秦岭关隧道初期支护发生变形侵限处理措施
李华
(甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司兰州730030)
摘要针对不良地质灾害造成的隧道初期支护出现的严重扭曲、挤压、剪断、急剧卞沉等变形现象，并使初期支护侵入二次净空。
探讨如何在隧道施工中，安全地通过扩挖换拱方法解决此类问题。
以新奥法施工为指导思想，汲取相关的技术成果和经验总结，介绍隧道扩挖置换的技术处理方案和施工体会。
关键词隧道塑性圈分析临时支护换拱注浆加固
秦岭关隧道是连云港至霍尔果斯国道主干线宝(鸡)天(水)高速公路上的一座双向4车道长隧道，位于甘肃省天水市党川乡境内，设计时速80 km／h。
隧道起讫桩号，上行线起讫桩号K57+379～K59+960，隧道全长2 581 m；洞内设为人字坡，纵坡分别为+0．6％和一0．6％。
下行线起讫桩号硒7+375一K59+975，隧道全长2 600 m；洞内设为人字坡，纵坡分别为+0．5％和一0．6％。
隧道设计净宽为10．86 m，净高7．03 m，三心圆拱曲墙断面，采用复合式衬砌，按新奥法原理设计和施工。
1 隧道工程地质特征
1．1地层岩性
下古生界葫芦河群((z一02)H1)，岩性以灰黑色片岩、板岩为主，夹有少量薄层大理岩和火山碎屑岩。
由于该套地层中的断裂构造发育，岩石受构造强烈挤压，岩石片理化、糜棱岩化现象极为明显。
火山碎屑岩以细粒变砂岩为主，细粒变晶结构，似层状构造。
微风化板岩饱水单轴极限抗压强度≥50 MPa，微风化片岩饱水单轴极限抗压强度≥50 MPa，与隧道工程有关的工程岩体为硬质岩。
1．2地质构造
地质构造格局：前中生代生成包家沟震旦纪一奥陶纪形成的浅海相陆源碎屑一火山岩建造，组成葫芦河群、陈家河群地质体；中生代以来的构造活动对先期构造格局又进行了改造和叠加，使前期地质体及边界断裂或韧性剪切带均卷入反“s”形构造系统，遭受印支期花岗岩的侵蚀及中一新生代脆性断裂的切割、位移和中一新生代陆相断陷沉积盆地覆盖。
由此共同组成了勘察区基本构造格架。
1．3水文地质
经勘察外业调查和施工钻孔钻探表明，隧道地层陡倾，节理裂隙、断裂构造发育，地下水类型以基岩裂隙水和断层碎裂岩空隙水为主，具有储水条件差、补给能力弱的特点，因而富水性较差。
在隧道两侧、进出口区域内的两侧沟谷中，可见有第四系松散层渗水、湿地，未见有基岩涌水现象。
2 施工遇到的问题
隧道从宝鸡端向天水端掘进。
采用上下台阶法开挖，SK57+830一SK57+909段仰拱已完
成，当隧道掌子面上台阶掘进至SK57+980处，施工单位准备从SK57+830处施作二次衬砌时，发现二次衬砌厚度不够，同时部分段落如SK57+830～SK57+873段出现边墙内挤、喷混凝土剥落、钢拱架扭曲、衬砌开裂等现象，边墙拱脚处最大位移达到30 cm，并迫使初期支护侵入二次衬砌净空，侵入厚度5～30 cm不等，并且变形还有进一步扩大趋势。
3 变形侵限原因分析
通过对现场施工情况的了解，变形原因有以下几个方面：
3．1地质原因
(1)SK57+830一SK57+890段工程地质特性为：围岩岩性为微风化石英片岩，局部与板岩呈互层状，板岩矿物成分以泥质为主，节理、裂隙发育，岩体很破碎，岩芯呈土夹碎石片状，呈压碎状碎裂结构，RQD为3％，具高应力；钻孔SZK-QLGSD一08地应力测鼍深度128．1 m处的结果，最大水平主应力13．28 MPa，最小水平主应力8．28 MPa。
由于埋深大，地应力较高，开挖时局部板岩出现较大变形，局部有渗水现象。
(2)在该段两端发育有SK57+700一SK57+820和SK57+980一SK58+040两条断层，区域地质构造较发育，造成围岩节理、裂隙发育，岩体完整性较差。
3．2施工原因
(1)开挖爆破质量差，隧道超挖较普遍，隧道超欠挖造成应力集中。
(2)施工单位监控量测严重滞后，不能及时发现围岩变形情况。
围岩变形稳定后未及时施作二次衬砌，二次衬砌滞后较多。
(3)隧道现场技术管理和技术力量比较薄
弱，存在系统锚杆、喷射混凝土厚度、钢拱
架间距施工不规范行为，初期支护没有完全
按设计要求施作完成，未能发挥初期支护抵
抗变形的能力。
(4)上台阶距离较长，仰拱未及时开挖封
闭，致使支护不能封闭成环。
图1圆木满堂支撑图
4 临时支撑措施
情况发生后，项目管理单位立即组织设计、施工及监理单位召开现场会议，会议确定应立即采取临时支撑措施。
