隧道軟弱圍巖拆換拱的施工技術(shù)研究

劉小碩

(中鐵十八局隧道工程有限公司,重慶 400700)

在軟弱圍巖隧道施工中，會受到軟弱圍巖破碎程度的影響，因此在施工中既要嚴(yán)格按照施工規(guī)劃和施工圖紙對圍巖進(jìn)行處理，也要采用超前地質(zhì)預(yù)報法來采集圍巖的基本信息，全面掌握圍巖的巖性，為后期施工提供數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。但在初期支護(hù)中，拱頂下沉和周邊收斂仍然在進(jìn)行中，如果情況嚴(yán)重會發(fā)生變形開裂、塌方等安全事故，此時加固措施已經(jīng)難以控制變形，需要等圍巖穩(wěn)定后，再鑿除混凝土和部分圍巖進(jìn)行拆換拱處理。

一、工程概述

黃家溝隧道工程D1K472+002～D1K471+955段地層巖性為砂質(zhì)頁巖，青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造。受田家溝斷層影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，礦物成分以黏土礦物、石英等為主，局部含炭質(zhì)。

設(shè)計D1K472+002～D1K471+955段采用IVa2型復(fù)合式襯砌，采用I18工字鋼進(jìn)行支護(hù)，臺階法施工。后變更為：D1K472+002～D1K471+990變更為Vb型復(fù)合式襯砌，采用I20b工字鋼進(jìn)行支護(hù)；D1K471+990～950段更為Vc型復(fù)合式襯砌，采用I22型工字鋼進(jìn)行支護(hù)。

二、超前地質(zhì)預(yù)報

在2018年9月4日，對黃家溝隧道橫洞掌子面D1K471+998開展了TSP超前預(yù)報工作。前方100米圍巖預(yù)報結(jié)論如下：

掌子面前方100m探測范圍中，前40m圍巖和掌子面圍巖強(qiáng)度基本相同，主要為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在裂隙水，自穩(wěn)定性比較差，由此可判斷圍巖級別為Ⅴ級。后28m與掌子面圍巖相比，圍巖的強(qiáng)度和完整性大幅度降低，主要為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)定性比較差，推斷圍巖級別為Ⅴ級。

三、軟弱圍巖變形情況和變形的原因

（一）軟弱圍巖變形情況

2018年11月13日，測量小組對黃家溝隧道橫洞小里程監(jiān)控量測點進(jìn)行監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)D1K471+965斷面水平收斂4.3mm,速率8.6mm/d；D1K471+960斷面水平收斂4.5mm,速率9mm/d，兩個斷面收斂數(shù)值超限，產(chǎn)生黃色報警。

11月15日，測量小組對黃家溝隧道橫洞小里程監(jiān)控量測點進(jìn)行監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)D1K471+965斷面水平收斂4.1mm,速率8.2mm/d；D1K471+960斷面水平收斂4.2mm,速率8.4mm/d，兩個斷面收斂數(shù)值超限，產(chǎn)生黃色報警。根據(jù)連續(xù)2天收斂變形速率超過限值，現(xiàn)場立即對掌子面進(jìn)行噴錨封閉，對該變形段線路右側(cè)初支采取增加鎖腳錨管、徑向注漿等措施進(jìn)行加固處理，基本穩(wěn)定后的斷面圖如圖1所示：

圖1 基本穩(wěn)定后的斷面圖（cm)

（二）軟弱圍巖變形產(chǎn)生的原因

根據(jù)地質(zhì)勘探報告和施工前的分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致本次變形發(fā)生的主要原因體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，地質(zhì)因素。黃家溝隧道的圍巖為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在裂隙水，自穩(wěn)定性比較差，力學(xué)特性主要表現(xiàn)為可塑性、膨脹性、崩解性、易擾動性。當(dāng)開挖支護(hù)完成，圍巖自身缺乏穩(wěn)定性，初期支護(hù)需要承受全面的應(yīng)力。

