摘要：结合楚姚高速公路上米村隧道工程施工实例，重点介绍隧道在穿越软弱围岩及富水区等复杂地质条件，发生突泥、涌水，初支变形、沉降等病害时，围岩在多次扰动或自身已无自稳能力的情况下，采用双层工字钢初期支护，进行支护强度提高，确保隧道施工和结构安全的工程应用实例。
关键词：无自稳能力围岩 双层初期支护 应用
1 形影不离的复杂性和随机性
目前，隧道地质超前预报技术虽有长足的发展，对地质情况的整体预测能力有较大的提高，但隧址区的地质环境相对于整体区域显得较为具体和微观，由于地貌与气候、地质构造、岩体结构及性质，周边环境、施工管理、工艺工法等其中任何一项因素的变化和差异都会给隧道施工带来影响。这些因素本身或者相互之间，又存在着是是而非、模棱两可的关联性和可变性，其中一个因素的变化会引发另一个因素的变化，针对同一个病害，不同的人有不同的看法，无法准确判定，变量条件太多带来的结果，给隧道设计施工等各个环节带来了极大的困扰。为此，穿越特殊地质段落的隧道工程在隧道施工过程中常常不可避免、毫无征兆的出现涌水、突泥、坍方等情况。这些病害呈现出以下一些特点：一是无时不在、无处不在的随机性，施工管理人员通常称其为“运气”，只有隧道开始施工，就会有发生的可能性，但我们不知道何时发生，如何发生。二是发生时常常造成较大的损失，轻则延误工期，重则引发较大的安全生产事故，危及生命和财产安全。三是事后经常有万般解释，有无数多的因素可以与之建立因果关系，但具体的是哪种因素引发的，难以分析定论，但事前却根本无法准确预测。
2 新奥法基础前提条件失效
新奥法基本原理是利用岩体本身自持力所形成的岩石拱效应，容许适量变形，并配合轻型钢支护、喷射混凝土等支撑构件组成半刚性支撑系统，直至隧道开挖后，周围岩体因应力重新调整而达到新的平衡状态。岩压大部分由岩体所形成的岩石拱所承受，而非支撑系统所承受，初期支护主要起约束修复岩体自稳能力的作用，待变形稳定后再施作二次衬砌，作为安全储备。
在实际施工过程中，初期支护在软弱、浅埋、破碎、富水等地层中施工时常常发生初期支护大变形、大沉降，坍塌损毁等情况较多。究其原因，此类地层中的围岩开挖后并未形成岩石拱效应，新奥法理论的前提条件在这类围岩中失效了，按新奥法理论所进行的初期支护设计的强度已无法满足支护需要，表现为围岩随挖随坍无法施作初支或者初支施作好后，变形一直无法趋于稳定，结果便是初支损坏坍塌。为保证初期支护安全，必须采用较强的刚性支护进行强度补偿，同时加快支护速度，尽早闭合成环。
那么初期支护具体如何加强，怎样加强？才能做到经济合理，在楚姚高速公路上米村隧道软弱、破碎、富水段围岩中，我们进行了有效的尝试，并取得了成功。
3 上米村隧道工程概况
上米村分离式特长隧道是楚姚高速公路全线主要控制性工程之一，按双向四车道高速公路标准建设，设计时速100/小时，净宽10.75m，净高5.0m。设计荷载为公路-Ⅰ级。左幅（K12+198~K15+885）全长3687m，最大埋深267m，右幅（K12+220~K15+910）全长3690m，最大埋深264m。隧道进口位于楚雄州东瓜镇陈家冲北侧陡坡带，出口位于牟定县共和镇米村南缓坡带，高程介于1893.68～2204.85m之间，相对高差311.17m，处于垅状起伏、低山丘陵地貌区，隧道区地形较为陡峻，地表植被发育良好，多为松木、杂木覆盖。
