隧道初期支护有效性对施工安全的影响

吴发展

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

0 引言

由于隧道工程的隐蔽性、受力复杂性、影响围岩稳定的未知因素多，支护措施有效性不足将造成隧道塌方的严重质量安全事故，规范施工，警钟长鸣。张金星(2012)［1］对祁连山隧道富水软弱围岩防坍塌施工技术进行了总结，分析了施工过程中影响围岩变形失稳塌方的因素，实例说明超前支护方案是保证围岩安全性与稳定性的关键所在。闫肃、董倩(2012)［2］对杨家湾隧道初期支护裂缝分析时，认为隧道的初期支护是新奥法中的主要承载结构，其作用主要是控制围岩的变形松弛，初期支护是保证施工安全的关键。王学敬(2012)［3］以新建太兴铁路小河隧道为例研究浅埋偏压黄土富水隧道施工变形机理和控制措施，开挖作用造成隧道周围地层中应力的变化伴随围岩位移(变形)变化，及时根据量测数据结果调整围岩支护参数和施作时间，确保了隧道施工安全。周嘉宾等(2012)［4］针对浅埋偏压隧道洞口段初期支护变形进行了分析与控制，如果设计或施工处理不当将发生初期支护产生过大变形，带来巨大的安全隐患。本文根据三座在建隧道的工程实例，探讨隧道初期支护有效性对施工安全的影响。

1 隧道支护有效性不足引发事故

山岭同隧道2012年8月在隧道上台阶立拱施工作业过程中，左侧围岩突然片帮坍塌，构成一般生产安全事故，按照“四不放过”原则进行事故原因分析并制定了整改措施。

1.1 原因分析

1)小导管前端没有嵌入掌子面岩层中，起不到管棚支护破碎围岩的作用，破碎围岩在自身重力的作用下失稳，是造成围岩坍塌的直接原因。从现场查勘和事故图片资料显示，最前面一环超前小导管距离掌子面水平距离约3.6 m(在上一开挖支护循环第二榀钢拱架处施作)，而小导管设计长度4 m，扣除外插角影响、型钢拱架翼板宽17.5 cm、尾端10 cm～20 cm的外露长度，以及施工误差，综合计算小导管水平有效长度约为3.3 m，这些因素导致小导管前端没有嵌入掌子面岩层中，起不到管棚支护破碎围岩的作用。

2)施工现场工序组织不合理，是造成此次事故发生的主要原因。现场每一循环开挖2 m，每两循环打设一次小导管，从而造成每两循环即有一次达不到“小导管纵向搭接不小于1 m”的规定，同时小导管前端不能嵌入掌子面岩层，起不到管棚预支护的作用。

因此，这是一起因现场施工组织管理不到位而导致的工序质量不符合设计，隧道支护有效性不足所引发的人身伤亡事故。

公司对责任人进行了责任追究:现场负责施工生产管理人员，在事故段围岩未按施工技术交底组织施工，对事故的发生负主要管理责任。安全生产管理人员对超前小导管预支护施工问题带来的安全隐患监督检查不到位，对事故的发生负有监督管理责任。其他相关责任人按干部管理权限规定也进行了追究处理。

1.2 整改措施

发挥施工技术管理系统、生产指挥管理系统和过程监督管理系统“三位一体”作用，提高协同工作能力。三个系统统一步调、统一计划、统一认识，相互联系、协调、配合，实现项目管理的目的。施工技术管理系统负责施工技术方案的确定和技术交底，同时进行技术跟踪，对不按方案和交底施工的问题，督促生产指挥系统处理，在方案和交底不适宜现场实施时，对其进行调整;生产指挥系统负责按照施工技术方案和技术交底组织现场施工生产，并且对现场实施中出现的问题组织整改，对方案和交底不适宜的情况及时反馈给施工技术系统予以调整解决;过程监督系统负责监督检查施工技术方案和技术交底的制定和实施，对现场出现的违规问题协调、督促施工技术管理系统或生产指挥系统解决。在施工工期、成本与安全发生矛盾时，施工技术管理系统、生产指挥管理系统和过程监督管理系统“三大系统”应共同研究切实可行的施工技术和施工组织措施，在保证安全的前提下，加快进度，控制成本。要针对隧道掌子面施工情况，组织研究确定如何既能满足设计要求和设计意图，又能使开挖、支护技术方案与现场生产组织相协调，形成具体可操作的施工技术措施，并严肃纪律、严格落实。吸取事故教训，对隧道初期支护的有效性进行认真检查，初期支护起到稳定隧道围岩的作用，为施工安全提供保障。

2 隧道支护未及时调整引发塌方

山岭木隧道出口段设计围岩级别为Ⅴ级软岩，支护参数:初期支护以网喷混凝土+锚杆+工字钢架组成，锚杆拱墙布置，长4.5 m，环纵间距 1.2 m ×1.0 m，呈梅花状布置，拱部和边墙均采用R32N自进式锚杆;拱部120°范围内布设φ42超前注浆小导管，长度 L=3.5 m/根，环向间距0.4 m;Ⅰ20b 工字钢架拱、墙、仰拱全环架设，间距0.5 m/榀;拱、墙全环布置φ8钢筋网片，网格尺寸20 cm×20 cm;纵向连接筋环向间距1.0 m，采用φ22钢筋制作;拱、墙喷射C30混凝土，喷射混凝土厚度为33 cm。开挖情况揭示围岩主要为碳质板岩，薄层状，局部层理扭曲，围岩无明显的产状，坍方处围岩酥松，地下水不发育，局部有滴水，开挖掉块比较严重。

