黃土隧道特殊地質(zhì)條件下?lián)Q拱施工技術(shù)研究

張偉

摘要：結(jié)合綏延高速公路長嶺山1號隧道進(jìn)口換拱順利完成所得施工經(jīng)驗及過程中的跟蹤探索，重點闡述特殊地質(zhì)條件下，黃土隧道初支換拱的施工工藝及具體操作流程和主要注意事項，較好的解決了施工中的諸多難題，詮釋了隧道施工以人為本、安全第一的原則，為黃土隧道換拱施工安全提供依據(jù)。

Abstract： Combined with the construction experience obtained from the successful completion of the arch replacement in No. 1 tunnel of Changlingshan of Sui-Yan Expressway and the follow-up exploration in the process of the arch replacement， this paper focuses on the construction process and the specific operation flow and the main operation of the initial support arch replacement for the loess tunnel under special geological conditions. Many problems in the construction have been solved and the principles of people-oriented and safety first in tunnel construction are interpreted， which provided basis for the safety of the construction of the loess tunnel.

關(guān)鍵詞：黃土隧道；超前支護(hù)；換拱；機械破碎；以人為本

Key words： loess tunnel；advanced support；arching；mechanical crushing；people-oriented

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0141-03

1 工程概況及地質(zhì)情況

綏延高速公路長嶺山1號隧道位于陜西省榆林市清澗縣石嘴驛鎮(zhèn)糜山河村，屬于黃土梁峁溝壑地貌，軸線斜穿黃土梁脊，與梁脊斜交角度約60-80度，沿隧道軸向山梁地形呈長方形，兩側(cè)低，中部高；隧道進(jìn)出口段地形相對較陡，坡面遍布薄層殘坡結(jié)土，黃土梁兩側(cè)沖溝發(fā)育，溝谷呈樹枝型展開。隧址區(qū)發(fā)育的特殊性巖土為上更新統(tǒng)馬蘭黃土具II級自重濕陷性，最大埋深為152m，均為Ⅴ級圍巖。隧址區(qū)鉆探深度發(fā)現(xiàn)地下水，結(jié)合地層巖性、地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造條件分析判斷，隧址區(qū)地下水相對富水，地下水對隧道有一定影響。經(jīng)計算，隧道設(shè)計涌水量左為907m3/d、右線為961m3/d。

2 初支侵限情況描述

長嶺山1號隧道右線進(jìn)口YK38+824～YK38+833段設(shè)計圍巖主要為中更新統(tǒng)離石黃土，呈硬塑狀，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)致密；采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行施工，在拱部90度范圍內(nèi)采用長4m、壁厚4.5mm的Ф50小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)；縱向每3m施作一環(huán)；初期支護(hù)施作I22a全環(huán)型鋼拱架，縱向間距0.6m，拱墻設(shè)置長3.5m的砂漿錨管，邊墻環(huán)向設(shè)置長4m的砂漿錨桿；鋼筋網(wǎng)為Ф8mm鋼筋加工制作，網(wǎng)格間距為20cm*20cm，噴射混凝土厚度拱墻及仰拱的厚度皆為26cm，預(yù)留變形量為20～35cm。

該段于2017年8月19日完成上臺階的開挖及初期支護(hù)施工。在開挖過程中，實際揭露圍巖與設(shè)計圍巖有一定出入，隧道頂部主要為粉質(zhì)沙土，圍巖自穩(wěn)能力很差，拱腳以下橫斷面表現(xiàn)都有滲水，開挖過程中左側(cè)拱腳開始斜層掉塊，很快由拱腳至拱頂位置大面垮塌，因掌子面鋼拱架以上土層垮塌嚴(yán)重，致使高空土層垮塌沖擊鋼拱架等初支體系，造成YK38+790～YK38+827處出現(xiàn)4處不同程度環(huán)向裂縫，最大裂縫寬度為2.5cm。待稍穩(wěn)定后，現(xiàn)場立即對開裂區(qū)域間隔5分鐘、10分鐘、30分鐘隨時圍巖沉降收斂進(jìn)行觀測，一直到2小時候后，仍沒有太大變化，確定開裂范圍內(nèi)穩(wěn)定無變化，現(xiàn)場馬上組織對邊墻兩側(cè)進(jìn)行反壓回填，邊墻反壓完成后，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)仍無變化，再次組織從洞外運土對掌子面縱向10m，初支下約1.5m范圍內(nèi)進(jìn)行反壓回填，并對裂紋用泥土進(jìn)行處理，觀測裂紋變化情況。待掌子面反壓完成后，圍巖量測數(shù)據(jù)及裂紋都沒有變化，現(xiàn)場確定掌子面無掉塊和初支相對穩(wěn)定后，現(xiàn)場對掌子面塌方情況進(jìn)行了查看，用測量所用塔尺量測，塌方高度約5m，橫向?qū)挾燃s10m。后期對該段落進(jìn)行斷面測量，侵限最大為27cm，需對YK38+824～YK38+833段初期支護(hù)進(jìn)行換拱處理。為確保施工安全質(zhì)量等，首先對換拱部位的仰拱及C15片石砼填充進(jìn)行施工，同時加快小里程二次襯砌施工至侵限最小范圍，再預(yù)留換拱范圍二次襯砌，對大里程二襯進(jìn)行隔段施工。

