軟弱巖層隧道掘進多種異常情況的綜合處理措施

張 朋 崗， 王 俊 賢， 魯 金 貴， 劉 鐵

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

隧道出口段施工過程中，在其左側(cè)高位沖溝的水壓作用下，滲流體通過圍巖裂隙和松散土體于K90+474.50處掌子面左側(cè)(沿樁號方向)拱腳處涌出形成涌水，水體攜帶少量泥沙，通過水泵抽排估算其涌水量約為96 m3/h。

左側(cè)巖體中的細顆粒(泥沙)經(jīng)涌水通道排出，同時流水導(dǎo)致巖體進一步軟化，造成其相互間的摩擦力和嵌擠力減小，失去了原有的受力平衡狀態(tài)，造成掌子面塌方。該塌方位于左側(cè)拱頂部位，長約7.8 m，寬約3.6 m，深達5.6 m以上，呈不規(guī)則多邊形狀。

在此軟弱巖層地質(zhì)條件下，隨著水體通過涌水通道排出使巖層內(nèi)的水壓力得到釋放，在水流走的同時攜帶走了裂隙中的泥沙，導(dǎo)致初期支護外部圍巖或土體原有結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)發(fā)生了較大改變而失穩(wěn)，產(chǎn)生了對初期支護結(jié)構(gòu)快而猛的較大壓力，導(dǎo)致K90+488.50位置左半側(cè)出現(xiàn)了肉眼可見的初期支護開裂現(xiàn)象，裂縫的最大寬度達9 cm，已延伸過拱頂。通過緊急組織隧道出口段量測發(fā)現(xiàn)：K90+551.00～K90+571.00段主要為拱腰附近，變形量較小，最大周邊位移累計值不超過62 mm，最大拱頂下沉累計值不超過23 mm；K90+476.00～K90+516.00段主要為拱腳至拱頂整個左半側(cè)，其中K90+476.00～K90+507.00段表現(xiàn)的最為嚴重，最大周邊位移累計值達343.28 mm，最大拱頂下沉累計值達81.73 mm。因此，必須采取有效措施進行治理。為此，項目部研究制定了針對軟弱巖層隧道掘進多種異常情況的綜合處理措施，闡述于后。

2 快速穩(wěn)固綜合處理措施

2.1 綜合處理程序

通過對掌子面的涌水、塌方、初期支護變形開裂原因進行分析后，不難得出它們相互之間是以涌水攜泥沙排出造成巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而形成的關(guān)聯(lián)體，因此，需要根據(jù)其嚴重情況、產(chǎn)生的原因和相互之間的聯(lián)系采用合理的程序進行綜合處理，以避免處理不當造成事態(tài)擴大，達到快速穩(wěn)固的目的。

綜合處理程序的整體思路：

(1)為避免不穩(wěn)定情況進一步發(fā)展而出現(xiàn)局部洞段或全洞段坍塌等嚴重情況，應(yīng)采取回填渣料反壓這種施工速度快、可迅速起到反作用力的措施進行應(yīng)急處理。

(2)由于經(jīng)壓實的渣料屬柔性材料體，失去穩(wěn)定的地層作用于初期支護會使其產(chǎn)生持續(xù)、緩慢的變形，因此，應(yīng)在初期支護變形較大的部位進行臨時型鋼支撐加強，使變形結(jié)構(gòu)快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鑒于K90+476.00～K90+507.00段初期支護變形最為嚴重(已出現(xiàn)開裂現(xiàn)象)，僅依靠以上兩種措施恐難達到預(yù)期效果，需要采用護拱對該段進行補強加固。

(4)考慮到支護結(jié)構(gòu)對隧道工程主體安全和質(zhì)量的影響，應(yīng)根據(jù)實際情況對變形段和掌子面塌腔分別采取小導(dǎo)管注漿、混凝土回填塌腔等永久支護措施進行穩(wěn)固。

(5)采用小導(dǎo)管注漿加固措施后，通過超前鉆孔和觀察涌水量、攜帶泥沙量情況，研究采用涌水導(dǎo)排、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿堵水或超前圍巖預(yù)注漿等措施進行處理。

