對富水粉細(xì)砂地層隧道初期支護(hù)拆換處理技術(shù)的研究

祁雪峰

摘要：桃樹坪隧道富水粉細(xì)砂地層，遇水極易軟化，下部泥化現(xiàn)象明顯，擾動后基底呈稀湖狀，初支鋼架接腿和閉合困難，隧道變形大，支護(hù)破壞乃至坍塌，局部富水地段掌子面涌水涌砂現(xiàn)象嚴(yán)重，造成初期支護(hù)變形侵限。

Abstract： The water-rich silt and fine sand layer of Taoshuping Tunnel is easy to soften in case of water， and the muddy phenomenon is obvious in the lower part. After the disturbance， the base is in a thin lake shape， so the initial support steel frame is difficult to connect and close， the tunnel deformation is large， the support damage is even in the collapse， and the gushing water and sand of the tunnel face in the water-rich section is severe， which cause the initial support deformation and intrusion.

關(guān)題詞：富水粉細(xì)砂層;支護(hù)拆換;處理技術(shù)

Key words： water-rich silt and fine sand layer;support replacement;processing technology

中圖分類號：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0109-03

0 ?引言

富水粉細(xì)砂地層，是一種特殊工程性質(zhì)的巖層，具有異常復(fù)雜的水穩(wěn)特性，其主要特性是在原始狀態(tài)下密實度高、不擾動狀態(tài)下承載力和變形模量比較高，遇水結(jié)構(gòu)破壞，多呈松散或塑性流變的狀態(tài)。經(jīng)試驗分析研究，富水粉細(xì)砂地層的成分組成、膠結(jié)及含水情況具有不均一性，受水浸泡及外部條件的影響，圍巖穩(wěn)定性隨時間延續(xù)顯著變差，圍巖工程性質(zhì)嚴(yán)重惡化，掌子面自穩(wěn)能力差，在開挖擾動后工程性質(zhì)迅速惡化，圍巖變形大，易發(fā)生坍塌，局部富水地段掌子面涌水涌砂現(xiàn)象嚴(yán)重，造成初期支護(hù)變形侵限。

1 ?工程概況

1.1 工程簡介

蘭渝鐵路桃樹坪隧道位于甘肅省蘭州市境內(nèi)，起訖里程為DK3+430～DK6+655，全長3225m，Ⅰ級鐵路雙線隧道。施工工程中共計發(fā)生18段初期支護(hù)拆換工作，累計291m，本次以穿越該地層的DK4+400～DK4+435段拆換處理工作展開技術(shù)研究。

1.2 原設(shè)計情況

該段開挖后揭示地層為富水粉細(xì)砂地層，圍巖受水浸潤易軟化，基底軟弱，開挖擾動后多呈飽和砂狀，圍巖變形嚴(yán)重，為Ⅵ級圍巖。采用四部CRD法施工，初期支護(hù)全環(huán)采用I25a型鋼，間距1榀/0.5m，二次支護(hù)拱墻采用I16型鋼，間距1榀/1.0m，二襯采用C45鋼筋混凝土，拱墻、仰拱厚均為60cm，襯砌配筋采用Φ22@125mm，？準(zhǔn)14@200mm。

2 ?拆換段變更設(shè)計情況

2.1 拆換段揭示的地質(zhì)狀況

開挖后揭示地層為上富水粉細(xì)砂地層，掌子面下半段面滲水，圍巖易軟化，開挖擾動后呈散砂狀，圍巖變形嚴(yán)重，易坍塌。仰拱部位有鈣質(zhì)膠結(jié)夾層。穩(wěn)定性極差，為Ⅵ級圍巖。采用四部CRD施工，2013年9月17日桃樹坪隧道1#斜井2部下臺階邊墻開挖時出現(xiàn)突泥涌水，致使DK4+413～DK4+416段邊墻拱架內(nèi)擠，此后DK4+416～DK4+435段邊墻及DK4+400～DK4+426段仰拱施工過程中多次發(fā)生涌砂，導(dǎo)致初期支護(hù)下沉，開裂，中隔壁變形、扭曲、開裂，最大下沉量達(dá)47cm，已侵入凈空32cm，需進(jìn)行加強措施及拆換拱處理。