隧道位于会基关～双柏穹隆褶皱区西翼至西北翼，岩层产状整体呈西、北西向北侧渐变；会基关～双柏穹隆褶皱区以穷隆及碗状向斜为主，并有近南北短轴褶曲、倾伏背斜等，断层不发育，具典型的台型褶皱特点。隧道区范围内主要地层为第四系坡残积（Q4dl+el）层及侏罗系上统妥甸组（J3t）层，分布以泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主，多呈强～中风化，不均匀风化明显，基岩面起伏较大，下伏基岩间泥岩、泥质粉砂岩强度差异明显。各岩（土）层间变化较为复杂，层次厚度及水平延伸不稳定，各土层的均匀性较差，综合判定为不均匀地基。
隧道区地下水为第四系孔隙水及基岩裂隙水，区域内地层岩性以泥岩夹粉砂岩及泥质粉砂岩为主，成为相对隔水层。经地质调查K13+230出露一下降泉，流量Q≈3.0~5.0L/s；钻孔揭露有承压水，揭露标高1978.20m，水质清澈，水头标高2066.24，流量Q≈2.0L/s。
4 施工中出现的地质病害及解决思路
4.1涌水塌方
2018年10月23日，上米村隧道出口左洞掌子面施工至K14+453时，掌子面发生涌水，出水量达350m3/时，受涌水影响，初支急剧变形，掌子面暂停施工。2018年10月24日，K14+468～K14+453段初支拱顶右侧发生大面积挤压变形，坍方规模进一步扩大。2018年11月6日，涌水量为304m3/时，历经14天排水，涌水量并未明显减小，已施工完成的初支受挤压变形损毁，被塌方堆积体掩埋，隧道施工难度极大且存在很大安全风险。
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图1 上米村隧道涌水坍方现场照片
涌水坍方段围岩以中风化的泥质粉砂岩为主，节理裂隙发育，呈层状、碎块状结构。根据层理节理走向和分布情况，判断掌子面穿越一断层破碎带。隧址区位于一储水量较大的富水层区域，断层破碎带与富水层区域连通，掌子面开挖时，承压水通过断层破碎带节理裂隙面涌出，围岩裂隙中的填充物受冲刷流失，产生层间错动滑移，造成初支变形坍塌。初步判断富水区域范围较大，水量储备充足，涌水量短时间内不会明显减少。
4.2解决思路
该段围岩因发生较大涌水和塌方，已破坏了围岩原有的稳定状态，围岩已彻底失去了自稳能力。因塌体规模较大，坍层较厚且富水作业，在处治方案的制定上必须充分考虑施工的安全性和可操作性，在针对这种地质情况下，对初期支护功能的理解不再是新奥法所定义的概念，更多的是按照“钢混结构”的理念对初期支护进行设计加强。
4.2.1按新奥法定义的功能对初支进行加强
新奥法对初支的功能定位，是作为约束和控制围岩变形的一种工程措施。常规的加强方案，通常以增大工字钢型号和缩短工字钢纵向间距，辅以超前、径向锚杆等其他辅助工程措施来解决。这类措施的各种参数的调整存在一个极限值，工字钢型号过大、间距过密而喷射混凝土的厚度受工字钢型号的影响，不能成比例的进行加厚。一味加大工字钢型号和缩短间距，会使初支形成“超筋结构”，混凝土抗压性能较强的优势不能得到有效利用。整个支护体系，不能协调共同发挥作用，常常发生喷射混凝土先行剥落开裂失效，接着工字变形侵限，更有甚者二衬还未来得及施作，初支又发生二次、三次坍塌，引发较大的安全事故。
4.2.2按“钢混结构”的理念对初支进行设计和加强
