楊家灣隧道初期支護裂縫分析與處理

1. 1 引言

近年來，隨著中長期鐵路網發展規劃和中國鐵路“十一五”規劃的逐步實施，客運專線、城際鐵路等高速鐵路快速發展。為了保證運營安全和節約占地，隧道設計占線路總長度比例越來越大，穿越地質復雜的軟弱圍巖及長大隧道工程已不可避免。新建蘭渝鐵路全線共設有隧道239座，共555.7公里，占線路總長的68%，其中蘭州至廣元段的橋隧比例為86%，在國內已建成及在建鐵路中位居前列。

隧道的初期支護是新奧法隧道的主要承載結構，它是密貼于圍巖的柔性結構，其作用主要是控制圍巖的變形松弛。由于山體隧道圍巖的復雜性，要求初期支護既要能與圍巖共同變形，又要有足夠的強度和剛度控制圍巖變形，因此，初期支護是保證施工安全的關鍵，也是復合式襯砌的主要承載結構。在新奧法隧道施工中，由于各種原因造成隧道初期支護掉塊、剝落以及開裂等問題，影響了工程施工的質量和安全，嚴重時甚至會導致隧道圍巖的失穩、坍塌，影響隧道的使用和壽命。因此，有必要及時總結分析裂縫產生的原因，制定合理的處理措施，加強初期支護，確保隧道施工的質量和安全。

2.   2 工程概述

2.1工程概況

蘭渝鐵路楊家灣隧道位于甘肅省渭源縣鍬峪鄉境內，為黃土高原梁卯區，高程范圍2155～2318m，通過地區大部分山勢陡峭，溝壑交織，沖溝溝谷多呈狹長的V型或U型，局部嶺脊兩側滑坡發育。隧道起訖里程DK130+615～DK133+270，全長2655m，為一座雙線隧道，隧道洞身最大埋深134m。

2.2工程地質特征

隧道范圍內地層主要為第四系全新統沖擊砂質黃土，洪積淤泥質粉質黏土、砂質黃土、粗角礫土，滑坡堆積砂質黃土、塊石土，第四上更新統沖擊砂質黃土，下伏白堊系下統泥巖夾砂巖。泥巖夾砂巖廣泛分布在隧道范圍底部，呈泥巖、砂巖互層狀，巖質軟，節理較發育，弱風化，多呈塊狀，Ⅳ級軟石，具弱-中等膨脹性，地質條件復雜。

2.3不良地質及特殊巖土

隧道范圍內不良地質主要為滑坡，特殊巖土為濕陷性黃土，軟土及松軟土和膨脹巖。隧道內的砂質黃土均具有濕陷性，粉質粘土、塊石土、白堊系下統泥巖具弱-中膨脹性，巖體邊坡穩定性差，具有遇水易軟化崩塌，失水收縮干裂等顯著特點。

3.   3 工程實例分析

3.1隧道初期支護參數及施工方法

楊家灣隧道進口DK131+750～DK131+810為Ⅳ級圍巖，采用上下兩臺階開挖，初期支護采用錨噴支護，采用格柵鋼架結合鋼筋網片，φ22中空錨桿、全螺紋砂漿錨桿以及C25噴射混凝土等材料，共同組成支護結構，承受圍巖壓力，實現施工期安全的目的，同時起到控制圍巖過大變形的目的。

表1 隧道Ⅳ級圍巖復合襯砌設計參數表

3.2初期支護裂縫情況

裂縫位置出現于隧道DK131+750～DK131+810段，其中DK131+750～DK131+770段出現裂縫，并采取I12.6工字鋼進行套拱加固，由于變形過大已超出該段初期支護所承受的壓力，以及二襯未及時跟進等原因，裂縫逐漸擴大，套拱鋼架扭曲變形（見圖2）。隧道DK131+780～DK131+810段新出現多條環向、縱向裂縫，裂縫最大寬度10mm，且有不斷擴大趨勢。

3.3初期支護開裂原因分析

⑴ 圍巖為Ⅳ級圍巖，巖體節理較發育，成巖作用較差，巖質軟，弱風化，巖體完整性很差，巖體多呈散體狀結構，地質條件復雜，自穩能力差。其中拱頂及拱腰處主要分布著灰質砂巖，具有弱—中等膨脹性（見圖3）。

⑵ 由于施工中對軟弱圍巖變形認識不足，采取的初期支護參數較弱，導致圍巖變形發展快，造成初期支護破壞。

⑶ 圍巖變形持續時間較長，初期支護封閉后，變形較為平穩緩慢，但是由于爆破、下臺階落底、仰拱開挖時對圍巖的擾動，加速了圍巖的變形，造成初期支護失穩，發生掉塊開裂現象。

⑷ 施工工序不夠緊湊，二次襯砌作為隧道的支護結構之一在實際施工過程中沒有及時跟進。

圖1 初期支護變形段施工情況

圖2 鋼架扭曲破壞及裂縫

圖3 出現裂縫段地質情況

4. 初期支護開裂的加固措施

根據新奧法施工原理，應充分發揮圍巖的自承能力，考慮加固圍巖物理力學性質，提高圍巖強度，采用早期強度高、剛性大的工字鋼套拱加固。具體措施如下:

