朔州隧道塌陷下沉侵限段支護處治施工技術(shù)

史趙鵬

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032)

風(fēng)積砂質(zhì)黃土(Q3pl+eo13)是以砂性土為主的土，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙，具有中等～嚴(yán)重濕陷性，施工中這種土質(zhì)易于發(fā)生坍塌。砂質(zhì)黃土圍巖有各向異性、強度低、松散等力學(xué)特性，直接影響到隧道開挖后掌子面的穩(wěn)定性。如果施工后的圍巖應(yīng)力大于黃土直立方向的強度，就會造成開挖工作面的失穩(wěn);如遇濕陷性黃土?xí)r，含水量超過一定值或者遇水后會產(chǎn)生很大的“沉陷”變形和承載能力的喪失。工程實踐證實，隧道側(cè)壁及拱腳處的應(yīng)力集中過大，要求較大的地基承載力，而砂質(zhì)黃土隧道的側(cè)壁及拱腳處承載力不足，是造成隧道塌方的重要原因之一，此外由于砂質(zhì)黃土隧道的土壓力分布極不平衡，一般均呈馬鞍形分布，而在淺埋的場合，由于不能發(fā)揮成拱作用，在這種情況下不是出現(xiàn)很大的松弛壓力，就是出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象。總之，目前在風(fēng)積砂質(zhì)黃土隧道施工中極易出現(xiàn)拱頂下沉，邊墻下塌、收斂、侵限、噴射混凝土剝落，支護鋼拱架扭曲變形、鎖腳錨管切斷，地表出現(xiàn)多條橫、縱向裂縫等施工現(xiàn)象。

采用有限元差分軟件FLAC3D對風(fēng)積砂質(zhì)黃土隧道坍塌體工作面超前支護技術(shù)進行了分析研究，采用邁式錨桿管棚超前支護技術(shù)對初支進行拆換。鉆進、錨固作業(yè)一體化施工，實現(xiàn)了塌陷、下沉、侵限段初支安全拆換。該處治技術(shù)方便、快捷，適合隧道狹窄空間作業(yè)和搶險施工等特點，對同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

1 隧道侵限情況概述

準(zhǔn)池鐵路朔州隧道位于山西省朔州市境內(nèi)，隧道進口DK128+832～DK128+856是淺埋偏壓風(fēng)積砂質(zhì)黃土()段，洞頂覆蓋層厚15～30 m，設(shè)計采用三臺階預(yù)留核心土法開挖，初期支護I20a型鋼鋼架0.8 m/榀，在施工到DK128+856上臺階初期支護完成24 h后，拱頂出現(xiàn)塌陷、下沉，中臺階 DK128+832～DK128+849段噴射混凝土剝落、開裂、下塌變形且侵限;下臺階DK128+832～DK128+841.6初支開裂、變形且下沉;地表出現(xiàn)多條橫、縱向裂縫，范圍超前，地表最大裂縫寬度12 cm。監(jiān)控量測結(jié)果表明，拱頂最大下沉89 cm，最小下沉62 cm;左側(cè)邊墻最大下塌104 cm、收斂侵限5.1 cm，右側(cè)邊墻下沉80 cm，收斂侵限1.2 cm。初期支護鋼拱架發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，鎖腳錨管切斷，有塌方冒頂前兆。

2 病害成因分析

(1)隧道洞頂覆蓋層只有15～30 m，易造成拱頂下沉、開裂。

(2)風(fēng)積砂質(zhì)黃土開挖后上臺階拱腳圍巖失穩(wěn)，極易造成支護位移，塑性區(qū)擴展。

(3)黃土遇水飽和成泥;造成超前支換作業(yè)困難，初支噴混凝土剝落，易造成坍塌。

(4)設(shè)計采用的初期支護 I20a型鋼鋼架0.8 m/榀，支護參數(shù)偏于薄弱。

3 模型建立及參數(shù)選取

3.1 模型建立

采用三維有限差分元模型，計算范圍左右各取40 m，仰拱下取為40 m，拱頂以上覆土厚度按照實際埋深取為30 m，依據(jù)實際工程情況，縱向取30 m。邊界約束為前后左右邊界施加相應(yīng)方向的水平位移約束，下邊界施加豎向位移約束，上邊界為自由面。地層采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，噴混凝土采用實體彈性單元，鋼支撐暫沒單獨予以考慮，而將其的剛度等效轉(zhuǎn)換到噴混凝土中，超前邁式管棚及其注漿加固考慮為帶有一定厚度的殼體，用shell單元模擬，系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿采用cable單元模擬，采用位于節(jié)點處的彈簧-滑塊系統(tǒng)描述水泥砂漿加固圈的剪切行為，計算模型如圖1、圖2所示。為了消除三維邊界效應(yīng)影響，取整個模型的中間斷面進行分析［1-2］。