特別需要注意：在完成永久支護穩(wěn)固措施前，不得對掌子面涌水采取注漿等方式進行封堵，以避免地層在高位沖溝水的作用下重新充滿水，導(dǎo)致已不穩(wěn)定的圍巖(或土石結(jié)構(gòu))與水壓力共同作用在初期支護結(jié)構(gòu)上使變形、開裂情況進一步擴大。綜合處理程序詳見圖1。

圖1 綜合處理程序示意圖

2.2 各項處理措施的實施

各項處理措施的相關(guān)參數(shù)均應(yīng)針對現(xiàn)場具體情況制定，施工時必須嚴格遵循綜合處理程序，以確保達到良好的預(yù)期效果。

2.2.1 回填反壓應(yīng)急處理

(1)掌子面回填反壓。為保持掌子面整體穩(wěn)定，采用了整個掌子面回填反壓[1]措施。反壓體為底寬7.93 m、頂寬1 m、高4.93 m、外坡比為1∶1的梯形結(jié)構(gòu)。掌子面回填反壓情況見圖2。底部涌水通道處采用塊石回填以便于排水；其上部采用土石混合料回填；距拱頂以下2 m、機械操作不方便的范圍采用人工堆填沙袋(50 kg/個)。

(2)整個洞段拱腳回填反壓。采取對整個洞段的拱腳實施回填反壓措施，確保已開挖洞段的整體穩(wěn)定。回填料采用隧道出口段開挖的土石混合料，反壓范圍為兩側(cè)拱腳，反壓體為底寬3 m、頂寬1 m、高2 m、外坡為1∶1的梯形結(jié)構(gòu)。由于初期支護變形開裂最為嚴重的洞段緊挨掌子面，因此采用從內(nèi)向外進行反壓的施工措施可以達到應(yīng)急效果。為保證反壓效果，反壓體采用分層回填分層碾壓的方式進行施工，將分層厚度控制在40 cm以內(nèi)，將壓實度盡量控制在80%以上。

2.2.2 臨時型鋼支撐加強

在拱腳回填反壓完成后，及時采用I18工字鋼分別對K90+476.00～K90+516.00段和K90+551.00～K90+571.00段初期支護的兩側(cè)進行臨時鋼支撐加固[2]。斜撐的上端支撐在變形最大的拱腰部位(高度為3.5 m)，使臨時型鋼支撐更有效地對初期支護施加反作用力以遏制反壓處理后緩慢變形的趨勢。

圖2 掌子面回填反壓示意圖

2.2.3 嚴重變形段護拱補強與換拱處理

(1)護拱補強施工。由于K90+476.00～K90+507.00段初期支護變形、開裂情況最為嚴重，范圍超過整個左半側(cè)，此時采用拱腳反壓和拱腰的型鋼支撐措施對上部作用效果欠佳，而通過設(shè)置護拱的措施可以在變形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)形成完整的拱形抗力結(jié)構(gòu)，使該段整個支護斷面得到護拱補強[3]。護拱采用I18工字鋼與原有初期支護密貼；布置間距為1 m；采用Φ22 mm自進式砂漿錨桿鎖腳，鎖腳錨桿的長度為4.5 m，分別設(shè)在各節(jié)點部位。護拱之間采用Φ22 mm螺紋鋼筋進行縱向連接，在設(shè)置Φ6 mm、間距為20 cm的鋼筋網(wǎng)片后進行C20噴混凝土施工，厚度為20 cm。

(2)換拱處理施工。由于該段變形量較大、造成初期支護大面積侵線，因此，必須在二次襯砌施工前進行換拱處理。為保證施工安全，在全斷面小導(dǎo)管注漿加固達到預(yù)期效果的情況下，采取分段、分步、分序施工的方式進行拆換。每個施工段長度為3.2 m(4榀型鋼拱架)；每個施工段按照型鋼拱架設(shè)計的5節(jié)段先拱頂、再拱肩、最后拱墻的順序分步進行施工，同一施工段的相同節(jié)段一次施工，如同一施工段上的4榀型鋼拱架的拱頂節(jié)段同時拆換；拱肩和拱墻節(jié)的左右側(cè)按照“誰弱誰后拆換”的原則先進行右側(cè)施工。護拱拆除后，復(fù)測型鋼拱架初期支護的變形和侵線情況，確定拆除部位，型鋼拱架按照設(shè)計圖紙重新施工。每個施工段完成后，及時施做仰拱并回填片石混凝土壓重；在滿足一個襯砌段后應(yīng)及時進行襯砌混凝土施工，進一步促進隧道的整體穩(wěn)定。

