淺談赤坭佈隧道初支下沉開裂原因及處理措施

鄭登德

（南平高速建設有限公司,福建 南平 354300）

0 引言

隧道地質復雜多變，施工會造成隧道內周圍巖體應力重新分布，導致圍巖自穩性差，容易產生拱頂下沉、塌方、周邊位移、冒頂等各種現象。造成這些現象的原因多種多樣，有地質上突發的因素，也有施工不當的因素，但歸根到底，地質因素是決定性的。該文就赤坭佈隧道初支下沉開裂的原因進行分析并提出有效的處理措施，避免后續隧道施工發生類似變形。

1 工程概況

赤坭佈隧道全長746.5 m，左右洞呈分離式布置：左洞全長778 m，起止樁號為ZK11+539～ZK12+317；右洞全長715 m，起止樁號為YK11+595～YK12+310。隧道左、右洞進出口及洞身均處在曲線上，隧道縱坡-2.5%。洞身圍巖級別以Ⅳ級為主，進、出口段及構造帶圍巖級別為Ⅴ級。

隧址區屬構造剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，沿線地形呈波狀起伏，山脊（頂）渾圓，進口側山坡自然坡度約15 °～20 °，出口側山坡自然坡度約40 °～50 °。除隧道進口洞底標高下發育一處小型土質崩塌及出口洞頂發育碎石土外，無其他不良地質作用，隧址區現狀整體較穩定。隧址區地下水主要為進出口段風化帶網狀孔隙裂隙水及斷層構造裂隙水。進口圍巖為坡積黏性土層及全—強風化云母石英片巖，巖體極破碎、自穩能力差、易坍塌，處理不當會出現大坍塌，側壁常發生小坍塌。

2 初支下沉開裂現場情況

該項目隧道由出洞口往進口方向掘進，在右洞YK11+680 掌子面作業施工中，發現已施工的初支明顯下沉，初支噴射混凝土出現開裂現象，前方掌子面有部分土體塌方。現場立即停止掌子面及初支噴射混凝土的施工，人員、設備立即撤離，初支變形后在安全距離設置安全警戒線。對下沉段地表進行巡視，未發現明顯開裂及地表沉降，確保人員安全情況下，對已施工初支的拱頂、拱腰設置加密位移監測點。經過多日的現場監控量測數據顯示，初支下沉已趨于穩定。YK11+695～YK11+675 段初支出現多條扇形狀裂縫，部分伴隨著下沉開裂，裂縫最長約20.9 m、最寬約9.7 cm，拱頂最大下沉量約為13 cm，拱腰最大收斂量約為37 cm，二襯侵限情況為5～31 cm。YK11+730～YK11+695 段初支無明顯裂縫和下沉變形，二襯侵限情況為0～5 cm。

3 初支下沉開裂主要原因

3.1 勘察設計原因

地質圍巖非常復雜，設計單位在隧道勘察的過程中，地質鉆孔密度不到位，對于樁號YK11+680 處巖土類別、圍巖級別判定不準確，導致勘察地質資料存在誤差。勘察設計的Ⅳ級圍巖實際上已變化為Ⅴ級圍巖，導致超前支護與設計初支的受力參數不能承受Ⅴ級圍巖的所釋放的應力，造成超前支護與初支的整體結構未能發揮出支撐圍巖變形能力。

3.2 地質原因

樁號YK11+680 呈現以強—全風化云母石英片巖和坡積黏性土為主的地質現象。坡積黏性土層及全—強風化云母石英片巖，圍巖巖質較軟，巖體極破碎，呈碎裂狀結構，層間結合差，節理間隙發育，裂隙水較豐富圍巖整體穩定性差，易坍塌，處理不當會出現大坍塌，側壁常發生小坍塌。這種地質對初支的釋放應力不均勻，造成初支受力不平衡，容易出現初支下沉開裂現象。

