软岩大变形隧道灾害预防和治理施工技术

　1工程概况

　　明垭子隧道地质区域为流水侵蚀山地、沟谷深切，地形较为陡峻，属典型单斜构造，围岩主要为糜棱岩和糜棱岩化闪长岩。隧道围岩岩性复杂，进口段围岩为浅绿色绿泥片岩、灰色千枚岩、灰绿色绿泥片岩、薄片状碳质岩页；斜井段围岩为薄片状碳质岩页，灰绿色绿片岩。隧道岩性变化频繁，软硬岩层互层出露，加之受南秦岭褶皱带和月河断裂带的影响，围岩被挤压、揉皱，节理极为发育，围岩应力分布极不均匀，局部地段围岩容易形成偏压。隧道局部地段地下水发育，围岩遇水软化，加快了病害的发展，该隧道典型地质照片如下图1～图3。






　　明垭子隧道左洞全长4949m，右洞全长4985m，我单位承担明垭子隧道进口及斜井区间的施工任务，左线3263,（ZK209＋306～ZK212＋569），右线3335m（YK209＋325～YK212＋660），斜井1座，长770m，与右线交点里程为YK211＋815。
　　2病害发生的情况
　　明垭子隧道由于地质条件差，设计文件中的地质情况与实际开挖后的地质情况差距很大，致使围岩支护参数频繁调整，隧道各类地质病害时有发生。
　　2.1病害表现
　　明垭子隧道在施工过程中出现病害的主要表现为：围岩大变形引起塌方，初期支护开裂、混凝土碎裂掉块，钢拱架扭曲、钢拱架剪切错断，初期支护收敛变形造成大面积侵限，仰拱上浮、二衬混凝土开裂破坏。
　　2.2病害分布
　　明垭子隧道左线ZK209＋490～ZK209＋585段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、初期支护侵限；ZK210＋020～ZK210＋100段主要表现是仰拱上浮；ZK210＋185～ZK210＋500段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架剪切错断、初期支护收敛变形造成大面积侵限、仰拱上浮、二衬混凝土开裂破坏；ZK211＋287～ZK211＋550段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架剪切错断、初期支护收敛变形造成大面积侵限、仰拱上浮；ZK211＋700～ZK211＋780段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、初期支护侵限、仰拱上浮；ZK211＋888～ZK212＋100段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架剪切错断、初期支护收敛变形造成大面积侵限。
　　明垭子隧道右线YK209＋510～YK209＋615段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架剪切错断、初期支护收敛变形造成大面积侵限；YK210＋100～YK210＋365段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架剪切错断、初期支护收敛变形造成大面积侵限、仰拱上浮、二衬混凝土开裂破坏；YK211＋200～YK211＋490段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、初期支护侵限；YK212＋580～YK212＋620段主要表现是初期支护开裂、混凝土碎裂掉块、钢拱架扭曲、初期支护侵限。
　　明垭子隧道左右线发生初期支护大变形侵限共计881m，仰拱起鼓上浮共计375m，衬砌开裂共计113m，塌方12处。在施工中虽然根据地质变化进行了支护参数的调整，但是由于围岩太差，地应力太大，初支无法抵抗围岩的沉降、收敛，造成初支变形极其严重、仰拱起鼓和二衬开裂等病害。隧道发生病害的典型照片如下图4－图6。