第二，高偏差壓力。黃家溝隧道穿管山邊，開挖輪廓線左右兩側(cè)的高度差超過15m，形成的應(yīng)力比較大，這點也是引發(fā)基巖變形的主要原因之一。

第三，人為因素。本工程施工工期比較短，各項工序緊湊，在安排施工工序時缺乏合理性，對淺埋偏壓軟弱地基圍巖開挖認(rèn)識度不足。在隧道開挖過程中，仰拱距離掌子面的距離超過40m，二次襯砌到掌子面的距離比較遠(yuǎn)，存在一定的不安全因素。

第四，設(shè)計因素。在淺埋偏壓段隧道施工中，設(shè)計的超支護(hù)為超前注漿小導(dǎo)管，并沒有采用更加先進(jìn)合理的超前管棚，隧道拱架為I22工字鋼，間距為60cm在，需要加大工字鋼并縮短間距，才能提升初期支護(hù)的剛度。

四、隧道軟弱圍巖拆換拱的施工技術(shù)

（一）徑向注漿

為穩(wěn)固換拱段圍巖，避免換拱時發(fā)生流塌，于拱部144°范圍φ42小導(dǎo)管徑向高壓注漿，注漿導(dǎo)管每根長4.5m，縱、環(huán)間距1.5m×1.5m，梅花型布置；注水泥凈漿，水灰比為1:0.8，注漿壓力2.5MPa。提高隧道周邊圍巖的整體性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以控制松散薄層狀砂質(zhì)頁巖下沉和收斂，避免再次出現(xiàn)初期支護(hù)發(fā)生變形、開裂和初支侵限，防止換拱時發(fā)生流塌安全事故。

（二）拆換拱施工順序

第一步，D1K471+955～+962段上臺階拱架。先進(jìn)行上臺階3節(jié)A單元開挖，開挖完成后支立I25a型鋼鋼架，間距控制在0.6m左右，按照40cm預(yù)留變形量控制，待上臺階推進(jìn)3m后，逐榀開挖中臺階B單元，左右兩側(cè)錯開進(jìn)行中臺階落底。

第二步，D1K471+962～+967 段上、中臺階拱架。（1）逐榀開挖上臺階3節(jié)A單元，支立I22a型鋼鋼架，間距0.6m，按照40cm預(yù)留變形量控制，待上臺階推進(jìn)3m后，逐榀開挖中臺階B單元，左右兩側(cè)錯開進(jìn)行中臺階落底。（2）待中臺階施工完后，交錯施工左、右側(cè)下臺階，支立I22a工字鋼，同步跟進(jìn)仰拱初支增設(shè)鋼架封閉成環(huán)施工，初支封閉與下臺階不大于6m。

第三步，D1K471+967～D1K471+002段線路右側(cè)中、下臺階拱架。待該段仰拱初襯砌砼施工完成后，對該段線路右側(cè)上臺階右側(cè)及B單元初支進(jìn)行拆換，逐榀完成該段的拆換拱作業(yè)，施工過程中注意鋼架連接的可靠性，必要時加設(shè)墊鋼板進(jìn)行密貼處理，鋼架連接板處各增加2根φ42鎖腳錨管進(jìn)行加固。

（三）拆除初期支護(hù)混凝土

洞身依次由D1K471+962到掌子面進(jìn)行換拱，從D1K471+962開始對洞身上臺階混凝土進(jìn)行拆除，每循環(huán)0.6m，采取機(jī)械配合人工風(fēng)鎬的施工方式，深度為53cm，鑿除順序為先拱后墻，拆除至鋼筋網(wǎng)或連接筋混凝土面時，要優(yōu)先切斷鋼筋網(wǎng)及連接筋，確保全部切斷后方可對剩余混凝土進(jìn)行鑿除。在拆除噴射砼過程中對既有的鋼筋網(wǎng)及連接筋采用氧氣乙炔進(jìn)行切割處理，確保不破壞既有拱架受力，拆除后進(jìn)行擴(kuò)挖至設(shè)計輪廓線，預(yù)留沉降量為35cm，擴(kuò)挖后對巖面進(jìn)行混凝土初噴，初噴封閉圍巖后再進(jìn)行初期支護(hù)施工，待拱部換拱工序結(jié)束之后方可進(jìn)行邊墻砼拆除及支護(hù)工程，原則為先拆除變形較大側(cè)然后拆除變形較小側(cè)。

