柿子园隧道进口初支侵限变形分析及控制措施

王运超 朱超杨 孟 全

(河南省建院勘测设计有限公司，河南 郑州 450014)

1 工程概况

柿子园隧道D2K77+075～D2K77+170段，埋深60 m～70 m，掌子面揭示围岩为三叠系上统须家河组(T3x)泥灰岩夹砂岩，以泥灰岩为主，结合力较差；该段均处于Ⅴ级围岩段。该里程范围采用三台阶法开挖，采用复合式衬砌。设计分别采用Ⅴ级复合绝缘一般锚段、Ⅴ级复合隔离开关、Ⅴ级复合绝缘下锚等三种衬砌结构。全环采用Ⅰ20b型钢钢架加强支护，间距0.8 m/榀；拱部采用φ42小导管超前支护，绝缘一般锚段每环38根，隔离开关、绝缘下锚段每环40根，纵向间距3.2 m，单根长度4.5 m。设计支护参数见表1。

表1 隧道变形段设计支护参数表

2 变形情况及原因

2.1 结构侵限变形情况

柿子园隧道进口D2K77+075～D2K77+170段初期支护出现变形侵限，个别钢架发生扭曲、断裂(见图1a))，拱顶喷射混凝土开裂掉块(见图1b))。现场测量已施工仰拱填充段初期支护局部最大侵限9.8 cm，已施作初期支护段局部最大侵限34.0 cm，各里程段监测结果见表2。

2.2 侵限变形原因

该段初支发生变形侵限由下述多种因素造成：

1)高地应力：该段埋深约60 m，处于地表冲沟一侧下方，地形条件不利于地应力集中，高地应力引起变形的可能性较小。2)顺层偏压：岩层产状NE20°～45°，与隧道走向夹角10°～30°，倾向NW(掌子面左侧)，倾角约30°～50°，产状与隧道走向的不利组合形成洞内顺层现象，加之层理发育，隧道开挖后在左侧起拱线部位形成应力集中，造成岩体局部破坏，引起隧道左侧屈服变形；右侧在初期支护衬砌作用下，边墙部位顺层坍滑现象较少，引起变形量亦不大，但经左侧屈服变形后，岩石松动圈增大，牵引右侧变形。3)岩体裂隙、微裂隙发育：本段处于两条断层之间，靠近彭县—灌县活动断裂，构造极发育，岩层压扭、挠曲现象很多；单从掌子面的岩体情况看，岩体完整性一般，但从开挖的碴样看，块体很小，多呈角砾状，说明岩体内部的微裂隙较为发育，这就为岩体的破坏创造了必要的边界条件。4)地下水作用：地下水渗入岩体结构面，降低层间结合力，弱化岩体稳定性，加剧围岩变形。

表2 柿子园隧道进口初支断面监测结果汇总表

3 变形段处理措施

3.1 D2K77+075～D2K77+170段增设套拱

1)逐榀架设Ⅰ22b套拱，并尽量与原初期支护密贴，间距1.0 m/榀，各节钢架以螺栓连接，连接板应密贴。每榀套拱每侧各安设4根φ42锁脚锚管将其锁定，锁脚锚管长度4.5 m，钢架两侧增设φ22定位锚杆进行固定，锚杆长度1.5 m，环向间距1.2 m。根据加固后围岩监控量测情况，选择在套拱的拱腰位置增设一道Ⅰ22b型钢横撑，拱顶与仰拱填充(临时仰拱)之间增设一道Ⅰ22b型钢竖向支撑(见图2)。

2)套拱钢架纵向连接采用Φ22钢筋，环向间距1 m，待套拱纵向施工段长度达到9 m时，在两侧拱脚及拱腰位置各设1道Ⅰ18型钢加劲肋进行纵向连接加固。

3.2 D2K77+124～D2K77+170段施作临时仰拱

架设底部Ⅰ22b型钢临时横撑，纵向间距与初期支护钢架保持一致，Ⅰ22b临时横撑连接处或与钢架连接处均设置钢垫板(260 mm×200 mm×16 mm)，相邻临时横撑之间采用Ⅰ22型钢“K”形连接，铺设φ8钢筋网，间距20 cm×20 cm，并喷C30混凝土(厚30 cm)封闭临时仰拱(见图3)。

3.3 径向注浆加固围岩

1)对D2K77+075～D2K77+170初期支护变形段拱墙采用φ42小导管径向注浆，小导管长度5 m，纵、环向间距0.8 m×1.0 m，梅花形布设(见图4)，注浆材料采用水泥浆，水泥浆水灰比取1∶(0.8～1)，具体配合比根据现场试验情况进行确定。

2)小导管采用φ42无缝热轧钢管制成，在前部钻孔注浆，孔径6 mm～8 mm，孔间距10 cm～20 cm，呈梅花形布置(见图5)，前端加工成锥形，尾部长度不小于30 cm，作为不钻孔的止浆段。

3)小导管安装采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径大3 mm～5 mm，然后将小导管用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出。注浆终压一般为0.5 MPa～1 MPa。

3.4 D2K77+075～D2K77+121变形侵限地段换拱

在侵限换拱施工之前加工好侵限换拱台架和制作换拱所需的钢拱架。首榀钢拱架加工完毕后，在水泥地上试拼，当各部尺寸均符合设计要求时，方可批量生产，周边拼装允许偏差为±3 cm，平面翘曲小于2 cm，拱架加工预留25 cm变形量。注浆完成后，从已施工二衬段向掌子面逐榀拆换，拆除采用人工手持风镐进行，钢架拆除后进行人工扩挖至预留变形量增大的断面尺寸后，拆除顺序一般采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆换，拆除一个单元，支护一个单元。

3.5 加强监控量测工作

1)监控量测不仅对原初期支护钢架变形进行观测，对置换后的拱架同样要加强观测，量测人员应及时对测量结果进行分析。

2)开挖过程中注意观察初期支护状态包括喷混凝土层是否产生裂缝、剥离和剪切破坏、支撑是否压屈变形进行观察分析，对以上情况进行详细描述、记录，并予以评估，作为及时采取支护参数选择的参考及量测等级选择的依据。

4 结语

正确的支护设计方案能有效的控制结构变形侵限问题。对柿子园隧道进口D2K76+075～D2K76+175里程段采取增加临时支护，注浆加固围岩，加强监控量测等手段后，侵限变形趋于稳定，未发现继续变形收敛的情况。