2.2 拆換段變更設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

①DK4+398～DK4+438段3、4部增設(shè)中隔壁，采用I20a型鋼，縱向間距0.5m/榀，設(shè)Φ22連接筋，間距1.0m，設(shè)？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm，噴射C25砼。

②1部DK4+400～DK4+413、DK4+422～DK4+435段臨時仰拱頂面增設(shè)臨時橫撐，采用I20a型鋼，縱向間距0.5m/榀，DK4+400～DK4+435段增設(shè)兩道斜撐，采用I20a型鋼，縱向間距0.5m/榀，斜撐底部、頂部設(shè)[32a槽鋼縱梁，與鋼架焊接;橫撐、斜撐之間均采用？準(zhǔn)22縱連接筋，間距1.0m。

③DK4+400～DK4+435段1部變形較大部位靠中隔壁處設(shè)豎撐，豎撐接長至仰拱底，采用I20a型鋼，縱向間距0.5m/榀，設(shè)Φ22連接筋，間距1.0m。

④1部DK4+413～DK4+422段增設(shè)臨時仰拱，采用I20a型鋼，采用？準(zhǔn)22縱連接筋，間距1.0m，設(shè)？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，噴C25砼厚20cm。

⑤噴射混凝土封閉DK4+400～DK4+435段開裂的初支面，設(shè)置？準(zhǔn)42注漿小導(dǎo)管，長3.5m，間距1.0×1.0m梅花布置，注單液漿。

采取加強措施后，DK4+410～DK4+435段1、3部初支結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，沉降處于可控狀態(tài)，每天收斂下沉量在0.5mm以內(nèi)。仰拱施工至DK4+425，DK4+425～DK4+435段仍存在下沉風(fēng)險，下步對DK4+425～DK4+435進(jìn)行二次注漿加固，采用？準(zhǔn)42小導(dǎo)管，長4.0m，間距1.0×1.0m梅花布置，注單液漿，在仰拱部位膠結(jié)層的頂面2、4部施作一道臨時橫撐，采用I20a型鋼，縱向間距0.5m/榀，邊墻腳設(shè)1.4m倒角斜撐與初支鋼架焊接，提高支撐力。

⑥換拱采用初期支護(hù)參數(shù)如下：

1）超前支護(hù)：拱部120°設(shè)置超前？準(zhǔn)42小導(dǎo)管，長2.6m，間距0.1m，縱向間距0.5m。

2）初期支護(hù)：C30早高強砼33cm，I25a型鋼，間距0.5m，每個接頭部位設(shè)置4根？準(zhǔn)42錨管，L-4m，縱向連接采用I16型鋼，環(huán)向間距1.0m，鋪設(shè)雙層20cm×20cm間距的？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)片。

3）二次支護(hù)：拱墻設(shè)工16鋼架，間距為1榀/0.5m，拱墻設(shè)？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm，拱墻設(shè)置Φ22連接筋，環(huán)向間距1.0m;每榀設(shè)置16根？準(zhǔn)42錨管，L-4.0m;拱墻噴射C25砼厚20cm。

3 ?換拱施工工藝步驟

3.1 施工準(zhǔn)備

制定初支侵限處理施工方案，并報送監(jiān)理站審批后實施;準(zhǔn)備好換拱所需的鋼架，并為換拱后及時二次支護(hù)做好相應(yīng)準(zhǔn)備;準(zhǔn)備好換拱所需的應(yīng)急物資;對換拱工班進(jìn)行安全培訓(xùn)及換拱技術(shù)交底。

3.2 換拱里程、范圍及預(yù)留變形量

①桃樹坪隧道1#斜井正洞重慶方向1部DK4+400～DK4+435段、3部DK4+410～DK4+435段初支侵限，需進(jìn)行換拱處理;

