隧道初支變形的成因分析及應對策略探討

劉昌相

中鐵三局集團廣東建設工程有限公司 廣東 廣州 510080

1 隧道初支變形的成因分析

1.1 地質水文方面

（1）當待建隧道通過斷層破碎帶和壓碎巖的應力集中區域時，在進行隧道開挖的過程中會導致應力釋放而對初支造成影響，如若圍巖應力超過初支阻力就會造成初支變形。

（2）地層堆積體因其質地疏松，當隧道洞口穿過時，開挖施工將會大概率導致結構主體發生松動移位，從而影響隧道初支的穩定性，嚴重的還會造成支護結構變形及拱頂下沉等。

（3）由于破碎帶區域有較多的軟硬夾層，所以經常會有泥質物填充，該地段在遇到地下水時，便會造成軟硬夾層相交處硬度快速下降，導致節理面位移使得隧道初支發生變形。

（4）隧道開挖施工方向如遇地下水，則在開挖施工時極易出現涌水問題。且富水地質條件下，軟巖軟化概率大大增加，從而造成施工作業面出現整體失穩，影響隧道初支結構的穩定性。

（5）在軟巖區域含有較多的地下水，該區域隧道初支結構的拱腳長期處于潮濕地段，使得拱腳支撐力大幅度減小，久而久之就會引發初支結構變形。

1.2 勘察設計方面

（1）施工前的地質勘查不到位、不嚴謹，就會造成后續的支護參數和措施的制定與真實變形圍巖狀態不相符，進而造成支護結構不牢固或產生較大變形。

（2）隧道開挖過程中的勘察缺失，而圍巖應力一直處于變化階段，且局部位置圍巖應力還會出現大幅上升或下降的狀態，以致原始初支參數不能滿足應力變化的要求，盡管前期支護較為牢固但隨著應力變化后期會慢慢失穩變形。

（3）開挖時爆破參數設計欠妥，以致開挖時出現欠挖或超挖，且因欠挖或超挖造成圍巖應力集中而超出安全值，并于個別凹凸區域因應力集中而產生薄弱環節，從而引發隧道初支變形。

1.3 作業施工方面

（1）隧道開挖施工中，未全面考量炭質板巖和碎質巖等地質狀態，以及斷層破碎帶對初支結構的影響，以致對風險預防不夠，一旦出現圍巖變形或失穩就會造成初支侵限而影響后續二襯作業。

（2）因隧道塌陷或超挖等原因致使需支撐的鋼架大小與實際大小不匹配，鋼架支撐無法與圍巖緊密接觸，不符合原支護方案要求，致使支護剛度不夠。

（3）拱圈襯砌施工中，因對圍巖變形的累積效應考慮不周，使得后續隧道施工變形超出預期，若變形速率太快而未在規定時間內完成襯砌，就會出現因襯砌不及時而造成的初支變形。

（4）施工中地下水處理不當，使得初支結構與掌子面滲漏水，影響拱腳的牢固度，減弱了地基承載性，引起結構變形。

2 隧道初支變形的應對策略

2.1 預防措施

①做好超前小導管注漿、徑向錨桿支護以及鎖腳錨桿支護等的質量控制，注漿期間嚴格按照規定操作，保證注漿充分密實，以充分發揮圍巖穩定性及初支結構的支護作用。②對軟巖及強風化圍巖應提前做好支護處理，減少暴露時間，滿足穩固性要求；另外，該地段開挖所用設備應盡量減少擾動，或選擇人工開挖施工。③嚴格依照監控量測、超前地質預報等規范標準，開展相應的施工及管理。④做好實時監測，監測單元為2m一個斷面，地表斷面為5m一個斷面。

2.2 技術措施

（1）對于地質條件較差的地段，可在初支過程中對圍巖外圍進行加固，并通過向內部注漿予以整體加固，使漿液充滿破碎帶形成統一整體，以降低圍巖受壓時的變形及外部水對襯砌結構的危害，增加巖體的整體性和強度，再配合噴錨支護使圍巖地應力趨于穩定。

（2）參考相關規范標準，正常地質條件變形量預留為施工圖預留變形量+5cm；圍巖變形地段變形量預留，須將施工預留變形量作為依據，結合實際予以計算，并在預留變形量+5cm偏差的前提下再增加5㎝的留足系數。當在圍巖變形區域施工滯后或者工序調整時，則須依照初始規范增加系數1.2～1.5預留，并結合實際做好動態監測與調整。

（3）在前期設計階段，施工方須根據真實地質狀態與設計方配合對初始設計系數做好調整；在施工階段應完善各項預案，提早完成初支加固，例如在發現某區段地質比原來的勘查狀態差時，可以降低拱架相互間的距離或對聯結鋼筋進行加密處理。

（4）當初支結構發生變形，可在進行緊急修復且使支護結構趨于穩定后，進行換拱來增加支護結構的穩固性。換拱須按照“少裝藥、弱爆破、逐榀更換、隨換隨測”的要求進行。為達到拆換鋼架后初支牢固，可采取如下措施：一是通過機器與人力協作鑿除初期支護，嚴禁選擇爆破鑿除；二是先立后拆，完成小導管施工后才能繼續實施全環拆除換拱；三是若初支發生較大變形，超出允許的規定偏差，應在垂直方向自上到下進行拆換，嚴禁圍巖長時間暴露，完成鑿除后馬上噴射砼，然后搭設鋼拱架支護，掛網噴射砼，同時，槽壁也應噴射5～8cm厚度的砼，以有效防止因圍巖暴露而造成滑塌情況。

2.3 施工措施

（1）為避免初支結構在空氣中暴露太久而產生變形，須在分臺階施工中的臺階尺寸減小，特別是在地下水充足的區域應調整方案為三臺階七步開挖。通過方案調整取消了上臺階的鉆孔臺架，最大程度縮短了長短臺階轉換時間間隙，進而避免了初支暴露太久而產生的變形問題。

（2）嚴格控制施工步距，并加強對隧道圍巖的測量任務。即施工中應緊抓如下三點：緊抓仰拱封閉到位、確保襯砌施工緊密結合、抓好圍巖監測任務落實，從而保證隧道開挖的順利進行，促使初支結構在規定的時間內牢固穩定。

（3）做好富水地段的排水工作，防止浸泡太久導致的結構變形。開挖掌子面可采用6m超前探孔，提前對作業面的地下水進行監測引排，防止施工中突發涌水情況。如施工中遇到地下水較多，須在前期施工集水井做好降水、排水，以免初支結構浸泡而失穩。

3 結束語

為盡可能減少因初支變形而導致的質量問題，應細致、全面分析致使初支變形的多方成因，并結合項目實際，切實采取一系列初支變形的有效把控舉措，進而為隧道工程的保質、保量、按時完成奠定基礎。