2.1 塌方情况

2010年2月24日4:00，隧道出口左线开挖施工至DK191+448.55，拱架架立完成后进行喷浆作业，拱顶发生掉块，将已架设好的拱架砸弯变形。将变形拱架进行拆换处理，在喷浆过程中拱顶又发生掉块，将拆换后的拱架砸弯变形。先后对拱架进行拆换3次，拆换拱架5榀，仍未能架立成功，于2010年2月24日晚23:00发生较大坍塌，掌子面围岩挤出掌子面，致使拱顶临空面扩大，拱顶围岩坍塌，坍塌范围扩大至DK191+459段，坍塌体堆至拱顶，拱顶存在很大空洞，塌方量大致为1500 m3。

2.2 塌方原因分析

施工过程中未能重视围岩变化，对围岩变软后未及时根据地质条件变化调整施工方案和支护参数，未能及时更改施工工艺。掌子面围岩开挖易剥离，掌子面两台阶施工，核心土预留过短，无法抵住大断面围岩压力是本次塌方主要原因。初期支护施作质量是影响隧道变形塌方的原因之一［5］，钢筋网片搭接长度不足、喷射混凝土不均匀等直接造成支护刚度的减小。

2.3 补强措施

每循环支护完成后径向打设φ42 mm无缝钢管，L=4.5 m，间距100 cm，梅花形布置，形成加固圈，减小围岩初支压力。掌子面打设φ42 mm无缝钢管，长度1.5 m，间距1 m×1 m，梅花形布置，注浆加固掌子面松散围岩，防止掌子面围岩挤出掌子面。

在支护参数调整与防坍塌方面，李汉军(2007)［6］在某三线大跨隧道坍方原因分析时指出，施工单位根据监控量测情况申请加强支护，业主为控制投资未同意，施工单位仍按原设计施工，没能及时调整支护参数是造成坍方的主要原因。业主方按动态设计管理办法成立现场管理小组，及时协调支护参数加强，对防止坍塌将有积极意义。

3 隧道初期支护刚度对围岩变形的影响

马家山隧道进口DK240+170～DK240+238段在掘进进入DK240+170以后，掌子面为强风化板岩，泥岩，板岩岩体非常破碎，地应力较大，泥岩体结构面交错多变，掌子面开挖后围岩易沿结构面发生坍塌掉块(见图1)，易造成局部超挖，DK240+222最大收敛60 cm、累计收敛130 cm，由于现有初期支护不能抵抗围岩变形，经四方会勘，从DK240+181起，原有Ⅰ20b钢架调整为H175型钢，拱架间距0.8 m/榀。

DK240+238～DK240+288段围岩以泥岩为主，开挖后掌子面围岩失稳易产生坍塌，原设计初支参数:φ6 mm钢筋网片+拱部组合中空锚杆，经四方会勘，支护加强为H175+Ⅰ18双层拱架支护体系。上、中台阶拱架屈服扭曲图见图2。

岩层低强度是隧道发生大变形的地质因素，但在高地应力条件下，隧道初期支护强度储备不够，因大变形引起初期支护结构破坏，无法保证施工安全。对软弱围岩要及时地支护，而且要封闭成环，隧道支护成为闭合受力结构，可以在很大程度上改善围岩受力状态，与围岩共同形成受力体系［7］。为控制变形，隧道支护三次加强［8］，DK240+181起现场钢架由原来Ⅰ20b改为H175型钢钢架，拱架间距0.6 m;在DK240+238开始支护时，再次加强为外侧立H175钢架、内侧立Ⅰ18钢架的双层拱架喷射混凝土支护体系，并增加锁脚锚杆及锁脚锚杆系统化。通过加强初期支护提高支护刚度等措施，使支护强度能够抵抗围岩应力，有效地抑制变形的发展，保证了施工安全。

图1 板岩脱落后露出泥化构造面，开挖后自动滑落

图2 上、中台阶拱架屈服扭曲

4 结语

1)严格按设计施工，满足“小导管纵向搭接不小于1 m”的规定，小导管前端嵌入掌子面岩层中，起到管棚支护破碎围岩的作用，确保支护的有效性，为施工生产创造一个安全的工作环境。

2)根据开挖揭露出的实际围岩，研究支护的施作时间、刚度与围岩稳定的关系，与设计单位联系按实际情况进行变更，及时调整支护参数增加支护刚度，以使施工合规，支护刚度能够抵御地应力产生的变形。

3)隧道施工结合工程实际情况，认真做好监控量测，对量测数据及时分析并反馈指导施工，以便进行动态设计与施工，调整围岩支护参数和施作时间，确保隧道施工安全。

隧道初期支护有效是确保施工安全的重要保证。

［1］张金星.祁连山隧道富水软弱围岩防坍塌施工技术［J］.现代隧道技术，2012，49(sup):417-420.

［2］闫 肃，董 倩.杨家湾隧道初期支护裂缝分析与处理技术［J］.现代隧道技术，2012，49(sup):453-456.

［3］王学敬.浅埋偏压黄土富水隧道施工变形控制［J］.现代隧道技术，2012，49(sup):421-425.

［4］周嘉宾，张小旺，侯腾飞.浅埋偏压隧道洞口段初期支护变形分析与控制［J］.地下空间与工程学报，2012，8(S1):1411-1417.

［5］陈凤熔.特征曲线法及其在隧道塌方分析中的应用［J］.隧道建设，2007，27(sup):15-17.

［6］李汉军.三线大跨隧道坍方处理施工技术［J］.隧道建设，2007，27(sup):76-78.

［7］何 磊，杨 斌，王更峰，等.高地应力软岩隧道施工动态控制与优化研究［J］.现代隧道技术，2011，48(2):44-48.

［8］吴发展，魏 立.马家山隧道进口变形控制施工技术［J］.现代隧道技术，2012，49(sup):360-364.