在围岩失去了自稳能力，无法形成岩石拱效应的前提下，把初支当做“钢混结构”来设计，充分利用喷射混凝土的抗压性能和工字钢、钢筋网的抗拉性能组合，使初支刚度和强度同比例提高，抵抗围岩压力。为了创造开挖和成洞条件，解决随挖随坍的问题，该段开挖采用多台阶分部开挖方法，对外层环形工字钢进行分段拼接施工，最后形成完整的外层初支结构。因分段拼接造成外层工字钢接头较多，安装偏差较大，整体轮廓不圆顺，工字钢整体受力性能受到影响，理论上的设计效果有一定程度的降低，随着受力时间的延长，通常在接头处和截面变化处，发生集中破坏，造成外层初支变形。为此，增加内层初支进行加强和补偿。外层初支发挥的支护效果和提供的操作空间，大大改善了内层初支的施工操作环境，使内层初支能够整体实施，既减少了接头又能很好的控制施工质量，成型后的内层初支在整体性和圆顺度的施工控制上，能很好的达到设计效果。双层初支的结构形式，同比例的增大了喷射混凝土的厚度，使整个初期支护的受力性能有了较大的提高，同时在二衬施工前有效避免了初支变形、沉降等病害的发生，为施工安全提供了一道安全屏障。
5 处治措施
5.1反压回填、引排水和临时支撑。变形损毁段重新开挖前，采用透水性较好洞渣对坍塌掌子面进行反压回填，形成作业和临时支撑平台，回填前在底部集中涌水处预埋5根φ114mmHPDE排水管并成一组，对涌水进行集中引排，同时对塌方影响段变形的初支，采取必要的临时支撑。
5.2预注浆加固。反压回填和临时支撑完成后，采用T76自进式管棚注水泥～水玻璃浆液，对变形坍方段进行预注浆加固后再进行开挖。T76自进式管棚单根长9m，环向间距40cm，纵向搭接3m，布设范围为拱、墙全环设置。
5.3双层初期支护。因断层破碎带围岩二次松动产生的侧向推力较大，要求初期支护具有较强的支护和承载能力，为避免初支侧壁失稳坍塌，变形坍方段预注浆固结完成后，对K14+468～K14+453段拱墙采用双层钢架+钢筋网+喷射混凝土进行换拱加强支护，外层采用I20a钢架，间距60cm；内层采用I18钢架，间距60cm，内外层错开施工。外层工字钢轮廓尺寸根据实际开挖情况确定，外层工字钢初支开挖轮廓穿越松散坍塌体，开挖时易产生小规模塌方形成空腔，采用C20混凝土及时进行回填，避免引发塌方。
图2 上米村隧道双层初期支护衬砌结构
图3 双层初期支护内、外层工字钢尺寸
6 施工技术总结
在围岩无自稳能力的隧道施工过程中，初期支护按照“钢混结构”的理解，作为设计和施工的指导思想，理论上为初期支护强度的无限提高拓开了思路，摆脱了新奥法理论下，对初支功能定义的局限性。双层工字钢初期支护作为该理念下的一个尝试，针对围岩蠕变、突泥涌水导致的初支变形、侵限、坍塌等处治有很好的效果，能有效的解决施工环境恶劣、开挖成洞困难、预防初支二次变形坍塌等病害。
经比对，采用大型号工字钢配合最小间距的初期支护与采用大小搭配的双层工字钢配合合理间距的初期支护，在经济上相当，但双层工字钢初期支护，在安全性和施工可操作性上有较大的优势。
地下工程有其特殊的复杂性和不可预见性，有相当一部分超出了目前人类的认知，对于隧道施工过程中发生的随机、不确定的情况，不管技术如何进步社会如何发展，总是与从事这个行业的人们如影相随。正因为如此，我们唯一能做的也只剩下预防。人类在进化过程中保留了两个肾，但人体机能运行时，只需使用一个肾，作为经济上考虑，其中有一个肾是无用的，经济主义者会建议你将其中一个卖掉去买苹果手机，但是请注意，万一剩下的一个肾功能失调，直接影响到的就是自己的生命。以此类比，在遇到影响因素复杂、情况比较糟糕的隧道施工事件时，多一道保险，非常有必要。