3.3 施工原因

（1）在赤坭佈隧道施工的過程中，超前地質預報工作不到位，未能及時提供地質素描情況；對于地質狀況變化認識不足，未能及時向業主及設計單位反映地質變化；仍按設計提供的無仰拱Z4 型復合支護形式和F3 型超前錨桿支護進行施工，導致初支受力體系無法承受巖體所釋放應力。

（2）從現場檢查發現，鋼支撐拱腳的鎖腳砂漿錨桿與鋼支撐焊接處明顯斷裂、錨桿偏移、鋼支撐的拱腳接頭板與巖體貼合不緊密。原因：一是鎖腳砂漿錨桿與鋼支撐焊接未按規范要求焊接。二是Z4 型復合支護形式為無仰拱，鋼支撐未能封閉成環。鋼支撐的拱腳部位是初支的受力最關鍵點和最薄弱的施工點，容易造成鋼支撐不能有效地支撐在巖體上，形成有效的受力體系。無仰拱且拱腳接頭板與巖體貼合不緊密，使得鋼支撐與仰拱沒能形成一個有效受力支撐體系，初支承受圍巖應力大大減弱，未能有效地抑制初支下沉。

（3）在施工過程中，爆破容易造成隧道超欠挖現象，開挖輪廓線表面變得極不平整，出現應力分布不均勻，特別是在凹凸處形成局部應力高度集中點。超欠挖引起的圍巖應力集中，往往超過允許值，甚至可達初始應力值的幾倍乃至十幾倍，初支的支撐難以承受圍巖所釋放的應力，造成隧道初支被破壞。鋼支撐背后的初支噴射混凝土噴射有間隙，以及超前砂漿錨桿不夠飽滿等，造成初支與巖體形成一些空隙和空洞，巖體形成自由面，導致圍巖失穩。

3.4 雨季因素

樁號YK11+695～YK11+675 段的巖體極破碎，遇水易軟化、崩解，圍巖整體穩定性差、力學強度低，加之正處于雨季施工，連日大雨，上方山體土體儲水飽和，巖體自重增大，初支所受的圍巖應力增大，導致初支產生下沉與開裂。

3.5 其他因素

由于圍巖級別Ⅳ級將要變化為Ⅴ級階段，施工中未加強超前地質預報工作，未及時提出預警；作為隧道支護結構之一的二襯，在實際施工過程中未能及時跟進。

4 處理措施

4.1 下沉開裂段處理（YK11+695～YK11+675）

（1）在洞身塌方體上方地表影響區設置觀測點，嚴密觀測地表，根據觀測點提供的連續幾天觀測資料，地表無水平和豎向位移、裂縫、冒頂現象，洞身塌方體上方地表無需進行加固處理。

（2）洞內塌方段掌子面先進行臨時反壓回填處理，回填體和掌子面表面采用厚30 cm 的C25 早強混凝土進行噴射封閉[1]。在塌方體表面梅花形布設Φ50×5 mm 小導管，間距為100 cm×100 cm，每根長度為6 m，同時注入C30 水泥漿或雙液注漿形成一個固結的灌漿層（當后續對每一循環的塌方體進行開挖時，均采用此方式處理，前后兩循環縱向水平搭接長度應大2 m）[1]。根據現場實際滲水量情況，在塌方體噴射混凝土上設置多個平孔排水。經過漿液的無規則穿透，塌方體從松散狀態形成膠結狀態，固結堵死塌方體范圍內的裂隙。從根本上達到控制塌方體裂隙的擴展，提高掌子面圍巖整體承載強度，確保塌方體的穩定。

（3）對塌方體附近圍巖采用超前管棚探孔和超前地質探測技術，探明塌方體上方圍巖的空腔大小和位置走向[1]。在塌方體后方圍巖適當位置，向塌方體空腔內打入兩根Φ108×6 mm 鋼花管（根據現場實際情況確定鋼花管應深入到塌腔體內部的具體位置和長度），然后采用C25 泵送混凝土對空腔部位進行壓漿回填。伸入空腔內的兩根鋼管，一根用作泵送混凝土，另一根伸入高處用作排出空腔內的空氣，直至高處管出現混凝土為止。若塌腔高度小于6 m，塌腔內部應全部填充；若塌腔填充高度大于6 m，塌腔填充高度應高于洞身開挖線以外6 m。

