隧道初期支护变形原因分析及防护措施

隧道初期支护变形原因分析及防护措施

孙立明

中国水利水电第一工程局有限公司 吉林省 130000

摘要：隧道初期支护变形是影响隧道施工安全与结构稳定性的关键问题，产生原因涉及地质条件、施工工艺、设计参数及环境因素。地质条件如岩层性质和地下水的影响会导致围岩失稳，施工工艺的不合理选择或爆破振动会加剧支护变形。设计参数若未能匹配实际荷载，或支护材料性能不足，均会引发结构变形。此外，环境因素如冻融循环和地震载荷也对支护系统产生不利影响。针对这些问题，需要采取科学的防护措施，包括地质加固、优化施工工艺、改进设计及环境治理。通过综合防护策略，可有效控制初期支护变形，保障隧道工程的安全与耐久性。本文旨在系统分析隧道初期支护变形的原因，并提出相应的防护措施。

关键词：隧道；初期支护；变形原因；防护措施

引言

隧道工程在基础设施建设中占据重要地位，但隧道开挖过程中，初期支护的变形问题直接影响施工安全和工程质量。复杂的地质环境和施工过程中的多种不确定因素，使得初期支护变形控制成为工程技术的难点。若变形未能有效控制，会导致支护失效，甚至引发隧道坍塌等严重事故。因此，深入研究初期支护变形的成因，并结合实际情况采取科学合理的防护措施，对于保障隧道工程的安全至关重要。

1.初期支护在隧道工程中的重要性

隧道工程的初期支护是保证施工安全和工程质量的关键措施，其主要功能是稳定开挖面周围的岩土体，防止因开挖引起的岩层位移和变形，从而维护隧道的结构安全。初期支护通过其结构来承担围岩载荷，并在一定程度上传递这些载荷，减轻围岩的应力重新分布对隧道稳定性的影响。在岩石力学性能较差或地质条件复杂的区域，初期支护的作用尤为显著，可以有效地控制开挖后围岩的松动圈发展，防止过大的地表沉降，确保上覆建筑物和地下设施的安全。此外，合理的初期支护设计可以减少后续衬砌的厚度和用材，降低工程成本。因此，精确计算支护结构的承载能力、优化支护材料的选择及其施工时机是提高隧道施工效率与安全性的重要因素[1]。

2.隧道初期支护变形的主要原因分析

2.1 地质条件因素

地质条件是影响隧道初期支护变形的核心因素。围岩的岩石类型、岩体结构以及地下水的存在状态对支护系统的稳定性起着决定性作用。岩石的力学特性，如抗压强度、弹性模量和岩石的断裂韧性，直接影响围岩的稳定性及其对开挖作业的响应。在地质条件较差的区域，如断层带、破碎带或松散的沉积层，围岩的自稳能力较低，易于在开挖后发生变形。此外，地下水的流动可以引起围岩中的颗粒物质运移，降低岩体的整体稳定性，并增加支护结构的荷载。地质条件的不确定性增加了支护设计的复杂性，因此在进行隧道设计和施工前，详细的地质勘探和岩土力学分析是必不可少的，以确保初期支护方案能够有效适应地质条件的变化。

2.2 施工工艺因素

施工工艺同样对隧道初期支护的性能和变形有着显著的影响。开挖方法的选择、爆破参数的控制以及施工顺序的安排都会对围岩和支护结构产生直接的影响。不当的开挖方式会导致过大的围岩松动，增加了支护结构的变形风险。例如，过度的爆破震动可在围岩中产生裂缝，削弱其承载力，从而加剧支护结构的变形。施工顺序的不合理安排，如提前或延迟支护安装，也会导致支护结构不能及时有效地与围岩互作，失去其预期的支护效果。因此，精确的施工工艺规划与严格的现场施工控制对于保证隧道初期支护结构的稳定性至关重要。