3 原因分析

①該段地下水較為豐富，尤其為拱腳及仰拱開挖后，有明水滲出；圍巖整體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，并與掌子面在同一垂直面；圍巖含水量較大，開挖暴露后極易產(chǎn)生掉塊及垮塌現(xiàn)象。②據(jù)對隧道原地表的測量得知，YK38+815～YK38+840位于山體沖溝地段，換拱位置正處于沖溝段凹陷處，且受沖溝內(nèi)常年雨水浸泡及線路一旁落水洞的影響較大，落水洞洞口距離隧道開挖輪廓線為17.76m。③受沖溝段影響，垮塌段存在山體偏壓現(xiàn)象。④隧道揭示圍巖為沙性土，自穩(wěn)能力差，遇水具有失陷性。⑤在掌子面開挖過程中，出現(xiàn)拱腰掉塊現(xiàn)象，施工人員未及時有效采取相應(yīng)措施，導(dǎo)致掉塊現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，以至大面積垮塌。⑥未嚴(yán)格控制開挖循環(huán)進(jìn)尺，按照上半斷面每循環(huán)1榀拱架間距控制，尤其是滲水段，更應(yīng)該嚴(yán)格控制循環(huán)時間及循環(huán)進(jìn)尺。

4 換拱處理方案

4.1 換拱施工工藝流程圖（圖2）

4.2 徑向注漿管打設(shè)及注漿

4.2.1 徑向注漿管打設(shè)

在YK38+824～YK38+833段通過斷面測量確定換拱位置，沿隧道縱向*環(huán)向=1.5m*1.2m布置，全面注漿加固松散土體。注漿管采用50*4mm無縫鋼管，沿管壁20cm梅花形布置8mm注漿孔；注漿管長度為1.2～1.5m，對1.5m范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固，形成一個堅固的殼體，以保證換拱過程中土體的散落與垮塌。

4.2.2 雙液漿注漿

注漿采用活塞式注漿機對水泥-水玻璃漿液進(jìn)行灌注，既能盡快的固結(jié)松散土體還能很好的起到封水作用。漿液的水灰比為1：1，水泥-水玻璃摻和比為1：0.5，施工過程中首先根據(jù)土體松散情況，試驗取得土體的擴散系數(shù)，以準(zhǔn)確的控制注漿量，注漿過程中壓力控制在0.5～0.8MPa。

①雙液漿選擇的必要性。黃土隧道松散的圍巖普遍認(rèn)為注漿，是越注漿越起反作用；理由是注漿后漿液凝結(jié)過程中首先由水對土體進(jìn)行軟化，使得原本松散的土體更加的危險，有可能發(fā)生二次沉降，是很危險的。如果將漿液換做水泥-水玻璃漿液，其快速的凝結(jié)速度，良好的隔水效果會使注漿的效果得到保障，同時最大限度的減少了注漿用水對圍巖的危害。（見圖3）

②注漿管管長分析。換拱期間，普遍認(rèn)為所打設(shè)環(huán)向注漿管越長越好，1.2～1.5m不能起到整體加固的作用。結(jié)合現(xiàn)場實際，注漿管如過長，會穿過土體裂隙，這種情況下注漿的漿液會沿裂隙流出，不能實現(xiàn)加固土體的作用，如盲目的繼續(xù)注漿則為浪費。

③注漿壓力的控制。一般注漿時根據(jù)壓力表控制，通過穩(wěn)壓來確定是否注漿到位；但對于巖體垮塌及松散圍巖來說，尤其是這種整體下沉土體，很多情況下注漿管穿過圍巖的裂隙，如果這種情況下以注漿壓力為依據(jù)，則注漿量就過大，并且起不到擠壓擴散加固土體作用。

4.3 初期支護(hù)破口鑿除

初期支護(hù)破除前首先對已注漿完成的初期支護(hù)進(jìn)行鉆孔探查，若注漿效果不理想，需進(jìn)行再鉆孔補漿處理；初支的破除選用人工鑿除、沖擊錘、無聲高效破石劑預(yù)裂進(jìn)行；普遍認(rèn)為換拱位置為松散圍巖，沖擊錘的選取是不科學(xué)的，因為沖擊錘震動作用過大，會影響到初期支護(hù)上層土體，存較大安全隱患。但通過實踐證明，嚴(yán)格控制環(huán)向注漿管的注漿質(zhì)量。