②換拱范圍：1部DK4+400～DK4+435段35米、3部DK4+410～DK4+435段25。

③預(yù)留變形量：拆換拱時，預(yù)留35cm預(yù)留變形量。

3.3 漿加固、支撐加固措施

3.3.1 支撐加固措施

①測量組進(jìn)行初支凈空檢測，確定初支侵限段落及部位;在初支面上用紅油漆標(biāo)示，并將檢測斷面數(shù)據(jù)上報技術(shù)室、項目部;②變形段采用I20a工字鋼三角斜撐加固及豎撐，縱向間距1榀/m，三角斜撐及豎撐底部、頂部設(shè)[32a槽鋼縱梁，與初支拱架焊接，斜撐及豎撐采用16工字鋼連接，間距1.0m。

3.3.2 徑向回填注漿加固

①對初支侵限區(qū)域內(nèi)拱墻背后徑向注漿加固圍巖，注漿孔按間距1.0m×1.0m梅花形布置。注漿管采用鋼花管，鋼花管制作采用Ф42mm，壁厚3.5mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長3.5～4.0m，注漿管應(yīng)埋設(shè)牢固，并設(shè)置良好的止?jié){措施。注漿采用水泥漿，注漿壓力0.8MPa。

②施工注意事項：止?jié){塞止?jié){，漿塞膠圈尺寸應(yīng)與注漿孔徑相配;巖溶縫隙涌水量加大時，應(yīng)先鉆引水孔泄壓，再對裂隙注漿，最后用膨脹硬水泥對引水孔進(jìn)行封堵處理;鉆孔速度應(yīng)保持勻速，特別是鉆頭遇到夾泥夾砂層時，控制鉆進(jìn)速度，避免夾鉆現(xiàn)象;注漿過程中隨時檢查孔口、鄰孔、覆蓋較薄部位有無串漿現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)串漿現(xiàn)象，立即停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口，也可采用麻紗、木楔、錨固劑封堵，直至不再串漿時再繼續(xù)注漿。

3.4 換拱臺車準(zhǔn)備

利用5cm厚木板和？準(zhǔn)42小導(dǎo)管斜撐搭設(shè)簡易操作臺架，用于后期的施做鎖腳錨管、徑向回填注漿和拆換拱作業(yè)平臺。

3.5 監(jiān)控量測

針對DK4+400～DK4+435段變形嚴(yán)重，范圍較廣，施工現(xiàn)場加密了監(jiān)控量測樁，從DK4+402處開始，縱向量測斷面間距按照3m布置;量測頻率：1次/2h，同時，根據(jù)變形情況適當(dāng)增減;及時整理監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常立即上報，現(xiàn)場進(jìn)行補強。

待臨時支撐安裝和徑向回填注漿施做完成后，量測小組及時將變形情況進(jìn)行上報，如變形穩(wěn)定將進(jìn)行拆換拱，如尚未穩(wěn)定，仍繼續(xù)觀測。

3.6 鋼架拆除與置換方法

按照施工方案，確保施工安全前提下，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，對1部DK4+400～DK4+435段、3部DK4+410～DK4+435段侵限部位進(jìn)行換拱作業(yè)。換拱施工作業(yè)時采取1、3部分別進(jìn)行換拱處理，換拱施工作業(yè)時要求對前方掌子面暫停施工，方可進(jìn)行換拱作業(yè)。

3.6.1 總體處理方案

人工采用風(fēng)鎬將變形侵限初期支護(hù)拱架逐榀鑿除，并進(jìn)行逐榀施做初期支護(hù)。更換施做初期支護(hù)是按照從上至下，從大里程往小里程逐榀進(jìn)行施工，拆換拱時堅決執(zhí)行逐榀逐節(jié)進(jìn)行更換鋼架的原則。

拆換拱采用初期支護(hù)參數(shù)如下：

①超前支護(hù)：拱部120°設(shè)置超前？準(zhǔn)42小導(dǎo)管，長2.6m，間距0.1m，縱向間距0.5m。

②初期支護(hù)：C30早高強砼33cm，I25a型鋼，間距0.5m，每個接頭部位設(shè)置4根？準(zhǔn)42錨管，L-4m，縱向連接采用I16型鋼，環(huán)向間距1.0m，鋪設(shè)雙層20cm×20cm間距的？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)片。

③二次支護(hù)：拱墻設(shè)工16鋼架，間距為1榀/0.5m，拱墻設(shè)？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm，拱墻設(shè)置Φ22連接筋，環(huán)向間距1.0m;每榀設(shè)置16根？準(zhǔn)42錨管，L-4.0m;拱墻噴射C25砼厚20cm。