圖1 模型細(xì)部網(wǎng)格劃分

圖2 徑向和超前邁式管棚模型

3.2 參數(shù)選取

依據(jù)對砂質(zhì)黃土參數(shù)試算可知，支護位移遠未達到此施工段支護的實際位移，且在施工過程中僅30 m長度范圍內(nèi)出現(xiàn)侵限情況，推知此段地質(zhì)參數(shù)可能較差，故依據(jù)現(xiàn)場位移情況，先假定泊松比為0.45，采用二分法推演現(xiàn)場圍巖的彈性模量、內(nèi)聚力、摩擦角，參照實際施工位移，反演尋求最接近施工實際的圍巖參數(shù)。

試算所取砂質(zhì)黃土圍巖參數(shù)及經(jīng)反演計算確定的侵限段砂質(zhì)黃土圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 砂質(zhì)黃土圍巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗，上臺階采用雙層邁式錨桿管棚作為超前支護，中、下臺階采用邁式錨桿徑向支護，邁式錨桿采用R51L型，邁式錨桿(內(nèi)徑33 mm，外徑51 mm)支護參數(shù)見表2。

表2 支護參數(shù) cm

上臺階180°范圍布設(shè)雙層支護，環(huán)向間距20 cm，每節(jié)打設(shè)縱向長7.5 m，管棚縱向搭接不少于2.5 m，打設(shè)仰角控制在10°～15°，中臺階打設(shè)錨桿，徑向間距100 cm×40 cm，長7.5 m;下臺階打設(shè)錨桿，徑向間距100 cm×40 cm，長6 m，注水泥漿，作業(yè)中鉆桿的前端套上鉆頭，每節(jié)間有連接絲桿，當(dāng)一節(jié)錨桿鉆進后，在前一節(jié)錨桿的尾部套上帶有人工涂抹潤滑劑的連接套后再連接好后一節(jié)鉆桿，直到錨桿鉆到需要長度，可同步鉆進注漿。鉆進、注漿、錨固施工一體化完成［3］。

4 邁式錨桿管棚施作有效性分析

4.1 位移控制

(1)地表沉降控制

地表沉降是描述施工有效性的一個重要指標(biāo)，利用邁式錨桿管棚超前支護拆換初支時各施工步序引起的地表沉降曲線如圖3所示。

圖3 各主要施工步序引起地表沉降曲線

由圖3可以看出，引起較大地表沉降的主要施工步驟是下臺階開挖至考察斷面和隧道挖通。當(dāng)上臺階開挖至考察斷面時，由于上部土體的開挖，使圍巖壓力開始釋放，致使地表產(chǎn)生沉降，但是由于超前邁式管棚的支護作用，最大地表沉降僅為5.1 mm;而當(dāng)隧道開挖完成且初支成環(huán)后，初支形成了較好的受力體系，但由于圍巖為風(fēng)積沙質(zhì)黃土，地基承載能力很差，上部圍巖壓力可能會使整個初支下陷，致使產(chǎn)生較大的地表沉降，施工完成后最大地表沉降達到11.4 mm。

(2)初支變形控制

初期支護的拱頂下沉及水平收斂隨開挖步的變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 拱頂沉降隨施工步的變化曲線

圖5 水平收斂隨施工步的變化曲線

由圖4和圖5可以看出，拱頂下沉主要由上中臺階開挖引起，水平收斂主要由中臺階開挖引起，

最大拱頂沉降為30.4 mm，水平收斂為48.5 mm，均遠遠小于未做特殊支護時的位移，說明邁式超前管棚及邁式錨桿對控制支護位移效果明顯。

4.2 塑性區(qū)分布

隧道開挖過程中圍巖塑性區(qū)的分布變化如圖6所示。

由圖6可以看出，上臺階開挖后由于超前邁式錨桿管棚的保護作用，隧道拱頂、拱腰處并未出現(xiàn)塑性區(qū)，僅僅在中臺階處出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，即超前邁式管棚對圍巖有支撐作用，減少了開挖對圍巖的擾動;中臺階開挖后，塑性區(qū)在隧道周圍出現(xiàn)，但是范圍依舊較小，當(dāng)下臺階開挖后，塑性區(qū)開始大面積出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在邊墻及仰拱下方，且施作7.5 m的徑向邁式錨桿處的塑性區(qū)較施作6 m的徑向邁式錨桿的塑性區(qū)要小。由于隧道所處圍巖為風(fēng)積砂質(zhì)黃土，承載能力很差，如果隧道基底處出現(xiàn)大面積的塑性區(qū)，可能會導(dǎo)致隧道整體下沉，影響施工安全，施工時應(yīng)注意加強基底承載力。

圖6 圍巖塑性區(qū)分布

4.3 徑向錨桿軸力

隧道施工過程中徑向邁式錨桿軸力的分布變化如圖7～圖9所示。

圖7 上臺階開挖后錨桿軸力(單位:N)

圖8 中臺階開挖后錨桿軸力(單位:N)

圖9 下臺階開挖后錨桿軸力(單位:N)

由圖7～圖9可以看出，徑向邁式錨桿軸力隨開挖逐漸增加，上中臺階處錨桿主要受拉，下臺階處錨桿主要受壓，且上臺階處錨桿受拉加大，開挖完成后最大錨桿軸力為103.5 kN。中臺階的錨桿受拉力較小，但是在中下臺階相交處的錨桿(鎖腳錨桿)受力也較大。下臺階處錨桿受壓為主，說明上中臺階發(fā)揮了較大的作用，而下臺階錨桿作用不大［4-5］。

