高地应力软岩隧道施工中常见病害及处治措施

李 伟，吴宪富

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016）

1 工程及地质条件概述

连城山隧道位于陕西省汉中市境内，为宝汉高速公路坪坎至汉中（石门）段的控制性工程，双向六车道，隧道按左右线分离式设计。隧道（右线）全长5812m，属特长隧道。

隧址位于秦岭南侧，秦岭中生代末以来全面隆起的褶皱山地，洞口缓坡地段为早期滑坡堆积。地质条件较为复杂，开挖实际揭露为绿泥石云母片岩，含少量方解石、云母及滑石成分，呈薄片状，风化严重，遇水快速崩解，开挖后在流动空气及水的作用下迅速风化，呈粉末状。同时掌子面小构造发育，常见的构造类型有揉皱，岩体整体赋存环境差，局部地段地下水较发育，自稳能力极差。岩石的单轴抗压强度（Rb）和最大水平主应力（SH）的比值Rb/SH 远小于4，套用《铁路隧道规范规定》，这种围岩属于极高地应力，2016 年11 月19 日被国内知名专家定义为高地应力软岩的特殊地质条件。

在高地应力软弱围岩的特殊地质条件下，高速公路三车道大断面隧道施工在国内可参考的经验少之又少，尤其高速公路隧道开挖跨度大，净高小，为扁平结构，受力结构条件差，更为隧道的施工增加了难度。

2 高地应力软岩隧道常见病害类型

2.1 初期支护侵限

在高地应力作用下，隧道开挖应力重分布，层状岩体发生弯曲，引起隧道轮廓侧向变形。围岩产状为倾斜型，开挖后，岩层倾斜面两端向内侧挤压，具体表现为顶部拱腰及下部拱脚的内敛变形。

隧道高地应力段第一层初期支护预留变形量1.5m，第二层支护紧贴，上台阶整体施工至180°位置，受力结构改善，左右侧下台阶交错开挖支护，第二层支护紧跟，尽量在最短的时间内完成仰拱施工，使隧道闭合成环，形成更好的承载结构。根据监控量测数据分析，第一层初期支护上台阶变形速率较大，中台阶施工完成后减小，第二层施工完成后进一步减小，至仰拱施工完成，变形得到有效控制，期间在中台阶开挖支护、下台阶开挖支护、仰拱开挖浇筑过程中，变形速率呈台阶式陡增骤降。高地应力软岩地段具有变形大且持续时间长的特点，初期支护变形难以稳定。

虽然优化开挖工法工艺，加大开挖支护的预留变形量，增强了初期支护强度，加设了大锁脚钢管，采取了一系列控制沉降变形的措施，但在高地应力作用下，局部的初期支护变形仍不可控，初期支护最大沉降量达1.92m，最大收敛值0.44m。最终侵入二衬空间，必须对这些部位初期支护进行拆换，否则会严重影响施工安全和进度。

2.2 仰拱隆起、开裂

在前期的隧道施工中，对高地应力软岩隧道的危害性认识不到位、技术储备不足。受仰拱及仰拱与二衬联结部位设计支护强度不足、受力结构不理想、仰拱基底承载力不足等因素影响，在高地应力作用下，二衬及初期支护在两侧拱脚位置受到较大的挤压，原仰拱无法抵抗强大的地应力，造成局部地段仰拱的隆起、开裂、破坏。

2.3 衬砌混凝土开裂、破坏

在复杂特殊的地质条件下，隧道的扁平结构受到来自四周的压力，混凝土的抗压能力强，但抗剪强度低，围岩应力分布复杂，仰拱发生隆起开裂后，约束条件改变，形成再平衡状态，隧道开挖跨度大，加之地下水的影响，衬砌施作时初期支护的变形未能完成释放，随着后期应力的释放，衬砌无法满足结构受力要求，造成了衬砌结构破坏，混凝土产生开裂、掉块、剥落等现象。