2.3 初期支护设计因素

初期支护设计的不足是导致隧道支护结构变形的一个重要因素。设计参数的选取必须基于准确的地质数据和实际的地下条件，包括支护材料的强度、刚度以及支护结构的尺寸和形状。如果设计没有充分考虑地质条件的复杂性和多变性，或者在支护结构的承载能力与地下应力分布之间存在不匹配，则会导致支护结构在施工或运营阶段发生变形。此外，支护设计中对于支护间距和支护系统与围岩的相互作用分析不足也会增加变形风险。例如，支护系统的过度简化或忽视局部不良地质状况的特殊要求导致设计上的缺陷，进而在实际施工中表现为支护效果不佳或变形过大[2]。

2.4 环境因素

环境因素对隧道初期支护变形同样具有显著影响。地表水和地下水的活动不仅能改变围岩的水力条件，还能通过水化学作用对支护材料产生腐蚀，减少其耐久性和结构完整性。此外，温度波动对于隧道支护结构尤其是那些涉及热胀冷缩材料的设计也具有直接的影响。例如，在寒冷地区，冻融循环会导致支护材料和围岩的物理性质发生变化，从而影响支护结构的稳定性。地震活动和其他地质动力事件也是重要的环境因素，这些动力载荷可以在短时间内对隧道支护系统产生极大的冲击，导致支护结构发生意外变形甚至损坏。因此，在隧道设计和施工过程中，考虑到环境因素的变化和对策的制定显得尤为重要。

3.隧道初期支护变形的分类与特征

3.1 按变形方向分类

隧道初期支护变形按变形方向可分为竖向变形和水平变形。竖向变形主要表现为拱顶下沉和底鼓现象，拱顶下沉是由于围岩自重及施工扰动引起的上部岩体塌落或松动，而底鼓则是开挖引起的地应力释放导致底部岩体上拱，两者都会引起支护结构的应力集中，削弱结构稳定性。水平变形通常表现为侧墙内收或外鼓。侧墙内收是由于围岩受力不均导致的向内挤压变形，尤其在软弱围岩和高地应力区域更为明显。外鼓变形则是围岩松散、地下水渗透或地震作用引起的侧墙向外膨胀。不同方向的变形不仅反映了围岩的力学特性和地质条件，还直接影响支护结构的承载能力和耐久性。准确识别变形方向和特征，有助于确定隧道支护变形的主要诱因，为后续的加固设计和施工调整提供科学依据。

3.2 按变形性质分类

隧道初期支护变形按变形性质可分为弹性变形和塑性变形两类。弹性变形是支护结构在受力后产生的可恢复变形，表现为支护结构在荷载移除后能够恢复到原始形状，变形量较小，主要与支护材料的弹性模量和围岩的自稳能力相关。这种变形在设计荷载范围内不会影响支护结构的承载性能。塑性变形则是支护结构在荷载超过弹性极限后发生的不可逆变形，表现为支护材料或围岩发生永久性位移或裂缝，通常伴随材料屈服或开裂。塑性变形的产生往往意味着支护结构已经超过设计承载能力，围岩的自稳能力减弱，且变形具有累积效应，会引发更大范围的失稳风险。在复杂地质条件或高应力区域，塑性变形更为常见，如断层带或软弱围岩区域。为了确保隧道的结构安全和使用寿命，必须在支护设计时充分考虑弹性和塑性变形的承载界限，并采取适当的变形控制措施[3]。

3.3 常见变形模式及其表现

隧道初期支护的常见变形模式及其表现主要包括拱顶下沉、围岩挤压变形、边墙外鼓和底鼓现象。拱顶下沉是指隧道顶部由于围岩松动或支护结构刚度不足引起的垂向收敛，常表现为拱顶逐渐下陷，易导致衬砌裂缝或失稳。围岩挤压变形常发生在软弱或破碎围岩中，岩体因自稳能力不足向隧道内挤压，导致初期支护承受过大荷载，表现为支护结构的整体变形或局部破坏。边墙外鼓是由于围岩侧向压力过大或初期支护未能有效抵抗水平荷载，导致隧道两侧墙体向外凸出，严重时可引发侧墙开裂或支护失效。底鼓现象是指隧道底部受到挤压力作用而隆起，通常与不良地质条件或地下水压力升高相关。这些变形模式不仅影响隧道的结构安全，还会引发衬砌施工困难及后期运营风险，因此在施工过程中需进行有效监控和及时处置。