2.2.4 實施永久支護措施加強穩(wěn)固

從隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性出發(fā)，分情況實施永久支護穩(wěn)固措施，主要為：對掌子面塌腔采取回填混凝土措施，對K90+551.00～K90+571.00段采取增設(shè)鎖拱錨桿措施，對K90+476.00～K90+516.00段采取全斷面小導(dǎo)管注漿措施。

(1)掌子面塌腔回填。因塌腔較小，最終采用C20自密實混凝土進行掌子面塌腔回填[4]。在掌子面反壓體施工到距拱頂1.8 m左右時，正式回填前先由人工采用輔助支架從側(cè)面將噴頭伸入塌腔內(nèi)對塌腔進行素噴，穩(wěn)固其內(nèi)部塊體；正式回填在反壓至拱頂后進行，通過反壓體施做底部支撐，泵送入倉回填。掌子面塌腔回填施工情況見圖3。

①利用I18工字鋼和鋼管在反壓體頂部設(shè)置懸挑支撐進行底模施工。底模施工時，沿反壓體外側(cè)中間位置間隔1 m預(yù)埋兩根伸入塌腔的Φ90 mm鋼管，伸入深度分別為2 m和4 m，作為混凝土回填的入倉口；同時，在塌腔內(nèi)設(shè)置1根伸入頂部的Φ42 mm鋼管作為排氣孔和回填檢查孔。

圖3 掌子面塌腔回填施工示意圖

②塌腔混凝土采用分層回填的方式，自下而上的分層高度分別為1.5 m、2 m和2.1 m，根據(jù)塌腔斷面尺寸估算混凝土量，第1層由埋入深度為2 m的鋼管入倉，后兩層由埋入深度為4 m的鋼管入倉。前兩層混凝土的回填施工需間隔3 d，此時第1層混凝土結(jié)構(gòu)已具備一定的強度，可與下部支撐結(jié)構(gòu)共同承受上部荷載，從而進一步確保了支撐的穩(wěn)定。

③ 根據(jù)分層回填時間間隔要求，混凝土施工完成的時間為7 d左右，在對其底部支撐和部分頂部反壓體拆除后及時沿塌方空腔徑向施打Φ42 mm小導(dǎo)管進行圍巖注漿，小導(dǎo)管入巖深度不小于1 m,間距為1 m,排距為0.8 m，梅花形布置。另外，沿塌腔兩側(cè)位置各施打兩排Φ22 mm砂漿錨桿，長度為4 m,間距為1 m,排距為0.8 m,穿過回填混凝土并深入基巖內(nèi)不小于1 m,將回填混凝土與圍巖聯(lián)結(jié)成整體。

(2)小導(dǎo)管注漿加固。鑒于K90+476.00～K90+516.00洞段初期支護背后很可能出現(xiàn)了較大范圍的松散體和局部空腔，遂采用Φ42 mm鋼花管進行了全斷面小導(dǎo)管注漿加固[5]處理，對初期支護背后的地層進行固結(jié)。施工前，采用地質(zhì)雷達進行斷面掃描，結(jié)合鉆孔測速經(jīng)驗判斷初期支護背后是否存在空腔以及空腔的范圍，以確定采用適合的材料進行灌注。對于不存在空腔的部位采用水泥凈漿灌注；對于存在局部空腔的部位采用水泥砂漿灌注。鋼花管按2 m×2 m梅花形布置，深度為2 m；P·O42.5水泥凈漿水灰比宜為0.5～0.8，水泥砂漿的強度不小于M20；自下而上間隔注漿，將注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa。

