檢驗，合格后方可進行初期支護拆除作業。②“拆”除初期支護混凝土。采用風鎬配合破碎錘對需拆換部位初期支護混凝土進行破鑿，每循環1 榀，先拆除變形較大一側，然后拆除變形較小一側。逐層破除，鑿除順序為先拱后墻，破鑿至鋼筋網或連接筋時，采用乙炔焊或者電焊機先行切斷鋼筋網及連接筋，避免對相鄰拱架造成破壞，全部切斷后再對剩余噴射混凝土進行破鑿。初期支護拆除完成后進行擴挖作業，合理規劃預留變形量，擴挖至設計斷面后對巖面進行初噴封閉，開始施作新初期支護。③“換”拱作業，重新施作初期支護。安裝第一層H20型鋼拱架，拱腰、拱腳部位打設4.5m 長Φ50mm 注漿小導管，兩側拱腰、拱腳及邊墻部位每節拱架打設2 根。安裝雙層Φ8mm 鋼筋網片，保證縱橫向搭接長度；采用Φ28mm 螺紋鋼做為縱向連接，環向間距1m；及時施作28cm 厚C25 噴射混凝土。鋼架安裝按照先拱后墻的順序進行，拱腳加設C25 預制鋼筋混凝土墊塊，第二層拱架一次性安裝完成，下臺階斜向下45°打設6m 長Ф108×10mm 鎖腳鋼管，并注漿。

3.2 仰拱隆起開裂預防措施及仰拱拆換施工方案

（1）仰拱隆起開裂預防措施。隧道工程受力結構與地質環境密切相關，在高地應力軟巖隧道施工中，因仰拱基底承載力不足，隧道結構受力復雜等原因，仰拱開裂經常發生，以下措施對仰拱隆起開裂的預防有一定的積極作用。①優化仰拱曲率，加強與二襯聯結部位。在大斷面三車道高速公路隧道的設計中，仰拱曲率半徑非常大，但仰拱的設計深度有限，那么在仰拱與二襯結合部位就是一個薄弱環節，在這里出現應力集中，混凝土易產生開裂、破損。在設計中可以將仰拱曲率半徑減小，適當加大仰拱深度，加強聯結部位鋼筋，使仰拱在結構形狀上更有利于承載。②仰拱與仰拱填充一次性澆筑。在連城山隧道仰拱隆起、開裂部位破鑿檢查中，發現仰拱與仰拱填充在在分界位置產生較大的縫隙，仰拱為C30 鋼筋混凝土，仰拱填充為C15 片石混凝土，二者未能形成整體受力結構，且在仰拱與仰拱填充分界位置有地下水滲出，仰拱填充破損嚴重，仰拱鋼筋受壓，在仰拱兩側呈倒“S”形。在設計施工中，可將仰拱及仰拱填充設計為同標號混凝土，一次澆筑成形，增強仰拱的完整性，可以避免這種情況的發生。③仰拱基底改良、加固。軟巖隧道基底承載力較小，存在無法滿足隧道承載的需求的可能，且隧道施工后，地下水重新分布，仰拱基底地下水豐富，對承載結構造成不良影響。在連城山隧道施工中，通過對仰拱及二襯的監控量測數據分析，發現在軟巖段仰拱、二襯過程中存在整體下沉的現象，這就說明隧道基底承載力無法滿足承載需求，這就需要對隧道基底巖層進行改良，增強其承載能力，可以采取隧道基底注漿及鋼管樁等方式進行加固。

（2）仰拱隆起開裂拆換施工方案。仰拱拆換根據圍巖狀況及所處位置不同，分情況分段落進行處理。主要有三種情況，第一種情況為二襯未施工，仰拱開裂隆起，僅拆換仰拱；第二種情況為二襯已施工，仰拱開裂隆起，僅拆換仰拱；第三種情況為二襯仰拱開裂，二襯及仰拱均需拆換。這其中以第二種情況最為復雜，下面就以第二種情況為例，對施工方案進行闡述。為確保施工安全，保證施工進度，連城山隧道仰拱拆除采取分段拆除，兩個作業面間隔平行作業的施工方案，兩個作業部位間距30m 以上。①阻斷帶施工。仰拱拆除采取控制爆破和破碎錘破鑿施工，局部仰拱拆除完成后原受力平衡狀態遭到破壞，必然對相鄰部位仰拱及二襯造成影響。因此，在仰拱拆除前，必須先對仰拱拆換部位兩端進行延伸加固，減小拆換作業對原仰拱的損害。阻斷帶位于仰拱拆換段落兩端，向前延伸15m，采用仰拱基底注漿的方式對原仰拱進行加固，并在仰拱拆換分界位置采用切割機割縫，作為阻斷帶。②二襯底腳基礎加固。仰拱拆除后，原閉合的承載結構遭到破壞，二襯底腳約束條件改變，容易引起二襯的變形開裂。因此，在仰拱拆除前必須對二襯底腳基底進行加固處理，減小仰拱拆除對二襯的影響。二襯底腳基礎加固采用6m 長Ф108×10mm 鋼花管，縱向間距1.5m，注漿加固二襯兩側底腳，加強二襯底腳承載力，穩固二襯。③原仰拱拆除。單側仰拱及仰拱填充破鑿至原仰拱初支拱架，每次破鑿3m，對襯砌鋼筋及原仰拱初支拱架進行切割移除，預留接頭，完成后進行另一側施工。④重新施作仰拱。拆換仰拱初支拱架，在二襯拱腳部位采用連接板與原仰拱初支拱架連接牢固，打設鎖固鋼管，鎖牢鋼架，綁扎仰拱鋼筋，與原仰拱鋼筋有效連接，預埋注漿孔定位管，一次性澆筑C35混凝土。⑤注漿加固仰拱基底。沿預埋的注漿孔定位管打設注漿管，深入仰拱基底，采用單液漿注漿加固仰拱基底。

