某高速公路炭質(zhì)板巖隧道初期支護(hù)大變形處治技術(shù)研究

王賓

摘要：某山區(qū)高速公路隧道洞口段位于炭質(zhì)板巖地段，隧道在進(jìn)洞80m后在初期支護(hù)中陸續(xù)產(chǎn)生裂縫、大變形等病害，本文描述了該隧道的病害特征，分析了該隧道的病害成因，并對病害處治措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

Abstract： The tunnel section of a mountainous highway tunnel is located in the carbonaceous slate section. After 80m of the tunnel， the tunnel will cause cracks and large deformations in the initial support. This paper describes the disease characteristics of the tunnel， analyzes the causes of the disease in the tunnel， and introduces the treatment measures.

關(guān)鍵詞：山區(qū)高速公路;炭質(zhì)板巖;隧道;大變形;換拱

Key words： mountainous highway;carbonaceous slate;tunnel;large deformation;change the arch

中圖分類號：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0141-04

0? 引言

炭質(zhì)板巖具有遇水軟化的特性，由于其干燥狀態(tài)時強(qiáng)度較高，因此在勘察設(shè)計階段常常不能得到足夠的重視，而實際上炭質(zhì)板巖屬于軟巖的范疇。炭質(zhì)板巖在我國西南地區(qū)分布較廣泛，近年來，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，西南地區(qū)的鐵路、公路隧道工程不斷增多，炭質(zhì)板巖帶來的隧道大變形問題越來越凸顯，也越來越得到工程界和學(xué)術(shù)界的重視。在蘭渝鐵路、成蘭鐵路、長昆高鐵、臨合高速公路等工程的修筑過程中，多座隧道遇到了炭質(zhì)板巖的問題，工程界圍繞炭質(zhì)板巖的工程特性、炭質(zhì)板巖隧道大變形的成因、施工處治措施等問題開展了初步的探索和研究。本文以西部某高速公路炭質(zhì)板巖隧道工程初期支護(hù)的大變形病害處治技術(shù)為例，進(jìn)一步分析大變形病害成因、特征及其處治措施，以期為今后類似工程建設(shè)提供參考。

1? 隧道病害情況描述

1.1 工程概況

某山區(qū)高速公路隧道是一座分離式隧道，左線隧道全長1350m，右線隧道全長1356m，隧道進(jìn)口端原設(shè)計采用SF4a襯砌支護(hù)類型，在施工過程中進(jìn)行了支護(hù)類型變更，按照不同位置分別變更變?yōu)镾F5a和SF5b支護(hù)型式。該隧道進(jìn)口段施工開挖到左線80m、右線120m時，由于連續(xù)下雨導(dǎo)致左線及右線隧道內(nèi)發(fā)生初期支護(hù)開裂、下沉等病害。觀測到病害時，隧道累計開展洞內(nèi)施工65天，左線隧道累計施工進(jìn)尺：80m，仰拱施作65m，二次襯砌施作10m;右線隧道累計進(jìn)尺100m，仰拱施作80m，二次襯砌施作42m。

1.2 工程地質(zhì)概況

原勘察設(shè)計文件將進(jìn)口段圍巖定為Ⅳ級圍巖，強(qiáng)風(fēng)化板巖;呈松散結(jié)構(gòu)，圍巖易坍。實際地質(zhì)情況為灰黑色板巖、頁巖、泥灰?guī)r，圍巖產(chǎn)狀混亂，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，結(jié)構(gòu)為碎裂狀、散體狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育。結(jié)構(gòu)面錯綜復(fù)雜，多填充軟弱夾層，遇水后易軟化，層間結(jié)合差，自穩(wěn)能力差，開挖過程中拱頂易坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)，滲、滴水現(xiàn)象嚴(yán)重，見圖1所示。