(3)增設(shè)鎖拱錨桿。鑒于K90+551.00～K90+571.00洞段初期支護變形部位較為集中且變形量較小，主要表現(xiàn)為型鋼拱架內(nèi)移，因此，采用在其兩側(cè)相應(yīng)位置增設(shè)兩排鎖拱錨桿的措施可以起到較好的、有針對性的加固效果。鎖拱錨桿采用長度為3 m的Φ22 mm砂漿錨桿，兩排環(huán)向間距為60 cm，每排的每榀型鋼拱架設(shè)2根，即每榀型鋼拱架共8根；采用Φ22 mm的縱向連接筋與鎖腳錨桿端部焊接連接成整體；再次補噴加固。

2.2.5 涌水的處理

根據(jù)所確定的綜合處理程序，涌水處理分為兩個階段：

第一階段為掌子面回填反壓應(yīng)急處理階段。在涌水流經(jīng)位置設(shè)置斷面為2 m×1 m的塊石回填帶，反壓體回填后形成暗溝，使水順利通過塌方體和反壓體并引至集水坑進行抽排處理。

第二階段在采取永久支護措施進行穩(wěn)定加固后。全斷面小導(dǎo)管注漿對圍巖裂隙和涌水通道起到了一定的封堵作用，使掌子面的出水量明顯減少，僅存在少量滲流且泥沙含量極少。另外，在涌水點上方1 m左右設(shè)3個、深9 m的超前鉆孔，分別布置在隧道徑向側(cè)壁、涌水點正上方和距正上方1 m處。結(jié)果顯示：第一個超前鉆孔未出現(xiàn)流水現(xiàn)象，第二個超前鉆孔與涌水點出水量基本相同，第三個超前鉆孔出現(xiàn)了少量外浸水。結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報，綜合考慮目前出水量、泥沙攜帶量均極小的情況，該工程對滲水主要采取了集中引排措施。

2.3 加強監(jiān)控量測

鑒于初期支護變形較為嚴重的K90+476.00～K90+507.00段隧道埋深H0已遠大于2.5倍的隧道開挖寬度B，初期支護的穩(wěn)定情況除進行洞內(nèi)觀察外，主要通過周邊位移及拱頂下沉監(jiān)測完成。因此，監(jiān)測斷面的加密和監(jiān)測頻率的加大是進一步掌握圍巖、初期支護穩(wěn)定性的最有效手段。

(1)加密布設(shè)監(jiān)測斷面：對初期支護變形段的拱頂和兩拱腰分別增設(shè)了拱頂下沉測點和周邊位移測點，加密后的測點縱向間距不超過5 m，測點鉆孔埋設(shè)深度不小于0.2 m。

(2)加大監(jiān)測頻率：周邊位移采用收斂計觀測，拱頂下沉采用水準儀觀測，觀測頻率較規(guī)范規(guī)定的正常情況下呈2倍以上增加。具體的量測頻率見表1。

表1 量測頻率一覽表

通過對量測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和繪制位移-時間曲線，可直觀地反映圍巖和支護的穩(wěn)定狀態(tài)，以便及時預(yù)警或指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)整處理措施和具體的處理參數(shù)。

2.4 所采取的后續(xù)施工控制措施

(1)調(diào)整支護參數(shù)，提高支護強度。開挖揭露的地質(zhì)情況表明：出口洞段多為土石結(jié)合體和部分松散、破碎圍巖，原Φ22 mm的砂漿錨桿對該洞段的穩(wěn)固效果相對較差，因此，在與設(shè)計溝通后將拱部150°范圍調(diào)整為Φ42 mm大角度注漿小導(dǎo)管，對隧道拱部進行注漿固結(jié)。徑向注漿小導(dǎo)管長度為3 m，環(huán)向間距為100 cm，縱向間距為100 cm；一環(huán)45°角，一環(huán)90°角，交錯布置。采用PO42.5水泥凈漿注漿，水灰比宜為0.5～0.8，自下而上間隔注漿，將注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa。

(2)及時進行二襯混凝土施工。初期支護變形段在采取相應(yīng)措施加強穩(wěn)固后，應(yīng)及時組織進行混凝土二襯施工，45 cm厚的C30高強度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可為初期支護提供可靠的支撐作用，與初期支護共同抵抗外部圍巖壓力、構(gòu)建平衡穩(wěn)定體系以確保隧道工程安全。其他洞段利用隧道軟巖變形控制中“先放后抗”的原理[6]，在圍巖變形有所減緩時，及時實施二襯混凝土施工跟進，有效控制圍巖變形。