（4）強化塌方段落的超前支護，超前支護采用雙層小導管超前注漿預支護。待塌方體空腔中混凝土穩固后，從塌腔邊緣后退3.5 m 開始施作預支護，在拱頂150 °范圍內打設雙層超前Φ50×5 mm 小導管，小導管設置在鋼支撐上方，鋼管與襯砌中線平行，上下兩層錯開布置，上層超前小導管以10 °～20 °、下層超前小導管以5 °～10 °仰角打入拱部圍巖，每根長度為6 m，環向間距為40 cm×20 cm，縱向間距為3 m，前后兩環縱向水平搭接長度不小于1.5 m。同時注入C30 水泥漿或雙液注漿形成一個新的圍巖體，與初支共同形成一個強大的支撐體系。

（5）該段初支變形（二襯侵限）為5～31 cm，應對該段的鋼支撐逐榀置換。置換鋼支撐前，先采用徑向Φ50×5 mm 小導管注漿對巖體加固，小導管長為6 m，間距80 cm×80 cm（梅花形布置、橫斷面加固范圍為拱頂以下150 °）。待小導管注漿達到設計強度后，鑿除附著在原變形鋼支撐的噴射混凝土，鋼支撐遵循隔榀和先上后下的原則一次拆除。置換的鋼支撐必須保證初支及二襯達到原設計厚度，同時將原二襯的環向鋼筋Φ16 調整為Φ25，二襯C30 防水混凝土調整為C40 防水混凝土，增加二襯結構的強度。

4.2 下沉開裂影響段處理（YK11+730～YK11+695）

（1）在洞內圍巖及塌方體后方每5 m 設置監1 個測點，加強觀測已施工的初支下沉開裂情況，對每個監測點的數據進行整理分析[2]，以便對圍巖及初支的下沉開裂情況進行判斷，確定影響段是否采取加固措施。

（2）根據現場監測數據反映，洞內塌方體后方已施工段（YK11+730～YK11+695）的初支變形（二襯侵限）小于5 cm。只需對塌方體后方徑向打入梅花形Φ50×5 mm小導管（間距100 cm×100 cm、長6 m、橫斷面加固范圍為拱頂以下150 °），同時注漿補強加固。待小導管注漿達到設計強度后，再次觀測洞內圍巖及塌方體后方已施工的初支變形情況，若該段初支無變形（二襯無侵限），立即施工二襯結構，同時將二襯（原Z5-1 型）的環向鋼筋Φ16 調整為Φ25，二襯C30 防水混凝土調整為C40 防水混凝土，增加二襯結構的強度。若該段初支仍有變形（二襯無侵限），加密Φ50×5 mm 小導管注漿補強。

4.3 洞身開挖

（1）嚴格按照CD 法開挖塌方段落，采用小型機械及人工輔助開挖，嚴禁爆破，一側導坑上臺階先開挖至超過塌方段落。開挖前，嚴格把控超前小導管施工質量關，確保圍巖整體穩定。當對塌方處掘進時，嚴格按照短進尺強支護方式，每挖一榀鋼支撐間距的圍巖，立即架設一榀鋼支撐，同時噴射混凝土至設計厚度，導坑的初支、中隔壁墻及臨時仰拱盡快形成閉合圈，然后視側壁穩定情況決定是否對側壁再進行加固。塌方影響區的鋼支撐拱腳處由鎖腳砂漿錨桿調整為鎖腳注漿小導管，同時鎖緊固定拱腳，鋼支撐拱腳完全支撐在堅實的基礎上。

（2）根據監控量測數據，確定側壁穩定后才能開挖導坑下臺階（含臨時仰拱）。同理開挖另一側導坑，中隔壁臨時支護拆除時間的判定以拱頂下沉和凈空收斂為依據，一次性拆除長度應根據量測數據謹慎確定。

