隧道初支变形原因分析及综合治理

摘要：隧道工程施工中，隧道开挖引起坑道周围围岩应力重分布，当初期支护提供的抗力不足以抵抗围岩变形需求时，初期支护将发生变形。初期支护变形速率过大容易引起隧道坍塌，产生安全事故；累计变形值过大容易引起初期支护侵限，

造成二次衬砌厚度不足。本文即结合雁口山隧道初期支护变形的工程实例，分析了初支变形的原因，并重点阐述了初支变形的综合治理措施。

关键词：隧道；初支变形；地质；加固；侵限；治理中图分类号：U45 文献标识码：A

一 、工程概况

雁口山隧道位于青海省玉树州称多县歇武镇东北方向约10km处，为分离式隧道，我项目部工程段里程，左线ZK748+000～ZK750+042，长2042m，出口设计高程4235.74m，设计纵坡-2.5%；右线YK748+000～YK749+986，长1986m，出口设计高程4236.26m，设计纵坡-2.5%。

雁口山隧道施工呈现出的地质特点主要有：（1）开挖揭示围岩构造面复杂多变，岩层倾角、走向等变化频繁，围岩结构面极其发育，自稳能力极差，经常出现片帮掉块甚至垮塌等情况。（2）隧道施工中多次出现小型破碎带，开挖后水量较大，造成塌方，塌方体泥水混合，状如泥石流，造成掌子面暂停施工。（3）洞内出水量较大。经长期观测，最大涌水量在150m3/h以上，涌水量最少维持在90～100 m3/h左右。左右洞掌子面均常天渗水、滴水，部分段落初支面常天呈雨淋状。

围岩破碎，节理、层理裂隙、地下水发育

二、初期支护变形的基本情况及加强初期支护的必要性

（一）隧道初期支护变形的基本情况

雁口山隧道出口段施工在进入2013年7月后，围岩裂隙水量明显增大，初期支护渗水、滴水面积变大，造成左线ZK749+010～ZK748+978初支出现严重沉降和收敛，拱顶及两侧初支面出现喷射混凝土掉块、开裂，部分位置初支面呈雨淋状，初支严重破坏。右线YK748+961～YK748+948部分初支面渗水，拱顶及两侧初支面产生轻微开裂。

初支开裂，初支面呈雨淋状

（二）加强初期支护的必要性

随着新奥法理论的产生与发展进程，对隧道初期支护的认识已经由原来的初期支护锚、喷、网、钢拱架等支护结构只是临时支护，仅仅是为了开挖施工的安全而施作转变到了初期支护是开挖时的安全支护，又是永久支护结构的一个的重要组成部分。初期支护的作用是支承塌落岩块的重量，阻止围岩继续变形、移动和破坏。

由于初期支护与地层围岩紧密联结，虽然局部开裂、破坏还不至于导致整个支护体系的失效，但支护体系的位移会增加，呈现塑性变形势态。当塑性变形过程中的开裂、压坏截面发展到一定范围时，将起不到支护作用，从而导致隧道失稳。

在现行规范中关于(隧道开挖与支护)初期的围岩稳定性判据是：不允许喷射混凝土出现大量的明显裂缝。该段隧道的初期支护已经出现了明显的裂缝，因此需要对该段的初期支护作出处理。

要求支护结构在支护过程中，自始至终都能给围岩以支撑，提供一定的支撑力，使围岩在变形破坏过程中强度不致有太多的损失，减小作用于支护结构上的围岩压力。洞室的破坏一般自洞周围开始，首先出现的通常是张性破坏，接着是塑性剪切流动破坏，如能及时施作支护，使在洞室周围形成处于稳定状态的承载环，洞室围岩即可保持稳定。

隧道初期支护变形的原因分析

（一）地质原因

雁口山隧道左线ZK749+010～ZK748+978和右线YK748+961～YK748+948开挖揭示围岩多为炭质页岩和细砂岩互层结构，同样受构造的影响，节理、层理裂隙极其发育，围岩整个呈破碎状，裂隙水发育（多呈线状和股状水涌出），水文地质条件也很复杂，炭质页岩完全泥化，围岩综合强度低，整体性很差，泥质充填物较多，遇水极易软化，基本无自稳性。现场判定围岩级别为Ⅴ级偏弱～VI级，初支施作完毕后，初支面呈渗水～滴水～雨淋状。

（二）雨季原因

隧道左、右洞围岩的破碎，围岩自稳性差，综合强度低，加之连续2个多月的雨季降水，山体内水量激增，至7月下旬时水压力增大，导致初支产生沉降和收敛。

（三）设计、施工原因

1、隧道在设计时对地质勘察不是特别详细，对可能的复杂施工地质情况估计不足，采取类比法进行设计时对不稳定围岩有效合理的初期支护缺乏适应性，致使支护参数与部分段落围岩变形不能相匹配，最终导致较大变形的发生而破坏初期支护。

2、施工时爆破参数设计和围岩类别不相适应，造成隧道超欠挖严重。超欠挖使隧道表面变得极不平整，超欠挖引起的应力集中超过了允许值，于凹凸处形成局部应力高度集中的弱点，欠挖处的应力可达初始应力值的几倍乃至十几倍，造成隧道初期支护被破坏。

四、隧道初支变形的综合治理措施

（一）控制地下水渗漏

对于右线YK748+961～YK748+948初支段，产生的变形速率较小，在可控范围之内，故此段采取控制地下水渗漏的方法以抑制初支变形。由于地下水会带走细小颗粒，软化结构面，产生空隙水压力，使膨胀性围岩吸水膨胀，所以先对地下渗漏水进行处理。