3.6.2 施工準(zhǔn)備

封閉重慶方向1、3部掌子面，暫停施工;準(zhǔn)備好換拱所需的鋼架，并為換拱后及時襯砌做好相應(yīng)準(zhǔn)備;準(zhǔn)備好換拱所需的應(yīng)急物資;對換拱工班進(jìn)行安全培訓(xùn)及換拱技術(shù)交底。

3.6.3 侵限處理施工順序

DK4+400～DK4+435段初期支護(hù)侵限處理施工順序如下：施做臨時支護(hù)及施做注漿小導(dǎo)管并進(jìn)行掌子面及侵限段復(fù)噴，復(fù)噴厚度不小于5cm;進(jìn)行注漿加固，根據(jù)量測資料分析圍巖是否穩(wěn)定，穩(wěn)定后方可進(jìn)行拆換作業(yè);在未侵限段和侵限段刻槽將拱架嵌入，施做鎖腳錨管，將拱架與未侵限段拱架縱向采用I16型鋼連接成整體，環(huán)向焊接連接板，采用連接板連接，并施做超前小導(dǎo)管，噴射混凝土封閉;逐榀、分段、分部拆除拱部初期支護(hù)侵限段落進(jìn)行換拱，并及時施做臨時仰拱，步步成環(huán)，防止出現(xiàn)二次侵限;待初期支護(hù)換拱作業(yè)完成2m時，及時施做二次支護(hù)。

3.6.4 初期支護(hù)拆除

根據(jù)初期支護(hù)斷面測量成果，1、3部拱架需要進(jìn)行置換處理，為防止換拱作業(yè)過程中初期支護(hù)變形，在換拱施工前對換拱部位初期支護(hù)進(jìn)行加固，然后用風(fēng)鎬鑿除換拱部分噴射混凝土，鑿除砼時在支撐結(jié)構(gòu)上搭設(shè)防護(hù)網(wǎng)，以免下落砼塊對人和機(jī)械構(gòu)成威脅，混凝土鑿除后進(jìn)行換拱部位原初期支護(hù)縱向連接筋、鋼筋網(wǎng)及鋼架的割除，然后根據(jù)設(shè)計開挖輪廓線，人工用風(fēng)鎬等工具修整開挖斷面，進(jìn)行初期支護(hù)施工。

①侵限換拱要求及注意事項：

1）換拱應(yīng)逐榀、分段、分部進(jìn)行;

2）風(fēng)鎬鑿除噴射混凝土之前，必須先把噴射混凝土的鑿除部分與不鑿除部分在分界處切開分離，以防對不鑿除部分混凝土有損傷;

3）對拱架的置換應(yīng)遵循先加固后置換、先拱后墻的原則，即置換前對置換段落進(jìn)行注漿加固，經(jīng)監(jiān)控量測沉降及收斂已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，并對不需置換的原拱架進(jìn)行加密鎖腳錨管加固鎖定，然后按照先置換拱部部位鋼架，再置換邊墻鋼架的順序，且每次置換鋼架長度按原鋼架節(jié)段長度一一對應(yīng)進(jìn)行置換;

4）刻槽時主要以人工利用風(fēng)鎬刻槽，且每次只能置換一榀，刻槽時注意預(yù)留沉降量35cm;

5）置換時確保鋼架連接按照原設(shè)計鋼板+連接螺栓的方式有效連接，并在每個節(jié)點位置施做鎖腳錨管，錨管要緊貼鋼架，并通過直徑Ф22的U型鋼筋有效焊接，及時噴射混凝土封閉;

6）拆除拱架使用風(fēng)鎬進(jìn)行人工鑿除。拆除時，要隨時注意圍巖情況，如發(fā)現(xiàn)圍巖破碎及掉塊現(xiàn)象，立即停止拆除，用噴射混凝土封閉拆除面后進(jìn)行徑向注漿，以穩(wěn)固圍巖;