3 常见病害的预防及处治施工方案

通过在施工过程中的不断摸索、总结，探索出了一套较为成熟的病害预防措施及拆换作业施工方案，下面主要从初期支护、仰拱、混凝土衬砌的病害预防及拆换施工方案进行阐述。

3.1 初期支护大变形常用防治措施及初期支护拆换施工方案

（1）初期支护大变形常用防治措施。由于高地应力软岩大变形隧道的特殊性，极易造成初期支护侵限现象，不得不进行初期支护的拆换，这就造成了极大的成本增加，且延误工期。如何避免拱架拆换，是高地应力软岩大变形隧道面临的一项难题，目前常用的措施主要有以下5 点。①加强监控量测，动态设计，动态施工。将监控量测工作纳入隧道施工的重要环节，分析数据，绘制时间—变形量曲线、变形速率—施工工序曲线图，根据分析结果对预留变形量进行合理预测，及时调整支护参数，做到动态设计，动态施工。②总结经验教训，确定合理施工工法、施工工艺。采取三台阶预留大核心土的施工方法，减少对围岩的扰动频次，充分保护围岩，上台阶直接施工至120°位置，受力条件相对较好，中台阶紧跟，上断面第二层支护快速施工，对减小变形速率意义重大。仰拱、混凝土衬砌及时施作，尤其是仰拱施工完成后，变形速率减小明显。严格控制安全步距，对软岩隧道施工意义重大。③适当释放，及时注浆。根据监控量测数据分析，在围岩变形和围岩应力得到一定程度释放后，围岩产生一定的松弛孔隙，此时及时采取措施，注浆加固岩体，改良围岩条件，能够有效控制初期支护变形速率，减小初期支护侵限的概率。④加强支护参数，调整断面形式。由于高地应力软岩大变形隧道的特殊性，围岩自承能力十分有限，要求支护强度必须能够承受住这份压力，才能避免受力结构的崩溃。加强支护参数的同时，也要改善受力结构，如优化仰拱曲率，调整钢支撑弧度等。⑤多措并举，避免初期支护拆换。增设锁脚大钢管，适时施作，及时注浆；适当时机设置临时支撑，及时控制突发变形；加强拱架联接构件，使拱架形成整体受力；预制混凝土垫块，扩大拱脚受力面积，增强拱脚承载能力；增强拱架薄弱部位刚度，确保结构受力安全等，多措并举，尽量避免初期支护的拆换。

（2）初期支护侵限拆换施工方案。①原初期支护注浆加固。为确保初期支护拆换作业安全，防止破拱过程中产生漏渣、坍塌等事故，改良围岩，加固岩体，需要对原初期支护背后进行注浆加固，采用Φ50mm 注浆小导管，1.5m×1.5m 梅花型布设，采用单液水泥浆，水泥∶水=1∶0.75，通过注浆压力及预期注浆效果控制单孔注浆量，注浆完成后，通过探孔对注浆效果进行检验，合格后方可进行初期支护拆除作业。②“拆”除初期支护混凝土。采用风镐配合破碎锤对需拆换部位初期支护混凝土进行破凿，每循环1 榀，先拆除变形较大一侧，然后拆除变形较小一侧。逐层破除，凿除顺序为先拱后墙，破凿至钢筋网或连接筋时，采用乙炔焊或者电焊机先行切断钢筋网及连接筋，避免对相邻拱架造成破坏，全部切断后再对剩余喷射混凝土进行破凿。初期支护拆除完成后进行扩挖作业，合理规划预留变形量，扩挖至设计断面后对岩面进行初喷封闭，开始施作新初期支护。③“换”拱作业，重新施作初期支护。安装第一层H20型钢拱架，拱腰、拱脚部位打设4.5m 长Φ50mm 注浆小导管，两侧拱腰、拱脚及边墙部位每节拱架打设2 根。安装双层Φ8mm 钢筋网片，保证纵横向搭接长度；采用Φ28mm 螺纹钢做为纵向连接，环向间距1m；及时施作28cm 厚C25 喷射混凝土。钢架安装按照先拱后墙的顺序进行，拱脚加设C25 预制钢筋混凝土垫块，第二层拱架一次性安装完成，下台阶斜向下45°打设6m 长Ф108×10mm 锁脚钢管，并注浆。

