不良地质隧道初期支护变形的处理

大凉山1号隧道初支大变形破坏特征及处治

2四川高速公路建设开发集团有限公司 四川 成都 610041

3 中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 700000

摘要：文章主要介绍了西南第一公路长隧大凉山1号隧道初支大变形处治：对大变形病害产生的原因进行分析；结合大凉山1号隧道TBM超前平导施工情况进一步细化原因分析，同时综合大变形段落的监控量测数据，确定大变形段落处治的原则和措施，为该超特长隧道后期类似段落施工提供支撑，同时为相关类似隧道处治提供一定的借鉴经验。

关键词：大变形病害，TBM超前，监控量测数据，处治措施

1引言

大凉山1号隧道位于凉山州雷波县与美姑县交界地带，是乐西高速马边至昭觉段控制性工程之一，隧道全长15366米，是目前四川省乃至西南地区在建和已通车最长的高速公路隧道。隧道地质地形复杂，穿越不良地质，有大变形、岩爆、低瓦斯、岩溶、涌突水等。本文主要对大凉山1号隧道K87+976段初支大变形段病害成因进行判断、结合监控量测数据及规律，针对性的采用了适应的处治方案，最终通过该大变形段。

2工程概况

乐西高速公路马边至昭觉段起于乐山市马边彝族自治县境内，经凉山州的雷波县、美姑县，止于昭觉县南侧，与西昌至昭通高速公路（G7611线）相接，穿越嘛咪泽省级保护区试验区和雷波境内30公里无人区，路线全长151.75km，桥隧比82%。 大凉山1号隧道为该项目重大控制性工程，洞身斜井设置受自然保护区影响，首次在15.3km的大凉山1号超特长隧道贯通平导中引入TBM施工工艺辅助主洞施工。大凉山1号隧道由左右线正洞、贯通平导和1座斜井组成，平导布设于左右线中间，左右洞、平导洞身间距19m。

图1 主洞与贯通平导布置图

大凉山1号隧道平面总体距四川“Y”字形构造的“1”（NS向川滇构造带）右侧平均直线105公里，隧道总体构造格架受NS向川滇构造带控制，导致隧址区地质地形复杂。

图2 工程所处大构造背景

隧道不良地质处理施工经验介绍

隧道地质勘查设计中只能初步判山体中地质和水文条件情况，局部不良地质很难勘查发现，即使发现也只能初步判断设计，所以在隧道施工前和施工中超前地质探测预报至关重要，只有详细了解地质条件才能确定正确的施工方案，才能达到预防为主的效果。虽然地质条件千变万化，但对应其施工方案方法通过总结也不难归纳，下面我就在修建隧道中，常遇到一些不利于施工的特殊地质地段的施工方案方法提出一些不成熟的意见。

一、总体简介

特殊地质段如膨胀土围岩、黄土、溶洞、断层、松散地层、流沙、岩爆等，在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道支撑变形，衬砌结构断裂，严重影响施工进度、安全和质量。隧道穿越含有瓦斯的地层，更严重地威胁着施工安全。

※隧道通过特殊地质地段施工时总体应注意以下几点：

1、施工前应对设计所提供的工程地质和水文地质资料进行详细分析了解，深入细致地作施工调查，制订相应的施工方案和措施，备足有关机具及材料，认真编制和实施施工组织设计，使工程达到安全、优质、高效的目的。反之，即便地质并非不良，也会因准备不足，施工方法不当或措施不力导致施工事故，延误施工进度。

※2、特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。在选择和确定施工方案时，应以安全为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、

断面型式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期和经济的可行性等因素而定。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加投资。

3、隧道开挖方式，无论是采用钻爆开挖法、机械开挖法，还是采用人工和机械混合开挖法，应视地质、环境、安全等条件来确定。如用钻爆法施工时，光面爆破和预裂爆破技术，既能使开挖轮廓线符合设计要求，又能减少对围岩的扰动破坏。爆破应严格按照钻爆设计进行施工，如遇地质变化应及时修改完善设计。