　　3病害发生的原因分析
　　隧道出现大变形的原因，一方面是膨胀性矿物成分的遇水膨胀作用，从而使隧道的周边产生较大变形；另一方面是软弱围岩在高地应力作用下发生的挤压性变形，由于应力复杂，而岩石的强度较低，洞室在开挖后，周边将出现大范围的塑性破坏区，塑性区内的岩体发生剪切和挤压作用，迫使围岩中的质点向开挖空间进行移动，从而出现了大变形。该隧道病害发生的具体原因如下：
　　千枚岩与碳质页岩同属区域变质岩，在区域变质岩中，新生的变质构造广泛发育，而原岩的构造大多遭受破坏，在变质构造过程中，形成扭曲，新生构造和新生层往往使围岩破碎，稳定性更差。本隧道出露的千枚岩和碳质页岩为深灰色、黑色，千枚状构造，含水量大时呈团块状，含水量小时为鳞片状，片理极为发育，层厚0.01～2mm，岩体破碎，片理面手感光滑，有丝绢光泽，主要矿物成份是绢云母、石英、绿泥石等，软弱矿物成份多，因而千枚岩硬度小，围岩破碎，强度低，可膨胀，遇水软化，塑变大，单轴抗压强度小于1MPa，这是产生病害的主要原因；受南秦岭褶皱带和月河断裂等区域地质构造的影响，岩体节理裂隙发育。隧道有两组以上构造，且贯穿深度长，节理无胶结，无填充。不同方向不同期次构造运动的迭加，其结果使构造和变形更复杂，岩体被反复挤压、揉搓，形成扭曲褶皱，岩体更加破碎；在软弱的千枚岩地区，地下水对围岩的稳定性危害极大。一般说来，洞身为千枚岩时，其厚度达到一定程度时，洞身不会出现地下水。开挖后，围岩产生应力重分布，发生变形，形成一定的松动区和塑性区。当塑性区的范围未接近板岩区时，洞身不会出现地下水；当初期支护不及时或初期支护强度不足以抵抗千枚岩的变形时，塑性区的范围可能更大，当超这一范围时，板岩中的地下水由于渗透压力进入塑性区，而千枚岩遇水即软化、泥化，使塑性区条件恶化，塑性区范围加大，这又使地下水进一步发育。塑性区的加大和地下水的发育互相促进，互相作用，使围岩稳定性不断变差，变形不断发展，使围岩不断产生剪切滑移，由蠕变向突变转化，最终造成初期支护被破坏，产生各种病害。
　　4灾害预防措施
　　根据隧道设计、施工规范以及地质勘查报告描述，结合以往软弱围岩隧道的施工经验，针对明垭子隧道的初期支护变形和不同的破坏形式，为控制隧道初期支护变形侵限、避免仰拱起鼓和衬砌开裂等病害的发生，杜绝在开挖过程中出现塌方，确保施工和结构安全，主要采取以下预防加强措施：
　　4.1优化开挖方法
　　从施工效应角度出发，三台阶法和CＲＤ法均能保证施工安全和结构稳定。但从施工成本、施工工效和施工管理等方面综合比较，为加快施工进度，该隧道软弱破碎围岩段选用了三台阶七步平行流水作业施工方法，各台阶初期支护均及时封闭，隧道二衬和仰拱紧跟开挖面。
　　4.2增大预留变形量
　　隧道开挖后，周边收敛及拱顶下沉较大，为保证二衬厚度，将初期支护预留变形量加大至60～80cm。
　　4.3加强超前支护
　　在隧道断层破碎带、软岩和塌方段采用大管棚或双层小导管进行超前支护，并进行注浆。在大管棚难以施做地段，超前支护采用双层小导管注浆。无水段采用注水泥浆，渗水地段采用注水泥水玻璃双液浆。
　　4.4加强初期支护
　　对于软弱围岩段采用H175型钢拱架加强支护。针对隧道内围岩水平应力过大的情况，将软弱围岩段原设计的锁脚锚杆变更为锁脚导管，并根据现场情况适当增加导管长度，导管与拱架连接牢固。同时，为了增加拱架的整体受力效果，将横向联系钢筋增强至Φ25，环向间距缩短至50cm，内外侧交错布置。
　　4.5采用双拱支护
　　由于隧道病害发生段地应力和松散荷载较大，围岩自稳能力极差，柔性体系的初期支护在施做后即发生较大变形，单层初期支护的刚度及强度已不能控制围岩的有害变形，为控制发生侵限、塌方等病害，初期支护采用双层I22b型钢拱架（或I22b型钢拱架＋格栅拱架）支护，增加支护刚度及强度，以抵抗围岩的有害变形。横向联系采用Φ32或角钢连接。每层拱架的横向联系必须单独连接，确保拱架整体系统受力。
　　4.6增加临时仰拱
　　采用工字钢施作临时仰拱，使上断面初支及时封闭成环，控制初期支护的收敛和沉降。
　　4.7增加套拱
　　为防止初期支护产生较大变形和拱顶下沉过快，在保证二衬厚度的前提下，对隧道开挖后正在变形的初期支护段进行补强加固，增加半断面或全断面套拱作为永久支护，采用I18或I20a工字钢施做套拱，间距0.75—1.0m，拱架间设Φ25纵向连接筋，环向间距1.0m，喷射C20砼。
　　4.8加强二次衬砌
　　为保证后期运营安全，将出现较大变形地段的隧道二次钢筋砼衬砌厚度变更为60－80cm。针对仰拱隆起和中心水沟存在薄弱点的情况，在仰拱隆起段采用中心排水沟与仰拱填充砼整体浇筑。
　　5病害处理措施
　　针对明垭子隧道初期支护大变形侵限、仰拱隆起、衬砌开裂以及塌方等病害，主要采取以下处理措施，确保施工安全和结构安全。
　　5.1注浆加固
　　对初期支护大变形侵限、仰拱隆起、衬砌开裂、塌方段首先进行注浆处理，对隧道周边围岩进行固结，增加围岩的自稳能力，以控制软弱围岩的变形。隧道无水或贫水地段采用单液浆注浆，富水地段采用双液浆注浆。
　　5.2初支换拱
　　对初期支护大变形侵限和塌方段进行注浆处理后，采用风镐和破碎锤拆除喷射砼，使用风镐人工开挖侵限围岩，预留沉降量5m，对侵限拱架逐个更换双层I22ｂ型钢拱架（或I22ｂ型钢拱架＋格栅拱架），及时封闭成环。
　　5.3重做仰拱
　　对仰拱隆起段注浆处理后，采用破碎锤拆除上浮仰拱，机械配合人工开挖仰拱，钢拱架及时封闭成环，并及时施做仰拱钢筋砼和填充砼，每环长不超过5m。禁止采用爆破拆除，以免对围岩产生二次扰动，引起围岩大变形。
　　5.4重做二衬
　　对衬砌开裂段进行注浆处理后，采用机械配合人工拆除已破坏的二衬，二次衬砌采用厚度为60－2000cm的钢筋砼。
　　5.5塌方处理
　　塌方段处理采用大管棚或双层小导管进行超前支护，注水泥浆或双液浆，并增设临时仰拱及时封闭成环，确保施工安全。
　　6结语
　　在明垭子隧道施工过程中，相关各方均采取了积极的应对措施，实行动态设计、动态管理，打破原设计围岩划分的界限，依据实际情况进行跨围岩级别的变更，对支护参数如超前支护、初支拱架及联接筋、拱架锁脚等进行了多次调整，以增强初支的支护能力，采取施做双层拱架和临时仰拱等办法约束初支的变形；对于病害段采取施做导管周壁注浆、换拱及重新实做仰拱和二衬等措施加以治理。由于施工中措施得当，使隧道地质灾害和病害得到了彻底治理，保证了隧道的正常进展和安全质量。