软弱围岩隧道初支变形成因及处置防治措施

软弱围岩隧道初支变形成因及处置防治措丁维良（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳111000）1工程概况某隧道进洞明暗交界里程为ZK81+083。ZK81+083—ZK81+137段原设计为IV级围岩，围岩为中风化砂岩，薄至中厚层状构造，节理发育，岩体破碎，属于较软岩，其中ZK81+083—ZK81+103段衬砌类型为S-IVa,ZK81+103—ZK81+137段衬砌类型为S-IVb；ZK81+137—ZK81+165段原设计为IV级围岩，围岩为中风化砂岩，中厚层状构造，节理较发育，岩体较破碎，属于较软岩，地下水发育，衬砌类型为S-IVc。实际施工时，进洞开挖施工，掌子面揭示围岩为强一中风化薄层状泥岩，属软质岩，节理裂隙发育，岩体破碎，强度较低，遇水易软化，含水量大，呈连续点滴状或股状水，围岩稳定性差。经设计变更将ZK81+103—ZK81+165段衬砌类型变更为S-IVa,并将S-IVa衬砌类型中的超前锚杆变更为超前小导管。某日，现场管理人员发现了多处有沿初支混凝土面宽度不等的环向裂缝，并在某处出现了初支拱架严重变形，并且拱顶在18〜19d突发沉降约26cm,累计沉降约28cm。项目部随即启动应急措施。2变形原因分析1不良地质泥岩具有膨胀性、遇水易软化及强度低等特点。该隧道进洞段围岩为泥岩且含水量大，掌子面开挖后多呈现线状渗水，洞壁极潮湿，渗水较严重，进洞段处于洞身浅埋段。洞身开挖时大断面开挖极易造成较大的拱顶下沉等，且由于泥岩的遇水软化极易造成初支拱架拱脚落不实，也是造成初支变形的原因之一。2.2施工工艺隧道施工采用上下台阶法开挖，现场施工时上台阶在原设计基础上加大了开挖断面；超前小导管注浆控制不得当，注浆效果不佳；锁脚小导管与初支钢拱架连接不牢固；下台阶开挖后，初期支护跟进不及时,造成上台阶钢拱架拱脚悬空时间过长等一系列施工工艺的把控不严是隧道初支变形的原因之一。3变形处置措施1应急响应现场管理人员发现险情后，及时通知了洞内作业人员紧急撤离，在确保安全的情况下，又将洞内的机械设备转移到了洞外。洞内作业人员全部撤离后，现场管理人员及时将险情告知了项目部，项目部获悉后又及时将险情向驻地办、设计单位、业主单位进行了电话汇报。3.2变形处置措施(1)临时支护。该隧道ZK81+140—ZK81+165段上断面初支每桶增设临时环向支撑、拱底封闭横向支撑，钢拱架纵向间距1m设置020mm连接钢筋。施工过程中，根据监控量测数据及时调整，在有必要的情况下，增加竖向支撑。临时支撑均采用H8工字钢，铺08mm钢筋网，喷射24cm厚C20混凝土形成全环支护。每桶环向支撑两侧拱脚处各增加2根4m长①42mm锁脚小导管。施工临时支护的期间，加强并完善洞内排水设施的布置，确保洞内不积水。(2)径向注浆。抢险期间安全员、技术员全程值班，施工顺序按照路线小里程往大里程方向，临时支撑按照先环向支撑，再横向支撑,最后纵向连接的顺序进行。施工中严格执行监控量测作业程序，在确保围岩稳定的情况下，在ZK81+140—ZK81+165段隧道洞身增加径向042mm注浆小导管，间距100cmX100cm呈梅花形布置，长4m。(3)塌腔处理。径向注浆小导管施工完毕后，后续继续加强监控量测作业，确定围岩基本处于稳定后，在ZK81+163—ZK81+165塌方段采用S-Va支护形式，将S-Va中的D25中空注浆锚杆变更为①42mm注浆小导管，将S-Va支护形式中的118工字钢间距由60cm调整为50cm,拱架各单元连接处均增设2根042mm锁脚小导管，钢拱架上增加两层①8mm钢筋网片，喷射24cm厚C20混凝土形成初支保护层，并预埋泵送混凝土预留孔。当初支混凝土达到设计强度后，采取泵送方式在塌腔范围内分层浇筑2m厚C30混凝土。(4)洞口段仰拱施工。为减少仰拱开挖对隧道初支稳定性的影响，仰拱施工采用分幅方式进行，每次开挖、浇筑长度按照6m施作。(5)初支变形段换拱施工。经测量ZK81+125—ZK81+165初支断面已侵入二衬限界，需换拱。当洞口段仰拱施工至ZK81+125,形成全环封闭后，在监控量测数据的指导下进行换拱施工。