※4、隧道通过自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、砂层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段时，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固、超前支护或止水。

文章编号:0451-0712(2000)05-0048-04

不良地质条件下隧道病害治理方法

林伍湖 邱榕木(厦门市高速公路公司　厦门市　361022)　(福建省高速公路公司) [摘要]　福建省漳龙高速公路龙门隧道地质条件极差,施工过程中出现了掌子面和拱顶坍塌、地表凹陷开裂、拱脚与废弃煤洞空腔走向平行、初期支护变形侵入二次衬砌范围、二次衬砌开裂等多种病害。文中对施工中的成功经验和教训进行了总结。 关键词　不良地质　隧道病害　施工方法文献标识码:B 漳龙高速公路位于福建省漳州市至龙岩市之间,与319国道同向,始于厦漳高速公路长洲立交桥,止于龙岩龙门镇,路线总长117.2km。龙岩境内38.6km,其中隧道群8×2共16座,隧道总长13206.4延米,占龙岩境内路线总长17.1%。在一、二期工程范围内已完工的8座隧道中,龙门隧道地程中实测的最大侧压力为9.71kPa,此值与防水层的刺破强度指标有量级上的差距,因而不会对防水层的完好性构成威胁。施工过程中侧压力不大的好处还在于防水层与喷射混凝土层间有较大的间隙,此间隙对防水层背面的排水极为有利。实测的防水层在施工过程中所受的压力(见表1)为进一步试验研究防水层的工作性态和理论分析工后防水层的受力状况提供了基础数据。表1　混凝土浇筑中防水层压力测试结果时间h1号传感器2号传感器3号传感器测值压力/kPa测值压力/kPa测值压力/kPa时间h1号传感器2号传感器3号传感器测值压力/kPa测值压力/kPa