3 處理效果評價

(1)掌子面涌水的處理效果。處理措施實施后，長時間未出現(xiàn)水量增大和水體變渾濁現(xiàn)象，且未對初期支護和巖基產(chǎn)生不利影響；出水點單一，可在隧道混凝土襯砌和仰拱施工時采用Φ90 mm PVC管將水集中引排至中心排水溝內(nèi)做永久排水處理。

(2)掌子面塌方的處理效果。通過回填反壓措施對掌子面施加反作用力，有效控制了掌子面剝落、滑坍現(xiàn)象；頂部塌腔回填密實，與周圍巖層連接牢固，整體性良好。在后續(xù)施工過程中，通過嚴格控制正臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土施工工法，采取了對掌子面初噴并及時施做初期支護等穩(wěn)固措施，已順利穿過隧道出口Ⅴ類圍巖地層段。

(3)初期支護變形開裂的穩(wěn)固處理效果。K90+551.00～K90+571.00洞段初期支護變形量較小，經(jīng)回填反壓和型鋼臨時支撐后巖體變形情況立即得到有效控制，在同時采取增設(shè)鎖拱錨桿對永久支護進行加強穩(wěn)固后，經(jīng)處理完成到鋼筋混凝土二次襯砌施工時其變形量已極小。

鑒于K90+476.00～K90+507.00洞段初期支護變形量較大，處理過程中采取了多種穩(wěn)固措施進行處理，各項措施的實施對變形控制體現(xiàn)為逐步加強過程。通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)(位移)-時間曲線(拱頂下沉累計值-時間曲線見圖4，周邊位移累計值-時間曲線見圖5)具體分析如下：

① 在初期支護變形開裂現(xiàn)象出現(xiàn)后(2021年8月9日)，所采取的回填反壓應(yīng)急措施對周邊位移和拱頂下沉均起到了有效的控制作用，但變形情況仍在緩慢發(fā)展，尤其是反壓體不能直接作用到的位置其變形速度(反映為拱頂下沉)相對較大。

② 實施臨時型鋼支撐加固后(2021年8月11日)，初期支護的變形速度明顯下降，切實起到了支撐加強和變形遏制作用。

③ 護拱對隧道整體斷面具有較大的穩(wěn)固作用：護拱施工完成(2021年8月13日)并經(jīng)過1～2 d的短時間過渡后，其周邊位移和拱頂下沉曲線逐漸向平緩狀態(tài)發(fā)展并出現(xiàn)收斂趨勢。

圖4 拱頂下沉累計值-時間曲線圖

圖5 周邊位移累計值-時間曲線圖

④ 通過拱頂下沉累計值-時間曲線圖和周邊位移累計值-時間曲線圖看，初期支護出現(xiàn)較大變形后4 d左右已達到基本穩(wěn)定狀態(tài)，說明所采取的處理措施具有快速穩(wěn)固特點。

⑤ 經(jīng)探查，小導(dǎo)管注漿已使初期支護外側(cè)1.5～2.5 m左右范圍的地層良好固結(jié)，形成了完整的拱形結(jié)構(gòu)圈，所產(chǎn)生的薄殼效應(yīng)具有較大的受壓特性，不僅會對初期支護變形起到較大的遏制作用，而且永久支護的加強會進一步提高隧道整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

4 結(jié) 語

軟弱巖層隧道施工過程發(fā)生不良異常情況的可能性較大，且一旦出現(xiàn)往往伴隨著一到數(shù)種情況發(fā)生。通過對隧道掌子面涌水、塌方、初期支護變形開裂的產(chǎn)生原因進行分析，較準確地推斷出其相互之間的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過研究后確定了科學(xué)的綜合處理措施并予以實施，避免了因盲目處理而導(dǎo)致的情況惡化，達到了快速穩(wěn)固的目的，所取得的經(jīng)驗可為類似工程情況處理提供借鑒。