对于渗水比较大的地方采取排堵结合的办法进行处理，具体就是对围岩进行注浆处理，使在初期支护外层形成一个防水圈，拒水于隧道之外。在裂缝渗水处安装Ω型弹簧排水管，然后再喷射一层混凝土。

对于变形裂缝少、缝宽小、渗漏水只是以潮湿方式显露的地段加喷一层

混凝土，在喷射混凝土中加入水泥用量的3％-4％的BR--2型防水剂，形成防水喷射混凝土，提高喷射混凝土的抗渗性。

经过防水处理后隧道就处于一个相对比较干燥的环境，这样就可以防止泥岩和粉砂岩的膨胀变形，避免膨胀压力的产生而对初期支护产生不利影响。

（二）背设护拱

对于左线ZK749+010～ZK748+995和ZK748+991～ZK748+978初支段，监控量测数据显示该段初支变形速率突然增大，出现初支混凝土开裂掉块情况，围岩处于急速变化阶段，需及时进行组织快、见效快的背设护拱的方法未防止初支继续变形甚至垮塌。

1、采取不小于原初支钢拱架型号的工字钢作为临时护拱，护拱拱架间距与原初支拱架间距一致，快速增加拱架的刚度和承重能力。拱架间纵向连接钢筋为Ф22，环向间距100cm。

2、每榀拱架背面加木楔顶紧，环向间距100cm，使护拱与初期支护紧密接触。必要时护拱和原拱架之间间隙采取C25喷射混凝土封闭连接，进行单点或整环喷射，拱脚处用喷射混凝土或普通混凝土进行加固。

3、紧贴护拱两侧对称钻打Ф42径向注浆小导管，环向间距2m，长度4m，Ф42小导管首先起到锁住钢拱架防止其变形的目的，待围岩稳定后，利用小导管注浆进行二次加固。

背设护拱

（三）注浆加固

左线ZK749+010～ZK748+978和右线YK748+961～YK748+948由于地质条件复杂，断层、节理裂隙发育，围岩本身不稳定和已切割成碎块而强度低，结构松散，节理面有泥质物及岩屑充填，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物，岩层产状不利等诸多地质原因，所以在初期经过其他措施使围岩稳定后，采取注浆方法来进行加固处理。因为注浆后岩层的残余变形将大大减小，浆液填塞块状岩石的裂缝和裂隙，可消除或减少外水压力对衬砌的作用，以改善岩体的内聚力和内摩擦角，而且围岩的注浆压密作用提高了强度，又和隧道断面的喷锚支护共同作用而使地压稳定。

（四）变形侵限处理

在初期支护变形应急处理完成且初期支护变形稳定后，对侵限的初期支护进行换拱处理。左线ZK749+005～ZK748+998段初期支护侵限较为严重，故此二衬施工前需进行换拱处理。换拱处理遵循“少装药、弱爆破、逐榀更换、勤量测”的原则组织实施。钢架拆除由二衬端头向掌子面方向逐榀进行，并采用缩小钢架间距、增加喷射混凝土厚度等措施加强初期支护。置换拱架前复核开挖断面尺寸，须比设计开挖轮廓线扩大15cm，即预留15cm的变形量。

拱架置换从二衬端头变形侵限第二榀拱架间向掌子面方向进行。采用少装药、弱爆破方式凿除宽为25～40cm、深度为侵限值并加大15cm预留变形量的拱槽，拱槽凿除完成后，进行拱架安装，如果拱槽凿出后，围岩出现轻微掉块，为保证作业人员安全，可先对拱槽进行喷射混凝土封闭后再进行拱架安装。

在拆除第二榀拱架前，在已置换第一榀拱架拱部上方施作超前注浆小导管对初期支护背后已松动围岩进行加固。小导管尾部与拱架焊接牢固，超前小导管注浆浆液采用1∶1水泥浆，注浆压力0.5～1.2MPa，注浆过程中加强观察，谨防压裂原初支面，同时对新安装拱架进行锁脚锚杆施工，注浆完成12h后围岩形成一定的自稳能力，然后拆除下一榀拱架，如此循环进行换拱。

拱架拆除前首先检查拆除拱架的锚杆、连接筋、网片与拱架是否彻底断开，未断开的先行断开后再拆除。然后，对已置换的拱架之间的初支及突出的围岩进行凿除，再进行拱架连接筋的焊接，钢筋网片挂设，喷射混凝土封闭，以此进行下一榀拱架置换。

对初支背后围岩进行注浆加固施工二衬前对侵限拱架进行换拱

结语

雁口山隧道出口段因地质和施工因素导致围岩变形速率长期不能趋于稳定，通过对初期支护采取背拱、注浆加固和换拱等应急处理措施，有效地控制了围岩变形，保证了后续变形侵限处理的顺利进行，在工程进度和施工安全上取得了理想效果。

参考文献

[1]唐林，李天斌，何勇，等．杜家山隧道大变形成因机制研究[J].铁道建筑，2012.5.

[2]董新平.大跨度隧道初期支护大变形原因分析[J].铁道建筑，2011.9.

[3]兰天仕.铁路隧道初期支护变形侵限的处治措施[J].企业科技与发展，2011.12.

[4]李志达，等.公路隧道初期支护结构与围岩特性分析[J].武汉理工大学学报，2011.4.