测值压力/kPa02.180.000.150.001.750.00111.766.690.406.501.653.6812.150.480.201.301.730.74121.766.690.406.501.663.3121.874.940.385.981.615.16131.766.690.406.501.653.6831.579.710.375.721.528.47141.756.850.406.501.644.0541.628.920.355.201.567.00151.766.690.406.501.434.4251.589.550.488.581.586.26161.737.160.406.501.644.0561.717.480.447.541.615.16171.747.000.396.241.644.0571.747.000.416.761.672.95181.717.480.396.241.644.0581.747.000.416.761.644.05191.717.480.396.241.653.6891.766.690.406.501.644.05201.707.640.385.981.653.68101.756.850.416.761.644.05211.717.480.385.981.653.68参考文献1　中华人民共和国交通部标准.公路土工合成材料试验规程.人民交通出版社,1999.2　长吉高速公路建设办公室,西安公路交通大学.公路隧道防渗漏防冻胀试验研究报告.1999.收稿日期:2000-03-13　公路　2000年5月　第5期 HIGHWAY　May.2000　No.5　质条件最差,施工十分困难,在设计、业主、监理、施工多方协作下,共同攻关,完成了隧道施工。现将不良地质条件下的施工处理方法作一介绍。1　龙门隧道工程概况龙门隧道由甲线、乙线两座独立的单向隧道组成,隧道轴线间距40m,隧道路面净宽9.25m,净高6.9m。衬砌结构采用复合式衬砌,Ⅱ类围岩及Ⅱ类围岩加强段采用钢筋混凝土衬砌,Ⅲ类围岩采用素混凝土衬砌。原设计甲线长720m,乙线长766m。由于甲线进口、乙线出口明洞太长(甲线70m,乙线56m),而且浅埋偏压地段甲、乙线各有100多m,围岩极其软弱破碎,暗挖施工需采取地表注浆、混凝土反压、洞内超前管棚支护等综合处理措施,才能确保施工安全。故将明洞和一部分浅埋地段进行优化,改成路堑,甲、乙线共缩短238m。甲线里程为K103+500～K104+131,长632m;乙线里程为K103+511～K104+127,长616m。2　地质概况隧道所处山体为软岩。岩性主要为二迭系泥岩类(灰黑色薄层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩和少量浅灰色中——薄层状细砂岩以及炭质泥岩与煤层组成)。隧道所处山体断层构造发育,主要由一对轴向近南北、轴向倾向东(倾角70°)的复式向(居西),背斜(傍东)及其间发育的纵张断裂,压(扭)性断裂等组成一套复杂的构造。该山体民间采煤历史悠久,甲线出口、乙线进口端环绕山体遍布斜井,山体中密布采煤巷道和采空区。3　隧道施工情况龙门隧道从1996年6月28日开始掘进,经过2年零6个月艰苦施工,于1998年12月底完成了隧道的主体工程。从施工的结果来看,实际地质情况比设计探测的地质情况要差很多,类似Ⅰ类和Ⅱ类围岩甲线原设计155m,实际319m,增加164m;乙线原设计65m,实际300m,增加235m。而稳定性、整体性较好的围岩减少,尤其是龙门端地质更加复杂,甲线出口端有205m,乙线有95m几乎都是松散煤层组成,颗粒之间的粘结力很小,地下水丰富,稳定性极差,民间开采废弃的煤洞频繁出现。甲线的K103+887～+912段同时出现5条煤洞与隧道交叉,煤洞周围岩体无任何支护,结构不稳定,遇到爆破、振动极易坍塌。在这样的地质条件下,隧道施工曾碰到了以下病害:①掌子面坍塌;②拱顶部位塌后形成一定空腔;③煤洞空腔与拱边墙、拱脚平行;④拱顶坍塌,地表凹陷、开裂;⑤初期支护变形侵入二次衬砌范围;⑥二次衬砌开裂。4　病害的原因和处理方法4.1　掌子面坍塌掌子面坍塌的主要原因是地质条件太差,围岩软弱,一经爆破振动就坍塌,主观原因是施工方法不当,不宜爆破,开挖面不宜太宽。对这种松散体充填整个工作面采用了如下处理方法:(1)缩小开挖断面,把上台阶改为侧壁导坑掘进。(2)用0.5～1.5cm小石子混凝土对整个工作面进行喷浆,封闭整个工作面,防止因渗水漏水使坍塌面扩大。(3)注浆超前锚杆4m,每根间距50cm,每环搭接100cm,再进行掘进。(4)对已成形的断面及时进行初期支护。初期支护用16号工字钢架,每隔0.5～1.0m设置一榀,工字钢之间用Υ20钢筋连接。