（四）鋼架安裝及噴射砼

第一步，D1K471+962～+955初支侵限段落采用I25型鋼，D1K472+962～D1K471+990線路右側(cè)侵限段落采用I22a型鋼，D1K472+002～D1K471+990線路右側(cè)侵限段落采用I20b型鋼，間距0.6m。

第二步，拱架連接處打設(shè)4根4.5m鎖腳錨管，與巖面成35°～45°角打設(shè)，與鋼拱架焊接牢固，并壓注1:1水泥漿,鎖腳錨管施做完成后及時復(fù)噴混凝土進(jìn)行封閉；其余工序按照原設(shè)計施做。施工進(jìn)尺為0.6m/循環(huán)。

第三步，架立鋼架按照先拱后墻的順序進(jìn)行，拱腳采用工字鋼進(jìn)行支墊。重復(fù)上述步驟對D1K471+955～D1K472+002段進(jìn)行換拱，然后進(jìn)行既有拱架及噴射砼拆除，然后對其擴(kuò)挖加固，安裝換拱拱架，打設(shè)鎖腳錨桿，噴射砼完成初期支護(hù)。

第四步，D1K472+002～D1K471+967線路右側(cè)侵限段落待仰拱襯砌砼施作完成后進(jìn)行換拱施工。

（五）侵限處置控制

換拱過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，測量數(shù)據(jù)及時整理反饋，根據(jù)檢測結(jié)果指導(dǎo)施工，避免施工過程中發(fā)生危險。施工中遵循“強(qiáng)支護(hù)、快封閉、早成環(huán)、勤量測”的原則進(jìn)行變形侵限段施工。換拱每循環(huán)為一榀，逐榀進(jìn)行拆換，嚴(yán)禁兩榀同時施作，嚴(yán)禁兩側(cè)向中間或中間向兩側(cè)進(jìn)行施作。侵限部位必須清除到位，杜絕二次侵限。鎖腳錨管打設(shè)牢固，并注意設(shè)計所有系統(tǒng)錨桿對拱架的鎖固作用。

（六）監(jiān)控量測

監(jiān)控量測采用全站儀觀測，為保證全站儀觀測的精度，在制作量測樁的時候，樁上安裝反射片，同時在施工中注意做好樁點防護(hù)，特別是噴射混凝土?xí)r不能將樁點覆蓋，埋設(shè)樁點在開挖時反光片不能被爆破拋擲物隨時損壞。

1.測點布置

對周邊位移、拱頂下沉的監(jiān)控量測主要是根據(jù)圍巖級別、隧道掌子面開挖方法等因素來確定布置測點的數(shù)量和測線的數(shù)量；拱頂下沉：每個斷面布置1～3個測點，測點放在拱頂中心或其附近。

2.量測要求

各測點在避免開挖作業(yè)破壞測點的前提下，盡可能靠近工作面埋設(shè)，一般為0.5～2m，并在下一次開挖前獲得初始讀數(shù)。初始讀數(shù)應(yīng)在開挖后12h內(nèi)讀數(shù)，最遲不得超過24h，而且在下一次循環(huán)開挖前，必須完成初期變形值讀數(shù)。

3.量測頻率

拱頂下沉量測與凈空水平收斂量測用相同的量測頻率，從表中根據(jù)變形速度和離開挖工作面距離選擇較高的一個量測頻率。監(jiān)控項目量測方法及量測頻率如表1所示。

表1 監(jiān)控項目量測方法及量測頻率表

為做好隧道施工監(jiān)控量測，成立專門監(jiān)控量測小組，并針對監(jiān)控量測的內(nèi)容，制定嚴(yán)密的監(jiān)控量測計劃，并將監(jiān)測資料匯總、分析，并及時上報。

五、結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合工程實例，研究了隧道軟弱圍巖拆換拱的施工技術(shù)。研究結(jié)果表明，通過上述方法來處理軟弱圍巖變形事故，可有效減少變形收斂對拆換拱施工的影響，確保了施工的安全性，此外在后續(xù)施工中，也實現(xiàn)了對圍巖的預(yù)判和加固，取得了良好的施工效果，為今后軟弱圍巖地質(zhì)隧道施工變形控制積累了成功的經(jīng)驗，值得類似工程大力參考和借鑒。