4.隧道初期支护变形的监测与评估

4.1 监测技术与手段

隧道初期支护变形的监测采用多种高精度技术与手段，以确保结构安全性与功能性。主要监测技术包括收敛测量、应力应变监测、倾斜测量以及地表沉降监测。收敛测量利用跨度测量仪器，如数码测量仪，监测隧道内部两点间距离的变化，精度可达毫米级，适用于检测隧道横截面的收敛与膨胀现象。应力应变监测则通过贴附在支护结构表面的应变片或安装在岩体中的应力计进行，这些设备能够实时记录材料受力状态与变形程度，应变精度通常在几微应变（με）以内。倾斜测量设备如倾斜计可用于评估隧道支护结构的整体稳定性，通过测定结构的倾斜角度变化来预警潜在的结构失稳问题。地表沉降监测采用高精度的水准仪和全站仪，监控隧道上方地表的垂直位移，精确度可达几毫米，这对于评估隧道施工对邻近建筑物及地表设施的影响尤为重要[4]。

4.2 监测数据的分析与评估

监测数据的分析与评估是隧道初期支护变形监测的关键环节，通过高级数据处理技术和统计方法，确保所得数据可靠性并提供准确的结构评估。数据分析首先涉及数据的初步处理，包括滤除噪声和异常值，常用的方法包括移动平均和标准偏差分析。此后，通过时间序列分析来评估数据的趋势。结构安全性评估通常采用安全系数法和概率极限状态方法来确定结构的安全边界。例如，如果监测到的隧道顶部收敛速率超过0.5 mm/天，表明存在过度应力集中或支护失效的风险，此时需要进一步的详细检查和可能的加固措施。评估结果需要与设计参数和安全标准对比，确定是否达到预定的安全要求。此外，采用多维度数据集成分析，如结合地质信息、施工日志及环境监测数据，能提供更全面的隧道行为分析，从而制定更有效的应对策略[5]。

5.隧道初期支护变形的防护措施

5.1 针对地质条件的防护措施

针对地质条件的隧道初期支护防护措施包括全面的地质勘察、支护材料的优化及预加固技术的应用。详尽的地质勘查是基础，通过使用地质雷达、声波探测和钻探等方法，精确评估围岩的类型、裂隙发展程度及地下水情况，从而为支护设计提供科学依据。根据岩石的力学性质和地质结构，选择合适的支护材料，如高强度钢筋网和喷射混凝土，其强度通常需达到C25以上，以增强支护结构的整体稳定性和抗变形能力。在地质不稳定区域，如断层带或松散层，采用预加固技术，例如注浆和冻结法。注浆可提高岩体的整体性，通过向裂隙中注入水泥浆或化学浆液，提高其抗剪强度，通常在岩石体中形成直径不小于2m的加固区。冻结法则适用于含水量高的松散地层，通过冷却管道系统将地层冻结，增强其稳定性，持续时间视地质条件而定，以确保施工期间地层的稳固。这些措施共同构成对隧道初期支护在不利地质条件下的有效保护策略，显著降低变形风险。