第一榀工字鋼確定，初支未侵限位置上一榀工字鋼作為開槽第一榀工字鋼，第一榀工字鋼必須確定為安全可靠，方可人工鑿除，以減少對圍巖擾動；開挖第二榀拱架采用沖擊錘鑿除，結(jié)合公路分離式隧道斷面選用150型挖掘機（可以轉(zhuǎn)向破碎頭，正向、反向均可）較為適宜（見圖4），應(yīng)由一側(cè)向換拱方向逐步進(jìn)行破除，使用沖擊錘鑿除過程中要做好實時觀察，使用沖擊錘鑿除降低了安全風(fēng)險，同時提高了功效。如果全部選用人工鑿除或是無聲高效破石劑預(yù)裂，均需要人工利用臺架采用風(fēng)鎬、電鎬進(jìn)行鑿除或鉆孔，功效過低，在不穩(wěn)定的地質(zhì)條件下作業(yè)，施工人員安全不能得到保障。

4.4 超前小導(dǎo)管打設(shè)

超前小導(dǎo)管的打設(shè)是換拱整個環(huán)節(jié)中最為重要的一步，現(xiàn)場采用Φ50mm鋼管制作加工，第一環(huán)的著力點落在未侵限的鋼拱架背部，對換拱區(qū)域在環(huán)向注漿的基礎(chǔ)上再加設(shè)一道防線。打設(shè)角度一般為35～45°，但需保證不妨礙下一榀拱架的安裝。超前小導(dǎo)管長度不小于2m，保證與前后環(huán)向小導(dǎo)管搭接長度不小于1m，環(huán)向間距30cm（見圖5、圖6）。

4.5 拱架的更換及連接

根據(jù)斷面測量結(jié)果鑿除侵限部位噴射混凝土，為方便新更護(hù)鋼拱架的連接，噴射混凝土鑿除時鋼架切割處需向兩側(cè)多鑿除50～60cm，換拱前預(yù)先在每榀鋼架切割位置下方50cm處，每處左右兩側(cè)各打設(shè)2根鎖腳錨管，鎖腳錨管采用？準(zhǔn)42mm，單根長度為3.5m。（圖7）

需要注意的是換拱時拱架連接位置的處理，連接鋼板焊接必須要飽滿；換拱連接板位置是整環(huán)拱架的薄弱環(huán)節(jié)，連接板位置不能在拱頂位置。（圖8）

4.6 實施監(jiān)控量測

在初支換拱期間，安排專職測量人員對拱頂沉降、周邊收斂進(jìn)行實時監(jiān)測，對換拱完成的每榀拱架及時進(jìn)行觀測點埋設(shè)，并及時對采集初始數(shù)據(jù)；所采集數(shù)據(jù)上傳至隧道監(jiān)控量測信息系統(tǒng)，第一時間進(jìn)行時態(tài)曲線回歸分析處理，對圍巖變形情況，及時告知施工現(xiàn)場負(fù)責(zé)人。

5 人員、機械配置情況（表1、表2）

6 施工總結(jié)

①施工前應(yīng)對隧道沿線地表進(jìn)行實地勘察，在隧道進(jìn)洞前完成地表處理，包括落水洞及局部凹陷處處理，防止地表水對隧道掘進(jìn)帶來不良影響。②施工過程中對圍巖的地質(zhì)變化觀察不可忽視，特別是圍巖出現(xiàn)含水量變大或局部滲水時，極易出現(xiàn)坍塌，應(yīng)及時完成支護(hù)和滲水引排措施。③黃土隧道必須嚴(yán)格落實“管超前、勤排水、短進(jìn)尺、留核心、強支護(hù)、早封閉、勤量測、快成環(huán)、緊襯砌”的原則，以保安全。④黃土隧道開挖時，要注意控制開挖進(jìn)尺和超欠挖，在上半斷面施工支護(hù)完成進(jìn)行下部開挖時，拱腳位置應(yīng)預(yù)先采取加固措施，防止由于下部開挖拱腳失穩(wěn)拱架下沉引起坍塌，下部支護(hù)完成后應(yīng)及時進(jìn)行土體回填并碾壓密實，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。⑤黃土隧道開挖后，要嚴(yán)格限制圍巖暴漏時間，施工全過程進(jìn)行監(jiān)控量測，并對量測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行分析，反饋至施工現(xiàn)場。⑥當(dāng)黃土隧道施工過程中隧道掌子面出現(xiàn)局部坍塌、剝落時要及時觀察并快速采取有效措施，防止隧道出現(xiàn)大面積垮塌變形；當(dāng)圍巖出現(xiàn)收斂變形較大，自穩(wěn)能力差時，應(yīng)及時調(diào)整隧道開挖工法，并放大預(yù)留變形量。

綏延高速公路長嶺山1號隧道換拱順利完成的實踐證明：科學(xué)的施工方案決定著整個隧道換拱的成??；換拱整個過程堅持著“嚴(yán)注漿、管超前、弱鑿除、強支護(hù)、短成環(huán)、勤測量”的換拱原則，堅持以人為本的思想，采用雙液漿灌注、超前小導(dǎo)管支護(hù)、選擇合適的破除點進(jìn)行沖擊錘鑿除等技術(shù)在黃土隧道特殊地質(zhì)下?lián)Q拱是安全可行的。嚴(yán)格控制好施工細(xì)節(jié)，做好過程監(jiān)控，可以保證換拱過程中的施工安全，降低施工風(fēng)險，為黃土隧道換拱提供參考依據(jù)。

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