3.2 仰拱隆起开裂预防措施及仰拱拆换施工方案

（1）仰拱隆起开裂预防措施。隧道工程受力结构与地质环境密切相关，在高地应力软岩隧道施工中，因仰拱基底承载力不足，隧道结构受力复杂等原因，仰拱开裂经常发生，以下措施对仰拱隆起开裂的预防有一定的积极作用。①优化仰拱曲率，加强与二衬联结部位。在大断面三车道高速公路隧道的设计中，仰拱曲率半径非常大，但仰拱的设计深度有限，那么在仰拱与二衬结合部位就是一个薄弱环节，在这里出现应力集中，混凝土易产生开裂、破损。在设计中可以将仰拱曲率半径减小，适当加大仰拱深度，加强联结部位钢筋，使仰拱在结构形状上更有利于承载。②仰拱与仰拱填充一次性浇筑。在连城山隧道仰拱隆起、开裂部位破凿检查中，发现仰拱与仰拱填充在在分界位置产生较大的缝隙，仰拱为C30 钢筋混凝土，仰拱填充为C15 片石混凝土，二者未能形成整体受力结构，且在仰拱与仰拱填充分界位置有地下水渗出，仰拱填充破损严重，仰拱钢筋受压，在仰拱两侧呈倒“S”形。在设计施工中，可将仰拱及仰拱填充设计为同标号混凝土，一次浇筑成形，增强仰拱的完整性，可以避免这种情况的发生。③仰拱基底改良、加固。软岩隧道基底承载力较小，存在无法满足隧道承载的需求的可能，且隧道施工后，地下水重新分布，仰拱基底地下水丰富，对承载结构造成不良影响。在连城山隧道施工中，通过对仰拱及二衬的监控量测数据分析，发现在软岩段仰拱、二衬过程中存在整体下沉的现象，这就说明隧道基底承载力无法满足承载需求，这就需要对隧道基底岩层进行改良，增强其承载能力，可以采取隧道基底注浆及钢管桩等方式进行加固。

（2）仰拱隆起开裂拆换施工方案。仰拱拆换根据围岩状况及所处位置不同，分情况分段落进行处理。主要有三种情况，第一种情况为二衬未施工，仰拱开裂隆起，仅拆换仰拱；第二种情况为二衬已施工，仰拱开裂隆起，仅拆换仰拱；第三种情况为二衬仰拱开裂，二衬及仰拱均需拆换。这其中以第二种情况最为复杂，下面就以第二种情况为例，对施工方案进行阐述。为确保施工安全，保证施工进度，连城山隧道仰拱拆除采取分段拆除，两个作业面间隔平行作业的施工方案，两个作业部位间距30m 以上。①阻断带施工。仰拱拆除采取控制爆破和破碎锤破凿施工，局部仰拱拆除完成后原受力平衡状态遭到破坏，必然对相邻部位仰拱及二衬造成影响。因此，在仰拱拆除前，必须先对仰拱拆换部位两端进行延伸加固，减小拆换作业对原仰拱的损害。阻断带位于仰拱拆换段落两端，向前延伸15m，采用仰拱基底注浆的方式对原仰拱进行加固，并在仰拱拆换分界位置采用切割机割缝，作为阻断带。②二衬底脚基础加固。仰拱拆除后，原闭合的承载结构遭到破坏，二衬底脚约束条件改变，容易引起二衬的变形开裂。因此，在仰拱拆除前必须对二衬底脚基底进行加固处理，减小仰拱拆除对二衬的影响。二衬底脚基础加固采用6m 长Ф108×10mm 钢花管，纵向间距1.5m，注浆加固二衬两侧底脚，加强二衬底脚承载力，稳固二衬。③原仰拱拆除。单侧仰拱及仰拱填充破凿至原仰拱初支拱架，每次破凿3m，对衬砌钢筋及原仰拱初支拱架进行切割移除，预留接头，完成后进行另一侧施工。④重新施作仰拱。拆换仰拱初支拱架，在二衬拱脚部位采用连接板与原仰拱初支拱架连接牢固，打设锁固钢管，锁牢钢架，绑扎仰拱钢筋，与原仰拱钢筋有效连接，预埋注浆孔定位管，一次性浇筑C35混凝土。⑤注浆加固仰拱基底。沿预埋的注浆孔定位管打设注浆管，深入仰拱基底，采用单液浆注浆加固仰拱基底。