⑴ 為了抑制裂縫的擴大，及時暫停掌子面掘進，并對掌子面和裂縫進行封閉處理。同時在鋼架以及在裂縫兩端兩側打設3.5m長鎖腳錨桿抑制裂縫擴大。

⑵ DK131+779～DK131+805段初期支護變形較為嚴重，采取增設套拱的方式進行加強支護（見圖4）。套拱設置方式：DK131+789～791.4，DK131+796～798.4，DK131+802～804.4，每段設置3榀I18工字鋼拱架，間距1.2m。鋼架之間采用Φ22鋼筋拉桿焊接在一起，連接鋼筋環向間距1.0m。每榀拱架左右兩邊各設置3道鎖腳錨桿，鎖腳錨桿采用Φ42小導管，每根長3.5m。

待以上3段套拱噴射混凝土施工結束后，自DK131+789逐段進行注漿固結圍巖，形成新的受力內拱。注漿孔采用手持風槍進行鉆孔，孔徑50cm，梅花型布置，間距1.5m×1.5m，孔深5m注漿采用1:1水泥漿，注漿壓力0.5-1.0Mpa。

⑶ 以上措施施工結束且水泥漿凝固后，對DK131+767～DK131+779段仰拱采取左右分幅開挖澆筑，隧道中線左右2.5m內嚴禁開挖。仰拱開挖盡可能采用挖掘機開挖，挖掘機開挖不動的情況下，采用弱爆破，減少裝藥量，減小對圍巖的擾動。

仰拱設置雙排鋼筋，鋼筋間距20cm，仰拱及二次襯砌提高混凝土等級至C40，。待二次襯砌施工完畢，混凝土強度達到2.5Mpa，開挖隧道中線2.5m寬仰拱，嚴格控制仰拱開挖長度為3m一段，澆筑混凝土，必要時將2根5m長I18工字鋼橫放在基坑中在進行仰拱澆筑。

⑷ 二次襯砌緊跟，加快二次襯砌施工。DK131+760～DK131+767段采用噴射混凝土進行補噴，并加設襯砌鋼筋，采取跳襯完成該段二次襯砌施工，將二次襯砌的安全步距調整至50m，及早閉合，使二次襯砌結合初期支護共同受力。

⑸ 加強圍巖監控量測，兩天早晚進行兩次量測，并且每兩個小時觀察裂縫變化情況，并整理數據用于指導施工。

⑹ 待變形段初期支護加固結束，沉降趨于穩定且二次襯砌施工至DK131+767時方可開挖掘進。掌子面開挖掘進時，嚴格按照“弱爆破、短進尺，管超前，強支護，快封閉，勤量測”方案進行施工。初期支護采用I18工字鋼鋼架取代格柵拱架，嚴格控制鋼架間距，確保鎖腳錨桿施工質量，穩步前進。

圖4  施做I18工字鋼套拱 

5. 結語

由于隧道圍巖的復雜性，自穩能力差，同時對圍巖級別的認識不足以及施工工序的相互干擾，導致隧道初期支護產生裂縫。根據新奧法施工原理，充分發揮圍巖的自承能力，采用了剛性大，強度高的I18工字鋼進行套拱施工，增設鎖腳錨桿進行加固。通過加固整治，初期支護的變形得到了有效控制，初期支護趨于穩定。從此次變形加強支護中得出控制隧道圍巖初期支護變形的幾點經驗教訓，主要有以下幾點：

⑴ 落實四密實：混凝土密實、噴射混凝土密實、初期支護與圍巖密實、二次襯砌與初期支護密實^[5]。

⑵ 減小對圍巖的施工擾動，采取“保護圍巖”施工理念^[6]。利用超前支護，使軟弱圍巖力學性能得以改善。采用短臺階法施工，縮小施工進尺,嚴格施工工序，各工序緊密銜接，盡量縮短圍巖暴露時間。強化鎖腳錨固，并及時施作仰拱，仰拱及填充緊隨開挖及時施做，使初支形成環向閉合結構，對于抵抗圍巖拱部及側向壓力，防止鋼支架下沉變形，有特別重要的作用。

⑶ 施工中將監控量測、超前地質預報納入工序管理。加強施工全過程監控量測，通過準確的信息反饋，及時修正支護參數，確保施工安全，達到信息化施工，動態管理的目的。

⑷ 嚴格執行鐵道部規定的各級圍巖掌子面距仰拱、二次襯砌距離。

參考

文獻

[1] 王夢恕. 中國隧道及地下工程修建技術[M]，北京:人民交通出版社，2010.

[2] 魏  立. 大斷面隧道軟弱圍巖單側變形控制施工技術[J].山西建筑，2010,36（35）：333～335

[3] 王毅才. 隧道工程[M]. 北京：人民交通出版社，2006.

[4] 張文強，王慶林，李建偉. 木寨嶺隧道大變形控制技術[J].隧道建設，2010,30（2）：157～161

[5] 張寶永，包廣昌，王長江. 震旦系混合巖隧道防塌防掉塊幾項關鍵技術[J].現代隧道技術，2011,48（2）:153～156.

[6] 李廷春. 毛羽山隧道高地應力軟巖大變形施工控制技術[J].現代隧道技術，2011,48（2）:59～67.