分二次喷射20号水泥混凝土,使厚度达到20cm。(5)对工作面的松散体和临时支护外侧的围岩,采用注浆加固,使松散体形成具有一定强度的大体积固结体;临时支护外侧形成一环形加固圈,缓解对衬砌支护压力。注浆材料用水泥浆,水泥标号宜用425号以上。浆液水灰比可根据现场情况进行调整,一般水灰比为0.5∶1～2∶1。注浆开始时水灰比可稍大,而后逐渐变小。(6)注浆后2d可开始掘进开挖。开挖时不准进行爆破,应人工用风镐沿支护外边缘挖出一榀钢支撑间距(0.50～0.75m)的深度,对先拱后墙的圆弧,分3～4段开挖和拼装工字型钢拱架。钢架拼好后,焊上Υ10间距为15cm×15cm的钢筋网,再分二次喷射20号混凝土20cm,而后才可用挖掘机挖去核心松散体。整个软弱面开挖就采用这种步步为营的办法。4.2　隧道顶部煤洞空穴或坍塌后形成一定空腔的处理方法(1)对坍塌面进行挂网喷浆,以防坍塌面扩大。(2)对于沿纵向小于2m的小型煤洞,设置超—49—　2000年　第5期 林伍湖　邱榕木:不良地质条件下隧道病害治理方法前小导管注浆或自钻式注浆锚杆注浆与钢架组成联合支护体系,然后用人工步步为营,开挖管棚下方土体,并立即打径向锚杆、挂网、钢架安装、喷混凝土进行封闭。(3)对于沿纵向大于2m的较大煤洞,沿隧道纵向开挖轮廓线外20cm打入Υ108mm的无缝钢管及轻轨,与钢架共同组成支护体系,钢管及轻轨环向间距40cm,并深入煤洞前方围岩不少于2m,与钢架一起在煤洞下方建立一个承载棚,在其防护下用人工进行隧道开挖,开挖深度每次不超过0.6m。(4)在承载棚上方的空腔用浆砌片石填充密实,以防再次塌方损坏支护体系。(5)挂网、喷20cm厚的20号混凝土。(6)铺设PVC防水卷材,在防水卷材靠围岩一侧用Υ50软式透水盲管把水引流至侧沟。(7)提前进行二次衬砌施作,主筋加大规格为Υ22。(8)对空腔内的填充均进行注浆固结。固浆宜用细砂拌制的水泥浆,水泥标号不应低于425号,水灰比现场调整。4.3　煤洞空腔和拱边墙与拱脚平行的处理方法(1)用先拱后墙法施工,拱脚碰到煤洞空腔时,先用浆砌片石填满空腔,并先注浆填充空隙,保证拱脚初期支护钢拱架和二次衬砌拱脚落到实处。(2)开挖边墙时,采用挖平井方式进行,应保留核心土,以防拱部下沉时,立即恢复拱架支撑。同侧开挖的长度不应大于1.5m,分段的位置应在拱部二次衬砌工作段的中部,不得在拱部的施工缝处,拱脚挖开后增加临时支撑。(3)拱边墙初期支护的钢架在边墙开挖后,必须延长至边墙底部,顶部应与拱部钢支撑对接。(4)支护范围外的空腔用浆砌片石填筑,注浆应密实。4.4　拱顶坍塌与地表面凹陷龙门隧道乙线K104+064～+074,K104+045～+056处于围岩断层上,洞内坍塌引起地表下沉一个直径约6m,深5m的坑,采用了以下处理方法:(1)对沉陷坑进行回填。沉陷坑处于山坡面向洞口的陡坡上,回填土取自沉陷坑的周围,并去除杂物、草根,把沉陷坑边缘较低侧的三角土块削平,回填夯实并高于边缘0.5m,使地表水不会积在坑内。(2)对刷坡的坡面和回填土表面进行防渗透处理。铺一层5号浆砌片石,并用砂浆抹面,防止渗水。2个月后发现浆砌片石有下沉现象,在上面加铺了一层18cm厚的钢筋混凝土面板。(3)在沉陷坑周边5m外设一浆砌截水天沟,引流地表水以防下渗。(4)加快这二个地段的二次衬砌和边墙、仰拱施工,使之成为封闭结构,改善衬砌的受力状态。(5)对地面开裂的裂缝用5号浆砌片石填塞,10号砂浆勾缝或抹面。处理结果令人满意,至今没有发现再下沉或开裂现象。4.5　初期支护变形侵入二次衬砌的处理龙门隧道乙线K103+965～+980初期支护3个月后,在隧道左侧离拱顶1/4拱高处出现混凝土块脱落、格栅钢架变形,变形后的初期支护局部侵入二次衬砌范围内10cm。该段的初期支护为锚杆、钢筋网、格栅钢架、喷混凝土和模筑混凝土,其中模筑混凝土占绝大部分,变形主要集中在该段已设格栅钢架的模筑混凝土支护地段。4.5.1　初期支护变形的原因(1)地质条件差。该段位于F①断层,从隧道开挖揭露的地质情况看,隧道左侧围岩松散、破碎,稳定性差,地下水较丰富,而右侧围岩相对完整。隧道左侧松散、破碎的围岩对初期支护产生较大的围岩压力。(2)洞顶煤洞和施工塌方的影响。围岩变形应是先快后慢,并趋向稳定,而该段变形是初期支护2个多月后加剧变形的。这一特点结合与隧道中线小角度相交的煤洞和当地连续的雨水天气分析认为:在隧道开挖施工过程中,对拱部煤洞岩体产生扰动,扰动后的围岩在连续雨天的影响下失稳,从而对隧道初期支护产生较大的压力和冲击。施工中又发生塌方,塌腔内填不密实,使围岩应力分布不均匀,导致初期支护局部变形。(3)初期支护结构形式不妥当。该段初期支护大部分采用30～40cm模筑混凝土。