3.3 二襯開裂預防措施及二襯拆換施工方案

（1）二襯開裂預防措施。二襯混凝土裂縫是隧道工程常見的病害之一，尤其是在高地應力軟巖隧道施工中，較為常見。它的出現不僅會降低二襯混凝土的抗滲能力，影響二襯的使用功能，而且會引起鋼筋銹蝕，混凝土碳化，降低材料耐久性，影響二襯質量，較為嚴重時則需進行拆換，為避免不必要的損失，可以采取以下措施進行預防。①加強混凝土襯砌支護參數。在高地應力軟巖隧道施工中，二襯作為承載結構的一部分而存在。采取增強混凝土標號，調整主筋型號及間距，加大襯砌混凝土厚度等措施加強襯砌混凝土支護參數，在一定程度上可以避免裂縫的產生。②重視監控量測，適時施作二襯。高地應力軟巖隧道施工具有變形大且變形持續時間長的特點，當初期支護的變形趨于穩定，應力釋放基本完成時，適時施作二襯，可以有效避免混凝土襯砌開裂，但在高地應力軟巖施工中往往難以具備上述條件。③二襯底腳基底加固。二襯產生裂縫的原因之一為二襯底腳基地承載力不足，可采取鋼管樁注漿加固的措施來對二襯基底巖層進行改良。④延長拆模時間，及時養護，使混凝土形成強度。延長二襯拆模時間，在二襯混凝土強度足以抵抗應力時再進行拆模作業，及時養護，使混凝土盡快達到設計強度。

（2）二襯拆換施工方案。為確保施工安全，根據設計要求，二襯拆除采用分段拆除方案。二襯拆除前應在局部開裂嚴重段增設I20 型鋼套拱，環向間距1m；并在仰拱填充頂面施工臨時橫向鋼架與套拱連接牢固，采用C20 混凝土澆筑臨時仰拱。同一里程斷面的二襯與仰拱均需要拆除時，先拆二襯換初支，后拆換仰拱，最后施作二襯。①拆除部位兩端加固、隔斷。為減小二襯拆除對周圍二襯的不良影響，采用型鋼拱架對需要拆除段二襯進行套拱加固作業，在二襯拆換部位兩端打設切割眼，減小對保留二襯的損害。②劃界切槽。拆除前應對二襯保留區與拆除區交界處測量劃線，確定切割邊界，在二襯拆除邊界切割20～30cm 的凹槽作為減震槽，避免拆除時對未拆除段結構造成不良影響。③突破口施工。突破口寬度為2m，每一次拆除之前要測量劃線，明確標出拆除范圍，在分界線處用切割機切割，與其它段落分離。拆除時從距分界線1.5m 處，從二襯墻腳開始往上拆除，逐步向拱頂推進，直至對面邊墻墻腳相應位置，最后再對臨界處1.5m 進行仔細拆除。拆除整環二襯砼，深度達到初支表面，不得破壞初支。突破口形成后，然后按次序進行拆除。拆除的方法，采用預裂控制爆破和破碎錘拆除方式進行控制拆除，一般在突破區采用淺眼控制爆破開槽。④襯砌拆除。破鑿混凝土，采用乙炔焊、電焊等對原二襯鋼筋進行切割，根據拆換段落長度對水平僅進行切斷處理，拆除二襯長度首次按2m，后續每段4m 確定，保留初支。⑤初期支護拆換。同初期支護拆換作業施工方案。⑥仰拱拆換。同仰拱拆換施工方案。⑦重新施作混凝土襯砌。初支恢復長度≤12m 且變形速率≤2mm/d，周期≥7d 的情況下及時重新施作二襯，拆換部位二襯按照10～12m 每模施工。

4 結束語

通過以上初期支護、仰拱及拱墻襯砌拆換方案，現場合理施工組織，連城山隧道在確保安全和質量下順利通車。