1.3 工程病害情況

受連續(xù)降雨影響，在隧道進(jìn)洞后2個月左右發(fā)現(xiàn)隧道左、右幅初期支護(hù)均發(fā)生了不同程度的變形開裂現(xiàn)象。左洞邊墻局部出現(xiàn)裂縫;右洞出現(xiàn)環(huán)向裂縫;已施作完成仰拱段落，初期支護(hù)裂縫仍繼續(xù)產(chǎn)生，并在拱腳位置出現(xiàn)縱向裂縫;已支護(hù)完成的上斷面、邊墻鋼拱架局部出現(xiàn)變形，局部位置初期支護(hù)滲水嚴(yán)重。在發(fā)現(xiàn)隧道病害后施工單位及組織洞內(nèi)機(jī)械人員全部調(diào)離，停止施工作業(yè)，搭設(shè)臨時支撐，防止惡化，同時對現(xiàn)場進(jìn)行了進(jìn)一步的監(jiān)控量測。經(jīng)第三方檢測單位測量，獲得隧道的病害情況如下：

1.3.1 初期支護(hù)變形情況

左線隧道洞口段0-25m范圍內(nèi)左側(cè)初期支護(hù)斷面侵限，右側(cè)略有富余，初期支護(hù)左側(cè)局部最大侵限17cm;25-35m范圍內(nèi)斷面左側(cè)侵限較為嚴(yán)重，右側(cè)略有富余，初期支護(hù)左側(cè)最大侵限28cm;35-45m范圍內(nèi)斷面左側(cè)侵限，右側(cè)略有富余，個別斷面初期支護(hù)左側(cè)最大侵限16cm;45-80m范圍內(nèi)斷面左側(cè)侵限嚴(yán)重，右側(cè)略有富余，斷面左側(cè)最大侵限20cm。

右線隧道洞口段0-40m范圍內(nèi)隧道整體侵限，左側(cè)相對較為嚴(yán)重在8-15cm之間，局部最大22cm，右側(cè)在5-12cm之間，局部最大18cm;進(jìn)洞40-70m范圍內(nèi)侵限較小，最大侵限5cm左右。

1.3.2 初期支護(hù)混凝土裂縫

左線隧道進(jìn)口洞內(nèi)20-30mm處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長約3.6m，寬約3-6mm;左線隧道進(jìn)洞40-50m處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長約4.8m，縫寬約4-7mm。右線隧道進(jìn)洞20m處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長約3.2m，縫寬約4-8mm;右線隧道進(jìn)洞30-40m之間有6處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長約4.1m，縫寬約3-6mm。

1.3.3 拱頂沉降

2016年7月17日觀測ZK94+460、ZK94+465拱頂下沉發(fā)生突變，單日沉降速率達(dá)到2.1mm/d-3.1mm/d（累計沉降量已達(dá)到115.7mm-121.6mm，Ⅳ及圍巖已超出原設(shè)計預(yù)留沉降量，Ⅴ級圍巖已超出原設(shè)計預(yù)留沉降量的2/3）;2016年7月18日觀測YK94+470、YK94+480、YK94+490拱頂下沉發(fā)生突變，單日沉降速率達(dá)到7.5mm/d-11.8mm/d（累計沉降量已達(dá)到88.6mm-121.5mm，Ⅳ及圍巖已超出原設(shè)計預(yù)留沉降量，Ⅴ級圍巖已超出原設(shè)計預(yù)留沉降量的2/3）。

1.3.4 周邊位移

據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，左線隧道周邊位移單日位移速率達(dá)到2.3mm/d-3.6mm/d（累計位移量已達(dá)到110mm-120.4mm）;右線隧道周邊位移單日位移速率達(dá)到8.2mm/d-9.1mm/d（累計位移量已達(dá)到85.3mm-105.6mm）。

1.3.5 地表沉降速率

據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)底邊沉降速率未出現(xiàn)突變情況，單日沉降速率為0.1mm/d-0.11mm/d，無地表開裂現(xiàn)象。