5.2 优化施工工艺的防护措施

优化施工工艺是防止隧道初期支护变形的关键措施之一。首先，合理选择开挖方法根据地质条件至关重要，常用的开挖方法包括机械开挖和控制爆破。在稳定的硬岩条件下，机械开挖可减少周围岩体的扰动；而在破碎或松散的岩石中，应用控制爆破技术，通过精确计算爆破参数（如药量和点火顺序），以控制爆破对围岩的影响。其次，支护的及时性对于防止变形至关重要，例如，新奥法（NATM）强调根据地质条件适时地调整支护措施，支护材料应在开挖后立即安装，以确保围岩稳定。此外，施工过程中实施实时监控系统以监测支护效果和预警潜在风险也是减少支护变形的有效策略。例如，使用激光扫描或倾斜测量来检测支护结构的微小位移，一旦检测到超出设计范围的变形（例如，变形速率超过0.1 mm/天），即可采取补充支护措施。通过这些综合措施，可以有效地优化施工工艺，从而最大限度地减少隧道初期支护的变形风险。

5.3 改进初期支护设计的防护措施

改进初期支护设计的防护措施需综合考虑地质、结构和材料因素，以提高支护系统的整体性能和适应性。首先，设计时需基于详细的地质数据和预测模型，采用适应性强的设计方法如弹塑性理论和有限元分析，确保支护结构能够有效承受预计的最大地压。例如，使用计算软件模拟支护结构在不同地压条件下的响应，确保设计的安全系数不低于1.5。其次，选择高性能的支护材料，如高韧性钢筋和高强度喷射混凝土（标号不低于C30），这些材料能更好地抵抗裂缝发展和环境侵蚀。支护结构中的加固元素，如锚杆和钢拱架，应根据负载和地质条件进行优化配置，锚杆长度和间距应保证足够的覆盖和交叉，通常锚杆长度不少于2m，间距控制在1～2m之间。此外，引入智能化设计元素，如监测传感器，以实时跟踪支护结构的状态并在必要时启动预警系统，这种集成监测与设计的方法可以大幅提高隧道安全管理的效率和反应速度[6]。

5.4 环境因素控制与治理

环境因素控制与治理在隧道初期支护设计中扮演至关重要的角色，尤其是在处理地下水和地质动力活动方面。首先，有效的水文地质调查应早期进行，以识别地下水流及其对围岩稳定性的潜在影响。控制地下水的入侵，通常采用排水系统如深井泵或地下水降低系统，以减少水对支护结构的压力和侵蚀作用。此外，对于位于地震活跃区域的隧道工程，必须将地震影响纳入设计参数中，采用抗震设计标准，确保支护结构能够承受地震造成的动态载荷。防震措施包括使用延性材料和柔性连接，以及在设计中增加额外的安全裕度。此外，对于受冻融循环影响的寒冷地区，应考虑采用防冻技术，如使用抗冻性能良好的建筑材料等。

6.结语

总而言之，隧道初期支护变形的有效管理和防护要求综合应对地质条件、施工工艺、设计参数及环境因素的挑战。通过精确的地质勘探与技术分析，选用适当的支护材料和结构，以及及时的施工监测，可以显著减少支护变形的风险。此外，采用先进的设计和施工技术，如实时监控和适应性支护系统，不仅能提升隧道工程的安全性，也能保证工程的经济效益和施工效率。在未来的隧道工程实践中，持续优化这些措施将是确保隧道长期稳定性和功能性的关键。

参考文献

[1]张兵.隧道初期支护变形原因分析及防护措施[J].价值工程,2020,39(10):175-179.

[2]缪康.高速公路隧道初期支护变形原因及治理措施分析[J].江苏科技信息,2019,36(28):20-22.

[3]冯勇.大断面黄土隧道初期支护变形控制技术[J].工程技术研究,2024,9(18):58-60.

[4]柳宝通.隧道初期支护变形侵限分析及补强设计检算[J].土工基础,2023,37(01):36-39.

[5]周志青.软弱围岩隧道初期支护变形处理技术[J].工程机械与维修,2021,(02):150-151.

[6]赵晨阳,雷明锋,周博成,等.大变形隧道初期支护变形特征与应对措施[J].铁道建筑,2020,60(12):61-65.