鄭登德

（南平高速建設(shè)有限公司,福建 南平 354300）

0 引言

隧道地質(zhì)復(fù)雜多變，施工會(huì)造成隧道內(nèi)周圍巖體應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)性差，容易產(chǎn)生拱頂下沉、塌方、周邊位移、冒頂?shù)雀鞣N現(xiàn)象。造成這些現(xiàn)象的原因多種多樣，有地質(zhì)上突發(fā)的因素，也有施工不當(dāng)?shù)囊蛩兀珰w根到底，地質(zhì)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(jìn)行分析并提出有效的處理措施，避免后續(xù)隧道施工發(fā)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(hào)為ZK11+539～ZK12+317；右洞全長715 m，起止樁號(hào)為YK11+595～YK12+310。隧道左、右洞進(jìn)出口及洞身均處在曲線上，隧道縱坡-2.5%。洞身圍巖級(jí)別以Ⅳ級(jí)為主，進(jìn)、出口段及構(gòu)造帶圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

隧址區(qū)屬構(gòu)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(jìn)口側(cè)山坡自然坡度約15 °～20 °，出口側(cè)山坡自然坡度約40 °～50 °。除隧道進(jìn)口洞底標(biāo)高下發(fā)育一處小型土質(zhì)崩塌及出口洞頂發(fā)育碎石土外，無其他不良地質(zhì)作用，隧址區(qū)現(xiàn)狀整體較穩(wěn)定。隧址區(qū)地下水主要為進(jìn)出口段風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水及斷層構(gòu)造裂隙水。進(jìn)口圍巖為坡積黏性土層及全—強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖，巖體極破碎、自穩(wěn)能力差、易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁常發(fā)生小坍塌。

2 初支下沉開裂現(xiàn)場情況

該項(xiàng)目隧道由出洞口往進(jìn)口方向掘進(jìn)，在右洞YK11+680 掌子面作業(yè)施工中，發(fā)現(xiàn)已施工的初支明顯下沉，初支噴射混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，前方掌子面有部分土體塌方。現(xiàn)場立即停止掌子面及初支噴射混凝土的施工，人員、設(shè)備立即撤離，初支變形后在安全距離設(shè)置安全警戒線。對下沉段地表進(jìn)行巡視，未發(fā)現(xiàn)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(shè)置加密位移監(jiān)測點(diǎn)。經(jīng)過多日的現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，初支下沉已趨于穩(wěn)定。YK11+695～YK11+675 段初支出現(xiàn)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(shè)計(jì)原因

地質(zhì)圍巖非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)單位在隧道勘察的過程中，地質(zhì)鉆孔密度不到位，對于樁號(hào)YK11+680 處巖土類別、圍巖級(jí)別判定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致勘察地質(zhì)資料存在誤差。勘察設(shè)計(jì)的Ⅳ級(jí)圍巖實(shí)際上已變化為Ⅴ級(jí)圍巖，導(dǎo)致超前支護(hù)與設(shè)計(jì)初支的受力參數(shù)不能承受Ⅴ級(jí)圍巖的所釋放的應(yīng)力，造成超前支護(hù)與初支的整體結(jié)構(gòu)未能發(fā)揮出支撐圍巖變形能力。

3.2 地質(zhì)原因

樁號(hào)YK11+680 呈現(xiàn)以強(qiáng)—全風(fēng)化云母石英片巖和坡積黏性土為主的地質(zhì)現(xiàn)象。坡積黏性土層及全—強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖，圍巖巖質(zhì)較軟，巖體極破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合差，節(jié)理間隙發(fā)育，裂隙水較豐富圍巖整體穩(wěn)定性差，易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁常發(fā)生小坍塌。這種地質(zhì)對初支的釋放應(yīng)力不均勻，造成初支受力不平衡，容易出現(xiàn)初支下沉開裂現(xiàn)象。

3.3 施工原因

（1）在赤坭佈隧道施工的過程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作不到位，未能及時(shí)提供地質(zhì)素描情況；對于地質(zhì)狀況變化認(rèn)識(shí)不足，未能及時(shí)向業(yè)主及設(shè)計(jì)單位反映地質(zhì)變化；仍按設(shè)計(jì)提供的無仰拱Z4 型復(fù)合支護(hù)形式和F3 型超前錨桿支護(hù)進(jìn)行施工，導(dǎo)致初支受力體系無法承受巖體所釋放應(yīng)力。

（2）從現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，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(guī)范要求焊接。二是Z4 型復(fù)合支護(hù)形式為無仰拱，鋼支撐未能封閉成環(huán)。鋼支撐的拱腳部位是初支的受力最關(guān)鍵點(diǎn)和最薄弱的施工點(diǎn)，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(gè)有效受力支撐體系，初支承受圍巖應(yīng)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(xiàn)象，開挖輪廓線表面變得極不平整，出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻，特別是在凹凸處形成局部應(yīng)力高度集中點(diǎn)。超欠挖引起的圍巖應(yīng)力集中，往往超過允許值，甚至可達(dá)初始應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