7）第一榀拆除后，及時施做監(jiān)控量測點，測取初始值，每2小時觀察一次，對量測數(shù)值進(jìn)行分析，判斷圍巖是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，可進(jìn)行下一步工序，若不穩(wěn)定，封閉拆換口，并進(jìn)行注漿加固處理，圍巖穩(wěn)定后，方可進(jìn)行下一步工序。

②鋼筋網(wǎng)施工：

1）鋼筋網(wǎng)采用？準(zhǔn)8㎜鋼筋，網(wǎng)格尺寸為20×20㎝，搭接長度不少于20cm。

2）鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)要符合下列要求：在初噴4cm混凝土后進(jìn)行鋼筋網(wǎng)鋪設(shè);使用前要清除銹蝕;隨噴漿面起伏鋪設(shè)與受噴面間隙一般不大于3cm;開始噴射時，減小噴頭至受噴面的距離，并調(diào)整噴射角度，鋼筋保護(hù)層厚度不得小于4cm。

③更換侵限I25a鋼拱架：

根據(jù)中線、水平、隧道斷面和預(yù)留沉降量等將鋼拱架架設(shè)在中線方向的垂直面上，并力求整齊，同時支護(hù)之間仍按設(shè)計要求設(shè)縱向連接筋，構(gòu)成整體，并與圍巖間用混凝土墊塊頂緊。新拱架與原拱架間焊接要牢固、平順。（圖1）

換鋼架施工方法：根據(jù)斷面測量結(jié)果鑿除侵限噴射混凝土，噴射混凝土鑿除時鋼架切割處需多鑿除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)42，長度為4m;在鋼架上確定侵限范圍，量好切割拱架內(nèi)弦長（即兩點直線長度），沿半徑方向切割鋼架;先按Ⅵ級圍巖鋼架設(shè)計要求制作好I25a鋼拱架，計算好下料長度，沿半徑方向裁制已做好的鋼架，備好焊接用連接鋼板;把焊好的鋼架運至作業(yè)平臺上拼裝鋼架，就位調(diào)整后定位;換上的鋼架與原鋼架進(jìn)行對接焊好后再分別在工字鋼腹板和翼板上貼板加強焊接，焊縫高度8mm，接頭采用螺栓連接;在鋼架與圍巖的空隙處加設(shè)混凝土墊塊，楔緊鋼架;縱向連接采用I16型焊接，并噴射混凝土。（圖2）

換鋼架施工工藝要求：嚴(yán)格按設(shè)計圖紙加工鋼拱架，檢查其尺寸、焊接等，要符合設(shè)計規(guī)范要求，所用鋼材進(jìn)場時按批量和型號分批試驗、檢驗，內(nèi)容包括：標(biāo)志、廠家、品種、數(shù)量、外觀等，并按規(guī)定的抽樣做力學(xué)性能試驗，符合要求后才能使用;根據(jù)中線、水平、隧道斷面和預(yù)留沉落量等將鋼拱架架設(shè)在中線方向的垂直面上，并力求整齊，同時，支護(hù)之間仍按設(shè)計要求設(shè)縱向連接筋，構(gòu)成整體，并與圍巖間用混凝土墊塊頂緊;新拱架與原拱架間焊接要牢靠、平順;鋼架垂直于隧道中線，上下、左右允許偏差±5cm，鋼架傾斜度不得大于2°。

4 ?結(jié)論

富水粉細(xì)砂地層隧道初期支護(hù)處理問題，通過現(xiàn)場會勘、方案研討及現(xiàn)場實踐對桃樹坪隧道初期支護(hù)拆換拱的處理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：①下半斷面拱架接腿施工難度極大，拱腳開挖時砂子將隨著流水快速流出，造成拱架背后脫空，兩側(cè)邊墻易垮塌，由于鋼架多次連接、施工擾動大且鋼架不能及時封閉，所以在施工工程中必須嚴(yán)格遵循“少擾動、強降水、快挖快支，初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)”的原則。②粉細(xì)砂地層經(jīng)水浸泡、軟化嚴(yán)重，以及施工擾動掌子面前基底呈松散的粉細(xì)砂狀，圍巖收斂、變形也較嚴(yán)重，所以粉細(xì)砂地層的降水是該地層施工關(guān)鍵所在，含水率多少，是地層穩(wěn)定性的控制因素。

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