由于模筑混凝土初期支护刚度较大,阻止了围岩应力的进一步释放,使围岩在混凝土区产生局部弯拉应力,由于没有布设钢筋网,导致素混凝土区变形开裂。4.5.2　处理方法(1)在初期支护变形严重的位置布设16号工字钢钢架,间距0.5m,纵向用Υ22钢筋连接,间距1.2m,防止变形进一步发展。(2)在二次衬砌前对初期支护外侧的围岩、煤—50— 公 路 2000年　第5期　洞、施工塌腔注浆加固。注浆范围为支护外侧1.5m,注浆孔间距为1.0m×1.0m,梅花形布置。其目的是在初期支护外侧形成一个环形承载拱,以减轻衬砌支护压力,同时缓冲煤洞、塌腔再次塌方对衬砌的冲击。(3)对侵入二次衬砌范围内的初期支护予以凿除,满足二次衬砌的厚度。在初期支护变形严重位置增设工字型钢架浇筑在二次衬砌混凝土中。4.6　二次衬砌开裂的处理龙门隧道甲线K103+936～+985和乙线K103+990～K104+023在二次衬砌完成后,发现在两侧拱腰内侧出现纵向裂缝,缝宽1～8mm,为拉裂性裂缝。　4.6.1　开裂原因(1)工程水文地质条件差。两地段地层均为粉砂质泥岩与煤矸石互层,岩体节理裂隙杂乱,围岩稳定性差,易坍塌,洞顶出现废弃的采煤巷道,长距离与隧道轴线相交,掘进、初期支护过程中大小塌方不断。(2)施工方法不妥当。由于经常塌方,施工困难,此地段改成矿山法施工。而上台阶一次衬砌紧跟掌子面,爆破作业的冲击力,使刚完成的衬砌混凝土在初凝阶段强度较低时,产生隐性裂缝。加上拱圈外侧回填不好,围岩松弛,应力状态调整,承载加大,成拱条件进一步恶化,使作用于衬砌上的局部压力加大,引起混凝土开裂。(3)该段衬砌未配筋,而素混凝土抗拉强度低,当围岩压力较大时,产生了拉应力使衬砌出现裂缝。4.6.2　处理方法(1)在甲、乙线两段衬砌内侧,每隔1.0m设置一榀16号工字钢钢架加强支护,以防止衬砌继续开裂,并确保下步整治时的安全。(2)对衬砌外侧围岩、回填物进行注浆加固。注浆范围为衬砌外缘2.0m,注浆材料可用水泥砂浆,水泥标号应为425号以上,水灰比0.5∶1～2∶1。为克服水泥浆液可灌性差,凝结时间长且不易控制及浆液早期强度低等缺点,在水泥浆液中加入速凝剂和早强剂。注浆顺序从拱脚向拱顶,由下向上,从两端向中间进行,注浆孔间距1.0m,梅花型布置,注浆压力为0.4～0.6MPa。浆液流动很快时,可适当降低注浆压力;流动速度很慢时则可加大注浆压力;对流动快的采用多次注浆法注浆。注浆量以每孔3t水泥控制。(3)整段注浆完成后,利用物探方法无破损检测注浆加固圈的密度。如达不到注浆厚度和有空腔应补孔并补注浆。(4)调整施工工序计划,注浆完成后的7d,分段安排仰拱施工,以尽早形成封闭结构,改善结构受力状况。注浆效果观测:承包商根据处理方案的要求,对甲线K103+936～+985的二次衬砌裂缝进行了观测。观测结果表明钢架支护和注浆后裂缝已稳定,没有发展的趋势。为加强裂缝周边围岩的承载力和稳定性,1998年4月～8月,再次对裂缝段进行补压水泥砂浆,效果很好,至今没有发现裂缝有任何发展。乙线K103+990～K104+023段,1998年3月1日～5月7日进行监控量测,结果表明观测初期裂缝有发展,但随着压浆的进行,裂缝变形越来越慢,至1998年5月7日之后变形已趋稳定,达到了注浆的目的,无损物探结果也证明了这一点。5　值得总结的问题600多m长的隧道因地质条件差,从进场开工到主体基本完工整整干了2年半,所花费的劳力、材料、时间比一般地质条件隧道多出近一倍。从这座隧道的建设情况来看,既有客观地质条件的原因,也有设计和施工的原因。笔者认为有以下经验教训值得总结。(1)道路选线考虑地形地物因素多,考虑地质条件少。因公路等级是由二级汽车专用公路逐渐演变为高速公路,预可和工可报告中道路终点不在龙门镇与国道319线相接。初步设计时,改变了路线终点,增加了龙门隧道,而隧道迁就了路线走向,忽略了地质差的因素。(2)地质调查深度不够,误差大,造成设计、施工准备都不足。地质报告中没有详细反映废弃小煤窑的位置及可能造成的施工困难,设计单位没有专门设计,施工单位没有处理方案和材料的准备。(3)承包商重视不够,抱着侥幸心理,轻估了龙门隧道因地质条件差可能出现的问题。地质复杂的Ⅱ类围岩地段没有完全按照设计要求,没有采用自钻式注浆锚杆和超前管棚进行预加固处理,在坍塌发生时才进行补救,造成时间、资金的浪费。(4)施工方法不当,引发了初期支护的严重变形。一是上、下台阶断面分段不合理,上台阶断面超大,使开挖、支护作业时间长,开挖后的围岩不能形成自稳应力圈。二是承包商在经常塌方的情况下,采用初期模注混凝土取代喷锚混凝土。其原因是没有—51—　2000年　第5期 林伍湖　邱榕木:不良地质条件下隧道病害治理方法