3.4 雨季因素

樁號(hào)YK11+695～YK11+675 段的巖體極破碎，遇水易軟化、崩解，圍巖整體穩(wěn)定性差、力學(xué)強(qiáng)度低，加之正處于雨季施工，連日大雨，上方山體土體儲(chǔ)水飽和，巖體自重增大，初支所受的圍巖應(yīng)力增大，導(dǎo)致初支產(chǎn)生下沉與開裂。

3.5 其他因素

由于圍巖級(jí)別Ⅳ級(jí)將要變化為Ⅴ級(jí)階段，施工中未加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，未及時(shí)提出預(yù)警；作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之一的二襯，在實(shí)際施工過程中未能及時(shí)跟進(jìn)。

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(qū)設(shè)置觀測點(diǎn)，嚴(yán)密觀測地表，根據(jù)觀測點(diǎn)提供的連續(xù)幾天觀測資料，地表無水平和豎向位移、裂縫、冒頂現(xiàn)象，洞身塌方體上方地表無需進(jìn)行加固處理。

（2）洞內(nèi)塌方段掌子面先進(jìn)行臨時(shí)反壓回填處理，回填體和掌子面表面采用厚30 cm 的C25 早強(qiáng)混凝土進(jìn)行噴射封閉[1]。在塌方體表面梅花形布設(shè)Φ50×5 mm 小導(dǎo)管，間距為100 cm×100 cm，每根長度為6 m，同時(shí)注入C30 水泥漿或雙液注漿形成一個(gè)固結(jié)的灌漿層（當(dāng)后續(xù)對每一循環(huán)的塌方體進(jìn)行開挖時(shí)，均采用此方式處理，前后兩循環(huán)縱向水平搭接長度應(yīng)大2 m）[1]。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際滲水量情況，在塌方體噴射混凝土上設(shè)置多個(gè)平孔排水。經(jīng)過漿液的無規(guī)則穿透，塌方體從松散狀態(tài)形成膠結(jié)狀態(tài)，固結(jié)堵死塌方體范圍內(nèi)的裂隙。從根本上達(dá)到控制塌方體裂隙的擴(kuò)展，提高掌子面圍巖整體承載強(qiáng)度，確保塌方體的穩(wěn)定。

（3）對塌方體附近圍巖采用超前管棚探孔和超前地質(zhì)探測技術(shù)，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(dāng)位置，向塌方體空腔內(nèi)打入兩根Φ108×6 mm 鋼花管（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定鋼花管應(yīng)深入到塌腔體內(nèi)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(jìn)行壓漿回填。伸入空腔內(nèi)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(nèi)的空氣，直至高處管出現(xiàn)混凝土為止。若塌腔高度小于6 m，塌腔內(nèi)部應(yīng)全部填充；若塌腔填充高度大于6 m，塌腔填充高度應(yīng)高于洞身開挖線以外6 m。

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

（5）該段初支變形（二襯侵限）為5～31 cm，應(yīng)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(dǎo)管注漿對巖體加固，小導(dǎo)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(dǎo)管注漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(dá)到原設(shè)計(jì)厚度，同時(shí)將原二襯的環(huán)向鋼筋Φ16 調(diào)整為Φ25，二襯C30 防水混凝土調(diào)整為C40 防水混凝土，增加二襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

4.2 下沉開裂影響段處理（YK11+730～YK11+695）

（1）在洞內(nèi)圍巖及塌方體后方每5 m 設(shè)置監(jiān)1 個(gè)測點(diǎn)，加強(qiáng)觀測已施工的初支下沉開裂情況，對每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析[2]，以便對圍巖及初支的下沉開裂情況進(jìn)行判斷，確定影響段是否采取加固措施。

（2）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，洞內(nèi)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(dǎo)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(shí)注漿補(bǔ)強(qiáng)加固。待小導(dǎo)管注漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再次觀測洞內(nèi)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(jié)構(gòu)，同時(shí)將二襯（原Z5-1 型）的環(huán)向鋼筋Φ16 調(diào)整為Φ25，二襯C30 防水混凝土調(diào)整為C40 防水混凝土，增加二襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。若該段初支仍有變形（二襯無侵限），加密Φ50×5 mm 小導(dǎo)管注漿補(bǔ)強(qiáng)。

4.3 洞身開挖

（1）嚴(yán)格按照CD 法開挖塌方段落，采用小型機(jī)械及人工輔助開挖，嚴(yán)禁爆破，一側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階先開挖至超過塌方段落。開挖前，嚴(yán)格把控超前小導(dǎo)管施工質(zhì)量關(guān)，確保圍巖整體穩(wěn)定。當(dāng)對塌方處掘進(jìn)時(shí)，嚴(yán)格按照短進(jìn)尺強(qiáng)支護(hù)方式，每挖一榀鋼支撐間距的圍巖，立即架設(shè)一榀鋼支撐，同時(shí)噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度，導(dǎo)坑的初支、中隔壁墻及臨時(shí)仰拱盡快形成閉合圈，然后視側(cè)壁穩(wěn)定情況決定是否對側(cè)壁再進(jìn)行加固。塌方影響區(qū)的鋼支撐拱腳處由鎖腳砂漿錨桿調(diào)整為鎖腳注漿小導(dǎo)管，同時(shí)鎖緊固定拱腳，鋼支撐拱腳完全支撐在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。