拆除原初支拱架后采用S-Vb支护形式，拱架为H8工字钢，间距80cm,超前锚杆采用042mm注浆小导管，拱架各单元连接处布置2根042mm锁脚小导管，预留变形量在设计基础上加大15cll1。换拱时严格控制进尺，每循环控制在1幅拱架范围内，并按要求进行超前小导管施工。4软弱围岩隧道初支变形预防措施1进洞准备在进洞开挖施工前，必须根据实际地形完成洞顶截水沟，以防止地表水渗流入开挖面影响明洞边仰坡及开挖面的围岩稳定性。开挖时，采用分层小切口明挖，明洞开挖施工应逐级开挖逐级防护。开挖到成洞面附近按照设计图纸预留核心土，待超前管棚施工完成后再开挖暗洞。开挖时需时刻注意洞口段地质状况，确保边仰坡稳定性，洞口边仰坡防护采用喷锚防护方案。洞口边仰坡地质较差时，应避开雨季施工，明洞衬砌及洞门完成后及时回填。4.2严控开挖工艺隧道开挖施工总体上要求拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破，以最大限度地保护周边岩体的完整性，同时严格控制超、欠挖，确保初期支护及时可靠，提高初期支护的承载能力。V级围岩地段采用环行开挖预留核心土法施工，开挖进尺以0.5〜1m为宜。采用预留核心土法施工时，中下台阶一般落后于核心土1倍洞跨开挖。施工中按顺序分部开挖，每部开挖后施作相应的初期支护。仰拱和仰拱回填应紧跟开挖面，在初期支护落底后须及时施作，安全步距不宜大于40mo施工中加强临时排水设施，可在上台阶按一定横坡集中开挖一条集水沟，下台阶开挖集水坑采用大型抽水泵将山体渗水排至洞外，避险拱脚积水造成拱架失稳。3强化支护(1)总体要求。隧道施工中初期支护必须紧跟开挖，资源配置及时到位，各工序之间紧密衔接，尽早封闭成环；必须严格坚持“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的施工原贝心宜根据现场监控量测数据，分析总结施工中各种信息，及时调整支护措施和支护参数；喷射混凝土采用湿喷工艺，富水地段采用潮喷工艺。(2)喷射混凝土：①喷射作业分段分片依次进行，顺序按照自下而上进行；②掌子面开挖后后应先进行初喷4〜6cm封闭岩面；③钢拱架与岩壁之间必须采用喷射混凝土填充密实，喷混由两侧拱脚向上对称喷射，并将钢架覆盖；④下一循环爆破作业应在喷混终凝后进行;⑤富水地段，喷混可适当增加水泥用量；⑥喷混终凝后应及时养护。(3)支护锚杆：①锚杆质量应符合设计及规范要求；②锚杆钻孔方向应与岩面垂直；③钻孔完成后，应清理干净孔内积水、岩粉；④锚杆垫板、螺母应安装完好，与喷混面紧密接触。(4)钢架：①钢拱架应严格按照设计要求进行加工，拱部范围内严禁搭接；②拱架连接采用1.4cm厚钢板，并保证接头部分连接水平、焊缝密实；③每桶钢架在加工场进行试拼，合格后用红油漆对各单元进行标识，使用之前运至现场，各单元之间、每根之间连接必须牢固；④钢架应贴紧初喷混凝土安装，当钢架与围岩之间存在空隙时，采用钢楔块或木楔块楔紧，并用喷射混凝土填充密实，开挖下台阶时详细查看上台阶钢架，锁脚锚杆不稳定时，及时增设锁脚锚杆(管)，防止拱部下沉变形；⑤钢架拱脚必须放在牢固的基础上，脚底超挖部分采用喷射混凝土填充；⑥钢架垂直于隧道中线，竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲，上、下、左、右允许偏差±50mm,倾斜度＜2°。4.4超前预报隧道超前地质预报根据预报范围不同分类如下：中、长距离预报（TSP隧道地震波法、TEM瞬变电磁法），短距离预报（地质调查、地质雷达）。隧道洞口段60m采用地质雷达预报，其他地段采用TSP或TEM法进行长距离地质预报。在TSP发现围岩异常，对施工可能产生较严重影响的地段，采用地质雷达、地质钻探进行验证。方案简述如下：①采用TSP202/203隧道地震探测仪进行远距离（200m）较宏观长期预报；②采用地质雷达（GPR）进行近距离（20〜40m）较微观近期预报。地质雷达与TSP202/203两者可以相互补充和印证；③根据以上综合结果确定是否需要打设探孔及探孔位置、数量等，超前探孔可探测预报孤石、断层（风化）破碎带及含水量等；④TSP每次探测掌子