公路隧道围岩不良地质的处理措施

随着高等级公路的普及，在崇山峻岭间，公路隧道的施工越来越多，隧道开挖的难度不断增加，隧道围岩施工不断出现不良地质情况，出现断层、崩塌、涌水等不良地质情况较多，种类繁杂，针对不同的不良地质情况，我们隧道施工技术管理人员势必要制定不同的处理对策，笔者结合隧道围岩分类及其开挖稳定状态，对隧道围岩施工中可能出现的不同不良地质情况的处理措施作了总结。

1、 隧道围岩分类及其开挖稳定状态情况

众所周知，公路隧道围岩分级将围岩分为六级，给出了各级围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性等指标，并预测了隧道开挖后的稳定状态。见下表。

表1公路隧道围岩分类

2、 隧道围岩不良地质情况及其处理对策

结合以上的隧道围岩的认识，对应隧道围岩可能出现的不良地质情况，笔者结合自身施工管理实践，针对其超欠挖、防排水、浅埋、偏压断层、塌方、涌水等不良病害，总结其处理对策如下。

2.1 隧道超欠挖的控制

洞身围岩以IV、V级为主的隧道，围岩裂缝发育，容易坍塌，开挖过程中容易出现超、欠挖，隧道施工中一个比较重要的原则是“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤测量、早封闭”，发挥围岩的自承能力，最大限度地控制和消除隧道在爆破开挖中的超欠挖，尤其在软弱、破碎围岩中。处理对策为：

（1）加强对爆破方案的设计，并通过现场爆破的反馈情况进行调整和优化。

（2）加强爆破后的检测，采用红外线断面仪等先进设备进行检测控制。

（3）建立一套有效的奖励处罚制度，落实到班组、个人。

2.2 隧道防排水

由于隧道穿过山体，在围岩裂隙发育的地段，有裂隙水通过，为确保隧道使用的长期性与结构的稳定性，需做好防排水工作。处理对策为：

为避免隧道建成后地下水流失对环境造成的不利影响，隧道防水应采取“以防为主，堵、截结合，综合治理”的原则对地下水进行综合治理，隧道二次衬砌结构采用全断面封闭结构防水。施工过程中隧道防水采取“以堵为主，堵、排结