（2）根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，確定側(cè)壁穩(wěn)定后才能開挖導(dǎo)坑下臺(tái)階（含臨時(shí)仰拱）。同理開挖另一側(cè)導(dǎo)坑，中隔壁臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)間的判定以拱頂下沉和凈空收斂為依據(jù)，一次性拆除長度應(yīng)根據(jù)量測數(shù)據(jù)謹(jǐn)慎確定。

5 預(yù)防措施

針對該地質(zhì)下的初支下沉開裂現(xiàn)象，嚴(yán)格按照新奧法施工原理，采用超前地質(zhì)預(yù)測、探測等多種手段，超前探明地質(zhì)、滲水情況。按照“勤監(jiān)測、管超前、預(yù)注漿、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、緊襯砌”的原則組織施工，貫徹“光面爆破是基礎(chǔ)，噴錨支護(hù)保安全，圍巖量測明情況，仰拱先行快封閉，襯砌質(zhì)量樹形象”的工作思路[3]。

（1）以監(jiān)控測量和超前地質(zhì)預(yù)測（地震調(diào)查、物理勘探、超前水平鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、超前導(dǎo)洞等[3]）等多種手段，掌握掌子面前方圍巖地質(zhì)和支護(hù)的動(dòng)態(tài)信息并及時(shí)反饋和指導(dǎo)施工作業(yè)。每一開挖循環(huán)應(yīng)對掌子面進(jìn)行地質(zhì)描述，對于出現(xiàn)異常以及地質(zhì)復(fù)雜的地段，如破碎帶和節(jié)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(dǎo)洞、隧道內(nèi)超前導(dǎo)洞等措施相結(jié)合，開展多層次、多手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以探明掌子面前方地質(zhì)，及時(shí)作出地質(zhì)預(yù)警。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)、監(jiān)控測量等反饋信息對地質(zhì)情況進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件與設(shè)計(jì)不符或出現(xiàn)異常時(shí)，立即對隧道的開挖方式、結(jié)構(gòu)支護(hù)體系等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dǎo)管等超前預(yù)支護(hù)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)長度、搭接長度、環(huán)向間距、外插角等要求進(jìn)行鉆孔注漿，并與拱架結(jié)合形成棚架式受力結(jié)構(gòu)，壓漿以壓力值作為主控，注漿量校核，確保有效的擴(kuò)散半徑。對開挖輪廓周圍的巖層進(jìn)行固結(jié)，達(dá)到穩(wěn)定圍巖安全的效果。

（3）這類地層的開挖，應(yīng)減少對圍巖的擾動(dòng)，一般采取先護(hù)后挖、密閉支撐、邊挖邊封閉的施工原則，堅(jiān)持求“穩(wěn)”的原則。應(yīng)嚴(yán)格按照“勤量測、管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)”的原則組織施工[3]，確保隧道不塌方。

該地質(zhì)的Ⅴ級(jí)圍巖開挖循環(huán)進(jìn)尺，應(yīng)結(jié)合鋼支撐間距來確定，每循環(huán)開挖長度不得大于一品鋼支撐間距。采用靜態(tài)爆破作業(yè)或人工與機(jī)械配合開挖方式減少對圍巖的擾動(dòng)，盡可能減少超欠挖對圍巖的擾動(dòng)和破壞。

（4）隧道開挖后必須及時(shí)進(jìn)行初支，圍巖暴露時(shí)間不得過長，堅(jiān)持“隨挖隨支護(hù)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(zhì)，要求支護(hù)緊跟掌子面。

鋼支撐架立時(shí)不得置于虛碴或活動(dòng)石上，不得懸空，必須位于堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，軟弱圍巖地段基底必須作提高承載力處理。錨桿支護(hù)的孔深、間距、方位、焊接必須到設(shè)計(jì)要求，注漿要飽滿，錨桿與墊板應(yīng)保持垂直并與噴射混凝土充分接觸，墊板之間螺母務(wù)必?cái)Q緊。為了避免因洞身開挖造成鋼支撐懸空和支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，對鋼支撐擴(kuò)大拱腳處理（如增設(shè)鎖腳砂漿錨桿、鎖腳注漿小導(dǎo)管或在拱腳增設(shè)立鋼肋支撐）。噴射混凝土前，必須清除危石及松動(dòng)石塊，初噴混凝土必須達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。

6 總結(jié)

該文通過塌方體回填及封閉、塌腔注漿回填、超前注漿預(yù)支護(hù)、鋼支撐置換、增加二襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(xù)施工的順利推進(jìn)。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(bǔ)救措施，實(shí)際施工必須以預(yù)防為主要控制目標(biāo)，通過及時(shí)反饋監(jiān)控測量和超前地質(zhì)預(yù)測、嚴(yán)格落實(shí)超前預(yù)支護(hù)、控制好洞身開挖及初支的施工質(zhì)量等措施預(yù)防隧道的初支下沉開裂，真正做到防患于未然。