由于该项目处于小陇山林区，木材选取方便，最后决定用圆木进行满堂支撑(如图1所示)。
选择直径25～30 cm圆木，圆木之间用高强铆钉锚固，支撑在初期支护的格栅钢架上，支撑点用木板填塞，以减少应力集中，形成“井”字形满堂支撑。
临时支撑完成后，通过量测，初期支护变形减缓，慢慢趋于收敛，说明临时支护抑制围岩变形发挥了重要作用，避免酿成大塌方。
5 塑性圈半径分析
根据芬涅尔公式来确定该段塑性圈半径大小。
计算在没有支护衬砌条件下的塑性圈半径r，，假定隧道为圆形，围岩视各向同性、均质、连续，初始地应力只考虑围岩的自重应力，侧压力系数取1，该段埋深平均150 m，围岩处于Ⅳ级围岩地段，Pb取O，ro=5．43 m。
物理力学参数根据地质勘察报告、有关岩土规范和经验类比确定，见表1。
表1物理力学参数表
将上述参数代人芬涅尔公式，得塑性圈半径r；=8．467 m，塑性圈范围d=8．467 m一5．43 m=3．037 m。
6 变形侵限处理措施
6．1环向注浆加固
由于围岩出现变形，岩体节理、裂隙扩大，本身物理力学特性(如c，妒值)下降。
为了提高岩体c，妒值，在临时满堂支撑的保护下，设计采用环向注浆小导管对整个变形地段围岩进行预加固。
小导管采用外径42 mm，壁厚4 mm，长350 cm的热扎无缝钢管，环向间距约150 cm，纵向间距150 cm，径向打入，尾端支撑于钢架上。
环向小导管注浆采用水泥浆液，添加水泥重量5％的水玻璃，浆液扩散半径按75一100 cm控制。
形成隧道开挖轮廓线外3～4 m围岩加固圈，注浆压力控制在2 MPa内，如图2所示。
图2 环向注浆加固图
6．2 根据变形侵限严重程度采取不同的处理措施
(1)SK57+873一SK57+890段变形侵限小于5 cm，首先接上述措施对围岩进行注浆加固，然后对系统锚杆进行补强。
根据上述计算的塑性圈厚度，要使系统锚杆锚固在稳定弹性体围岩内，长度应不小于3．5 m。
对于该段变形相对较小，本次处理方案采用水泥砂浆锚杆，长3．5 m，并在边墙及拱腰处各增设2根锁脚锚杆，长度为4．5 m，二次衬砌厚度保证不小于35 cm，并把原设计的c25素混凝土改为C25钢筋混凝土结构。
(2)SK57+830．5一SK57+873段初期支护变形严重，变形侵限超过5 cm，局部地段超过30 cm。
首先按上述措施对围岩进行注浆加固，注浆完成待围岩稳定后，按表2支护参数进行换拱，考虑到该段变形量较大，围岩塑性圈呈扩大趋势，因此该段补强系统锚杆加长至4．5 m，采用咖22砂浆锚杆，系统锚杆沿钢拱架周边布设，锁脚采用弘2 mm小导管，长度为5 m，在边墙及拱腰处各设置2根，每榀钢拱架设置8根。
表2换拱段支护参数
6．3换拱具体施作方法
(1)环向注浆全部完成且监控量测结果满足设计要求后开始进行换拱。
(2)从SK57+873向SK57+830方向开始逐榀换拱。
第一次两榀分别在SK57+871．5和SK57+870．75位置按照上述支护参数进行开挖，要求用风镐环向凿凹槽，后镶入118工字钢，并打人锁脚小导管和系统锚杆。
锁脚小导管采用妒2注浆小导管，每榀数量为8根，每根长度为5 m，系统锚杆采用担2螺纹钢筋，每榀数量为21根，每根长度为4．5 m，锁脚小导管和系统锚杆布置位置如图3所示。
(3)将两榀工字钢之间的原格栅拱架拆
除并将中间部分用风镐凿除，然后按照换
拱支护参数要求铺设枷钢筋网片并设置纵
向连接筋，最后再喷射混凝土24 cm厚，
保证工字钢表皮至少覆盖3 cm。
(4)按照以上要求每隔0．75 m逐榀向
小桩号方向进行换拱施工。
(5)每初期支护完成11 m，即要求除换
拱台车位置外，其余部分立即浇筑二衬混
凝土后再推进换拱施工。
(6)第一板二衬完成后立即设置观测点
进行监控量测。
图3 锁脚小导管和系统锚杆布置
7 结束语
(1)施工单位经过近3个月完成换拱工作，二衬施工第一板后即进行观测，观测数据表明到目前为止基本处于稳定状态，应该说此段换拱是成功的。
(2)公路隧道按新奥法施工，施工中加强监控量测工作、动态设计调整支护参数是必要的，同时也是合理的。
(3)施工中出现大变形情况时，应果断采取临时强有力支撑，对预防大塌方效果明显，并能最大限度挽回损失。
(4)根据弹塑性理论，运用芬涅尔公式计算围岩变形塑性圈厚度，对初期支护系统锚杆的设计提供了理论依据。
参考文献
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