秦岭关隧道初期支护发生变形侵限处理措施李华兰州７３００３０）（甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司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８０ｋｍ／ｈ。隧道起讫桩号，上行线起讫桩号Ｋ５７＋３７９～Ｋ５９＋９６０，隧道全长２５８１ｍ；洞内设为人字坡，纵坡分别为＋０．６％和一０．６％。６００下行线起讫桩号硒７＋３７５一Ｋ５９＋９７５，隧道全长２衬砌，按新奥法原理设计和施工。１ｍ；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１０．８６ｍ，净高７．０３ｍ，三心圆拱曲墙断面，采用复合式隧道工程地质特征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≥５０ＭＰａ，微风化片岩饱水单轴极限抗压强度≥５０ＭＰａ，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≥７哇！！：？堇§公路隧道学术会议黼嘲＿—蝴——；————。蝴。。黼。。糍蝴。嘲。。；㈣黼张；碗蝴嘲蝴脯较差。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ｓｌ＜５７＋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～ＳＩ（５７＋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３０ｃｍ，并迫使初期支护侵入二次衬砌净空，侵入厚度５～３０ｃｍ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）Ｓｌ（５７＋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１２８．１ｍ处的结果，最大水平主应力１３．２８ＭＰａ，最小水平主应力８．２８ＭＰａ。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Ｓｌ（５７＋７００一Ｓｌ（５７＋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。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ｌ所示）。选择直径２５～３０ｃｍ圆木，圆木之间用高强铆钉锚固，支撑在初期支护的格栅图１圆木满堂支撑图钢架上，支撑点用木板填塞，以减少应力集中，形李华秦岭关隧道初期支护发生变形侵限处理措施舻％糊黼嘲蛹熊蛳嘲黼嘲獬嘲锵嘲骊蹦酾嘲嘲潮黼嘲蜊黼—咄鞠糍■—嘲■—鞠—■黼翻—■嘲翻—■■—糖■嘲■瞳龋—嘲幽瓣蝴始㈣“秘啪；一曼７气成“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。ｒｌ＝［ｒｏ（矿ｏ＋ｃｃｏｔ妒）（１一ｓｉｎ妒）］‘１＿５ｉ“９’／２毹“９／Ｐ６＋ｃｃｏｔ妒式中矿。——隧道围岩的自重应力，ｃｒｏ＝弘，ｙ为围岩容重，日为隧道埋深；Ｐ６——隧道支护衬砌围岩的反力；ｃ，妒——塑性圈围岩的粘聚力和内摩擦角；ｒ，，ｒ０——计算点和隧道的半径。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１５０ｍ，围岩处于Ⅳ级围岩地段，Ｐｂ取Ｏ，ｒｏ＝５．４３ｍ。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ｌ物理力学参数表材料名强风化石英片岩弱风化石英片岩微风化石英片岩材料属性Ｍ．ＣＭ．ＣＭ．Ｃ弹性模量／ＭＰａ２０００４泊松比Ｏ．３５０．３５Ｏ．３容重／（ｋＮ・ｍ。３）２７．１２７．３２７．８ｃ／ｋＰａ∥（。）２７３０３５１６０３５０４５０Ｏｏｏ６０００将上述参数代人芬涅尔公式，得塑性圈半径ｒ；＝８．４６７ｍ，塑性圈范围ｄ＝８．４６７５．４３ｍ＝３．０３７ｍ。ｍ一６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４２ｍｍ，壁厚４ｍｍ，长３５０ｃｍ的热扎无缝钢管，环向间距约１５０ｃｍ，纵向间距１５０ｃｍ，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７５一１００ｃｍ控制。形成隧道开挖轮廓线外３～４ｍ围岩加固圈，注浆压力控制在２ＭＰａ内，如图２所示。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Ｓｌ＜５７＋８９０段变形侵限小于５ｃｍ，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３．５ｍ。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３．５ｍ，并在边墙及拱腰处各增设２根锁脚锚杆，长度为４．５ｍ，二次衬砌厚度保证不小于鬈０孑论文集瓣．。，氙２００９年全国公路隧道学术会设———＿——＿————－＿＿＿＿－———＿————＿—＿－嘲＿——＿——嘲——嘲—嘲＿＿图２环向注浆加固图３５ｃｍ，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５ｃｍ，局部地段超过３０ｃｍ。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ｍ，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２ｍｍ小导管，长度为５ｍ，在边墙及拱腰处各设置２根，每榀钢拱架设置８根。表２换拱段支护参数初期支护项目二次衬砌锚杆钢筋网混凝土ｃ２０喷射混凝土厚２４ｃｍ钢拱架１１８工字钢间距７５ｃｍ换拱段支护参数枇２砂浆锚杆￡＝４．５（纵），７５ｃｍ×１００ｃｍ（环）ｍ拍钢筋网２０ｃｍ×２０ｃｍ拱部、仰拱４５ｃｍ（钢筋）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ｓｌ（５７＋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５ｍ，系统锚杆采用担２螺纹钢筋，每榀数量为２１根，每根长度为４．５ｍ，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２４ｃｍ厚，保证工字钢表皮至少覆盖３ｃｍ。（４）按照以上要求每隔０．７５ｍ逐榀向小桩号方向进行换拱施工。李华嘲嘲艘％嘲瓣嘲㈣嘲赫嘲啊秘ｍ嘲嘲黼嘲绷嘲嘲嘲翰礅嘲黼■嘲＿嘲霸嘲—嘲嘲瞳嘲黛■嘲删翻嘲■酬黼豳删％蝴嘲㈣糊嬲黼＿㈣酾瞄鳓Ⅻ嘲黼㈣蹴Ⅻ㈨删嘲鼬《。秦岭关隧道初期支护发生变形侵限处理措施≮７３＿。４（５）每初期支护完成１１ｍ，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。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。图３锁脚小导管和系统锚杆布置参考文献［１］王毅才．隧道工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０００．［２］中华人民共和国行业标准．公路隧道设计规范（邶Ｄ７０—２００４）［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４［３］交通部部颁标准．公路隧道施工技术规范（ＪＴＪ０４２—９４）［ｓ］．北京：人民交通出版社，１９９５．［４］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３．秦岭关隧道初期支护发生变形侵限处理措施
作者：作者单位：
李华
甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司 兰州 730030
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