5 處治方案及方法

為了防止隧道發(fā)生更大的坍塌、下沉，立即采取噴錨封閉掌子面，拉碴回填洞室并封閉。然后采用邁式錨桿管棚超前支護處治技術(shù)對原初支進行拆換重新初支。沿拱頂環(huán)向布設(shè)邁式管棚，確定搭接長度、鉆進角度，徑向打設(shè)邁式錨桿，以及注漿參數(shù)等處治措施。

5.1 超前支護錨桿鉆進作業(yè)

用人工或機械將要施工的場地平整好或者搭設(shè)作業(yè)平臺，以便鉆機行駛進出及操作;接電、風(fēng)、水管線到位，空壓機司機和注漿手及鉆機司機就位，備好各種料具?？諌簷C啟動后，按設(shè)計調(diào)整好角度，在鉆機套上專用的纖維套，將鉆桿與纖維套連接牢固，并在第一節(jié)(長1.5 m)鉆桿的前端套上鉆頭，開始鉆進，當(dāng)一節(jié)錨桿鉆進后，在前一節(jié)錨桿的尾部套上帶有人工涂抹潤滑劑的連接套后再連接好后一節(jié)鉆桿，直到錨桿鉆到需要長度，本工法鉆進 7.5 m［6-9］。

5.2 注漿

通過快速注漿頭將錨桿尾端與注漿泵連接，啟動灰漿攪拌機，人工將水泥和其他外加劑材料按配合比配好，輸入到攪拌機中加水?dāng)嚢?，均勻后，輸入到注漿泵，壓漿時要保持壓漿管順直，壓漿量可根據(jù)壓力大小或水泥漿攪拌量確定，壓好后立即安裝好止?jié){塞，再進行錨固，將拱形墊板套在錨桿外露部分，與地表或巖層密貼，在墊板外上好球形螺母。

5.3 拆除原襯初支并重新初期支護

采取人工風(fēng)鎬拆除第一榀上臺階、中臺階初期支護，拆除后及時進行初噴封閉圍巖，杜絕爆破拆除。拆除后重新初期支護。

5.4 管棚打設(shè)

采用雙層R51L自進式錨桿，長 7.5 m，180°范圍布設(shè)，每層環(huán)向間距20 cm，縱向搭接不少于2.5 m，仰角控制在10°～15°，注水泥漿。

5.5 架設(shè)鋼架

架設(shè)第1、2榀I25a型鋼鋼架，鋼架間距為40 cm，中臺階拱腳設(shè)在未拆除初期支護上，與未拆除鋼架焊接牢固，上臺階、中臺階拱腳打設(shè)R51L鎖腳錨桿共20根，長6 m，其中上臺階12根，中臺階8根，注水泥漿;φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm;鋼架之間采用［12.6型鋼連接，環(huán)向間距60 cm;中臺階部位設(shè)徑向錨桿，采用 R51L錨桿，長7.5 m，間距為100 cm×40 cm(環(huán)向×縱向)梅花形布置，尾端與鋼架連接牢固，注水泥漿;C25噴射混凝土厚35 cm。形成第1節(jié)初期加固管棚。第1節(jié)范圍逐榀拆除更換塌陷下沉拱架2 m后，開始打設(shè)第2節(jié)管棚長7.5 m，注漿;換拱，重復(fù)以上工序，保留管棚縱向搭接不少于2.5 m，打設(shè)第3節(jié)管棚長7.5 m，注漿;換拱，重復(fù)以上工序;直至完成處理。處治過程要加強監(jiān)控量測，反饋信息，以便及時調(diào)整支護參數(shù)。

6 結(jié)語

通過對施作邁式錨桿管棚超前支護以及徑向邁式錨桿隧道開挖全過程數(shù)值模擬，分析其地表沉降、支護位移、塑性區(qū)發(fā)展及徑向錨桿受力情況，采用邁式管棚支換施工處治技術(shù)，得出如下主要結(jié)論。

(1)該超前支護技術(shù)可有效控制地表沉降，圍巖塌陷下沉，確保隧道開挖施工安全;

(2)超前邁式錨桿大管棚可以有效支撐拱頂部位圍巖，減少圍巖受施工期間的擾動。7.5 m長的徑向邁式錨桿能夠有效發(fā)揮錨桿對圍巖的加固作用，抑制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展;

(3)隧道開挖后，隧道仰拱下部出現(xiàn)大面積塑性區(qū)，由于圍巖承載能力很差，如若產(chǎn)生較大范圍塑性區(qū)，極易使隧道整體下沉，危及施工安全;

(4)下臺階處的徑向邁式錨桿(長為6 m)以受壓為主，此處錨桿對圍巖的加固作用不顯著。

綜上所述，邁式管棚超前支護結(jié)合邁式徑向錨桿可以有效控制支護及圍巖變形，但遇圍巖承載能力極差時，還需適當(dāng)加固隧底基礎(chǔ)，保證隧道基底的承載能力。

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