5 預防措施

針對該地質下的初支下沉開裂現象，嚴格按照新奧法施工原理，采用超前地質預測、探測等多種手段，超前探明地質、滲水情況。按照“勤監測、管超前、預注漿、短開挖、弱爆破、強支護、早成環、緊襯砌”的原則組織施工，貫徹“光面爆破是基礎，噴錨支護保安全，圍巖量測明情況，仰拱先行快封閉，襯砌質量樹形象”的工作思路[3]。

（1）以監控測量和超前地質預測（地震調查、物理勘探、超前水平鉆探、地質雷達、超前導洞等[3]）等多種手段，掌握掌子面前方圍巖地質和支護的動態信息并及時反饋和指導施工作業。每一開挖循環應對掌子面進行地質描述，對于出現異常以及地質復雜的地段，如破碎帶和節理裂隙密集帶等地段，前后50 m 可采用超前水平鉆探孔、超前平行導洞、隧道內超前導洞等措施相結合，開展多層次、多手段的綜合超前地質預報，以探明掌子面前方地質，及時作出地質預警。根據超前地質預測預報、監控測量等反饋信息對地質情況進行分析，當地質條件與設計不符或出現異常時，立即對隧道的開挖方式、結構支護體系等進行調整和優化設計，確保隧道工程的施工安全。

（2）隧道開挖前，超前管棚及注漿小導管等超前預支護，嚴格按照設計長度、搭接長度、環向間距、外插角等要求進行鉆孔注漿，并與拱架結合形成棚架式受力結構，壓漿以壓力值作為主控，注漿量校核，確保有效的擴散半徑。對開挖輪廓周圍的巖層進行固結，達到穩定圍巖安全的效果。

（3）這類地層的開挖，應減少對圍巖的擾動，一般采取先護后挖、密閉支撐、邊挖邊封閉的施工原則，堅持求“穩”的原則。應嚴格按照“勤量測、管超前、嚴注漿、短開挖、弱爆破、強支護、早成環”的原則組織施工[3]，確保隧道不塌方。

該地質的Ⅴ級圍巖開挖循環進尺，應結合鋼支撐間距來確定，每循環開挖長度不得大于一品鋼支撐間距。采用靜態爆破作業或人工與機械配合開挖方式減少對圍巖的擾動，盡可能減少超欠挖對圍巖的擾動和破壞。

（4）隧道開挖后必須及時進行初支，圍巖暴露時間不得過長，堅持“隨挖隨支護和先噴后錨”的原則[3]，盡快封閉圍巖，控制圍巖的初支變形。初支至掌子面的間距最大不得超過4 m，如遇特殊地質，要求支護緊跟掌子面。

鋼支撐架立時不得置于虛碴或活動石上，不得懸空，必須位于堅實的基礎上，軟弱圍巖地段基底必須作提高承載力處理。錨桿支護的孔深、間距、方位、焊接必須到設計要求，注漿要飽滿，錨桿與墊板應保持垂直并與噴射混凝土充分接觸，墊板之間螺母務必擰緊。為了避免因洞身開挖造成鋼支撐懸空和支護結構失穩，對鋼支撐擴大拱腳處理（如增設鎖腳砂漿錨桿、鎖腳注漿小導管或在拱腳增設立鋼肋支撐）。噴射混凝土前，必須清除危石及松動石塊，初噴混凝土必須達到設計厚度。

6 總結

該文通過塌方體回填及封閉、塌腔注漿回填、超前注漿預支護、鋼支撐置換、增加二襯結構的強度等綜合處治措施，有效控制了隧道初支下沉開裂，確保隧道后續施工的順利推進。處治措施雖然能解決隧道初支下沉開裂問題，但終歸屬于補救措施，實際施工必須以預防為主要控制目標，通過及時反饋監控測量和超前地質預測、嚴格落實超前預支護、控制好洞身開挖及初支的施工質量等措施預防隧道的初支下沉開裂，真正做到防患于未然。