软岩大变形隧道双层初支的施工工艺

（云南省昭通市交通建设工程质量安全监督局，云南 昭通 657000）

昭乐高速公路串丝至佛耳岩段黄连坪隧道位于云南省东北缘，金沙江南岸，处于“川滇向构造带”与“四川盆地新华夏系沉降带”的交接地带，复杂特殊的地质构造环境，地处深埋区段，最大埋深540.70m。隧道洞身跨径10.25m，洞身高5.00m，起止桩号k9+274～k15+246隧道全长5972m。路面设计纵坡坡度-1.96%，隧道路面设计高程进洞处1063.48m，出口处946.58m。该隧道属于特长隧道，设计行车速度80km/h，隧道总体走向305°。

黄连坪隧道出口掘进500m后，隧道埋深498m，掌子面围岩以砂泥岩、泥岩为主，水平薄层状呈现，围岩强度5MPa～30MPa。自出口掘进1097m开始，掌子面、拱顶、拱腰出现多层煤矸石、煤线，进入煤系地层。开挖初支完成后3d～5d，出现拱顶下沉情况，沉降量6cm～11cm。初支逐步纵向延伸开裂，裂缝呈扩大趋势，拱顶喷射混凝土剥落、掉块，工字钢变形严重，部分段落初支钢架出现扭曲变形甚至断裂情况。

一、方案研究

鉴于此，昭通市质安局与工程指挥部、设计、监理、施工五方现场察看，为防止工字钢扭曲变形严重导致坍塌引起“关门”等事故发生，对初支工字钢扭曲变形严重的区域增设工字钢护拱，二次锚喷。护拱增设后，沉降有所减缓，但护拱工字钢依然存在压弯变形情况，沉降量2cm～3cm。二次喷射混凝土部分段落同样出现开裂。为避免初支侵限，导致二衬厚度不足，浇筑二衬前护拱需逐榀拆除。综上所述，工程存在一定隐患及问题。

因地应力引起初支拱架扭曲变形，拱架支撑力损失很大，后期应力继续释放，初支易侵入二衬限界，导致二衬厚度不足，同时，二衬浇筑后应力未释放完毕，随时间推移，可能引起二衬大段落开裂。

该段落为瓦斯工区，存在瓦斯溢出情况，瓦斯浓度较高（经监测瓦斯溢出点最高浓度为5.3%），加之围岩裂隙较发育，存在瓦斯通过围岩裂隙沿拱顶及仰拱开裂的裂缝流窜、外泄。为确保安全，增设护拱、二次锚喷、二衬施工前凿除二次喷射混凝土及拆除护拱拱架，造成大量窝工、重复施作、交叉施工，严重影响施工进度，降效35%左右。

初支拱顶开裂掉块，拱架扭曲变形可能引发坍塌、“关门”等事故，存在重大安全隐患。

在邀请多方专家现场指导的基础上试验总结，先后采用加强初支、增设护拱、换双层拱架等技术措施。最后通过试验，总结出地应力释放后继不足的特点，项目最终采用先柔后刚、梯队三级支护（首级柔性初支可变可裂，不侵限；二级初支小变形，不开裂；三级刚性二衬不变形，结构坚）等方式，有效解决了黄连坪隧道遇到的深埋隧道高地应力引起的软岩挤压变形这一重大技术难题。

二、工法特点

双层初支支护中第二层初期支护在第一层初期支护完成后施作，可以及时弥补软岩大变形对第一层初期支护的刚度，另一方面也有利于改变软岩持续变形问题。所谓二次衬砌是指完成第二层初期支护沉降收敛之后再施作，满足了安全性的要求。

第二层初期支护与第一层支护可以形成复合加强支护，提高支护的整体强度，对软岩大变形隧道难以稳定的特点起到抑制作用，解决了软岩大变形隧道的围岩收敛和沉降问题。

三、工艺原理

双层初支加单层加强衬砌结构不同于一般的单层初支的地方在于，在后者基础上多加了一层初支，主要特点是分别利用到两层初支的不同效能。部分隧道围岩的应力及发生的形变由第一层初支承受部分，第二层起到补强的作用。这样更利于隧道围岩的平衡，还可以成功解决支护变形问题。该结构在承受围岩变形、围岩压力等方面起到了重要的作用，而且支护体系具有较高的安全性。

双层初支加单层加强衬砌结构的施工方法是以新奥法施工理论为基础，应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥。

四、工艺流程及具体操作

（一）工艺流程

测量放样→超前支护→上部弧形导坑开挖，施作初期支护→断面检查（满足要求则进入下个步骤，否则返回上一级施工）→左右错开开挖中台阶，施作初支护→施作第二层初期支护→分段开挖隧底，施做仰拱支护→仰拱二衬及填充→拱墙二次衬砌。

（二）施工方法及操作要点

1.隧道开挖及第一层初支施工

采用两台阶开挖法施工，软弱围岩施工中遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则。

（1）依据初期支护钢架之间的距离确定上台阶所需的开挖循环进尺，1m左右即可。开挖后需要注意的是，首先及时初喷混凝土（3cm～5cm），其次对于系统支护要迅速开展喷、锚、网3个方面的工作，再次是开展对钢架与锁脚小导管的工作，具体要求在前者拱脚30cm，钢架侧边按下倾角30°处，安装后者，焊接两者；最后喷混凝土。

（2）针对左右侧下台阶开挖工作，需要注意，高度保持在3m～3.5m，两个台间隔在2m～3m。

（3）针对仰拱的开挖要注意，循环开挖长度保持在2m～3m适宜，分段长度保持4m～6m。随后及时完成初期支护，及时推进仰拱和回填工作。除此之外，采用栈桥过渡方案，以避免对车辆进出产生不利影响。

2.第二层初支施工

第一层、第二层初支采用先后梯队形式施工，第一层初期支护施工完成后根据现场实际监控量测数据，第一层初支拱顶沉降10cm，（根据项目实际沉降情况，前后两次初支间隔10m～20m）立即进行支护二层初支，钢架要求采用I16型，一般间距保持1m，用C25混凝土喷拱墙至22cm；锁脚小导管要求为φ45mm，每榀4处8根，长4.5m。采用20×20cm的连接垫板，高强螺栓要求m20×70。对于拱墙中所采用的钢筋网片要求是单层，型号为φ8mm，要求的网格间距在25×25cm。利用螺纹钢筋连接，方向为纵向，环向间距为1m，型号为φ22mm。

第二层初支拱架采用铺挂防水台架安装，一般需要3榀～4榀，而且为有利于组织施工，第二层初支与掌子面第一层初支同时立架、喷护。

3.衬砌施工

按设计和规范要求，在量测变形稳定的情况下方可施作二次衬砌，完成布点观测后，会发现围岩变形的速度慢慢减缓，在该速率稳定时，可以施作二衬混凝土。

4.施工注意事项

超前、锁脚小导管和径向锚杆要严格按照规范施工；洞身开挖要严格按照要求进尺逐步开挖；施工时应采用人工配合机械的开挖方法，尽量减少对围岩的扰动；现场开挖后要及时封闭成环，让围岩尽早恢复自稳；初期支护上按照要求布设监控量测点，每天量测不少于1次。