3.3 二衬开裂预防措施及二衬拆换施工方案

（1）二衬开裂预防措施。二衬混凝土裂缝是隧道工程常见的病害之一，尤其是在高地应力软岩隧道施工中，较为常见。它的出现不仅会降低二衬混凝土的抗渗能力，影响二衬的使用功能，而且会引起钢筋锈蚀，混凝土碳化，降低材料耐久性，影响二衬质量，较为严重时则需进行拆换，为避免不必要的损失，可以采取以下措施进行预防。①加强混凝土衬砌支护参数。在高地应力软岩隧道施工中，二衬作为承载结构的一部分而存在。采取增强混凝土标号，调整主筋型号及间距，加大衬砌混凝土厚度等措施加强衬砌混凝土支护参数，在一定程度上可以避免裂缝的产生。②重视监控量测，适时施作二衬。高地应力软岩隧道施工具有变形大且变形持续时间长的特点，当初期支护的变形趋于稳定，应力释放基本完成时，适时施作二衬，可以有效避免混凝土衬砌开裂，但在高地应力软岩施工中往往难以具备上述条件。③二衬底脚基底加固。二衬产生裂缝的原因之一为二衬底脚基地承载力不足，可采取钢管桩注浆加固的措施来对二衬基底岩层进行改良。④延长拆模时间，及时养护，使混凝土形成强度。延长二衬拆模时间，在二衬混凝土强度足以抵抗应力时再进行拆模作业，及时养护，使混凝土尽快达到设计强度。

（2）二衬拆换施工方案。为确保施工安全，根据设计要求，二衬拆除采用分段拆除方案。二衬拆除前应在局部开裂严重段增设I20 型钢套拱，环向间距1m；并在仰拱填充顶面施工临时横向钢架与套拱连接牢固，采用C20 混凝土浇筑临时仰拱。同一里程断面的二衬与仰拱均需要拆除时，先拆二衬换初支，后拆换仰拱，最后施作二衬。①拆除部位两端加固、隔断。为减小二衬拆除对周围二衬的不良影响，采用型钢拱架对需要拆除段二衬进行套拱加固作业，在二衬拆换部位两端打设切割眼，减小对保留二衬的损害。②划界切槽。拆除前应对二衬保留区与拆除区交界处测量划线，确定切割边界，在二衬拆除边界切割20～30cm 的凹槽作为减震槽，避免拆除时对未拆除段结构造成不良影响。③突破口施工。突破口宽度为2m，每一次拆除之前要测量划线，明确标出拆除范围，在分界线处用切割机切割，与其它段落分离。拆除时从距分界线1.5m 处，从二衬墙脚开始往上拆除，逐步向拱顶推进，直至对面边墙墙脚相应位置，最后再对临界处1.5m 进行仔细拆除。拆除整环二衬砼，深度达到初支表面，不得破坏初支。突破口形成后，然后按次序进行拆除。拆除的方法，采用预裂控制爆破和破碎锤拆除方式进行控制拆除，一般在突破区采用浅眼控制爆破开槽。④衬砌拆除。破凿混凝土，采用乙炔焊、电焊等对原二衬钢筋进行切割，根据拆换段落长度对水平仅进行切断处理，拆除二衬长度首次按2m，后续每段4m 确定，保留初支。⑤初期支护拆换。同初期支护拆换作业施工方案。⑥仰拱拆换。同仰拱拆换施工方案。⑦重新施作混凝土衬砌。初支恢复长度≤12m 且变形速率≤2mm/d，周期≥7d 的情况下及时重新施作二衬，拆换部位二衬按照10～12m 每模施工。

4 结束语

通过以上初期支护、仰拱及拱墙衬砌拆换方案，现场合理施工组织，连城山隧道在确保安全和质量下顺利通车。