2? 病害成因分析

根據(jù)設(shè)計施工資料分析，本隧道產(chǎn)生開裂、大變形病害的首要原因是勘察設(shè)計單位對于圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識不足，在勘察設(shè)計階段將炭質(zhì)板巖當(dāng)成普通的強(qiáng)風(fēng)化板巖，圍巖類別定為Ⅳ級圍巖，采取的施工支護(hù)措施明顯偏弱，未針對炭質(zhì)板巖遇水軟化易變形的特殊工程特性采取針對性的處治措施。在隧道開挖后，未及時變更圍巖類別，雖然將支護(hù)類型從SF4a變更變?yōu)镾F5a和SF5b支護(hù)型式，但未針對炭質(zhì)板巖的特殊工程特性增加預(yù)留變形量、調(diào)整施工支護(hù)參數(shù)，因此導(dǎo)致病害的逐步積累發(fā)生。

另一方面，從現(xiàn)場反饋的信息來看，洞口段開挖采用臺階法施工，左線隧道掌子面距離仰拱15m，掌子面距離二次襯砌70m;右線隧道掌子面距離仰拱20m，掌子面距離二次襯砌60m。施工支護(hù)參數(shù)存在明顯不合理，二次襯砌到掌子面距離過長，針對軟巖地段未做到二次襯砌緊跟、及時封閉仰拱，這也是導(dǎo)致初期支護(hù)變形開裂的直接原因。

3? 病害處治方案與實施

3.1 病害處治方案

經(jīng)專題會議研究，制定了臨時支撐、換拱方案對病害地段進(jìn)行加固處理，臨時支撐采用扇形支撐方式;凡侵入二次襯砌凈空且二次襯砌厚度不能滿足40cm的部位采取換拱處理，并在隧道內(nèi)標(biāo)注換拱部位;二次襯砌厚度滿足40cm且小于設(shè)計厚度段落，二次襯砌采取加強(qiáng)處理。

3.1.1 左洞病害處治

對于能滿足40cm二襯厚度要求的地段，提前施作二次襯砌，并對二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理;對于初期支護(hù)由于侵限嚴(yán)重地段，需進(jìn)行換拱處理同時對該段二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理。對于仰拱還未施工地段，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，由于該段按照滿足40cm二襯厚度，也采取二次襯砌補(bǔ)強(qiáng)處理。

3.1.2 右洞病害處治

對整體侵限地段，進(jìn)行換拱處理;為防止初支繼續(xù)下沉，侵占二襯厚度，采用I18工字鋼進(jìn)行臨時支撐。對于侵限較小且二襯厚度均滿足45cm及以上地段，由于不能滿足原設(shè)計50cm二襯厚度要求，因此對該段落二襯厚度作加強(qiáng)處理。

二襯做加強(qiáng)處理具體實施為：原設(shè)計二襯砼厚度由45m變?yōu)?0cm，原環(huán)向主筋規(guī)格Φ22不變，間距由200mm加密為100mm，仰拱已施工段與仰拱預(yù)留鋼筋相接，加密鋼筋采用植筋與仰拱連接，未施工仰拱段鋼筋一并加密調(diào)整，其余鋼筋均不變。二襯加強(qiáng)地段采用打設(shè)Φ42×4小導(dǎo)管注水泥漿對初期支護(hù)周邊圍巖加固處理，小導(dǎo)管間距按設(shè)計徑向錨桿間距布設(shè)（Ⅳ級0.8m，Ⅴ級0.6m），長度3.5m。

3.2 換拱施工方案

3.2.1 換拱施工工藝流程

侵限段落臨時支護(hù)→打設(shè)徑向注漿管注漿→打設(shè)超前注漿管注漿→逐榀進(jìn)行換拱→澆筑二次襯砌。

3.2.2 換拱段進(jìn)行臨時支撐

①環(huán)向支撐采用I18工字鋼鋼架進(jìn)行支撐，間距1.6m，鋼拱架與初支面空隙采用木屑進(jìn)行卡縫，鋼拱架底腳直接支撐在已澆筑的仰拱填充混凝土上，支墊牢靠;

②中間拱頂位置、兩邊拱腰位置豎向立支撐及拱頂縱向連接均采用I18工字鋼支撐，間距為兩榀環(huán)向支撐間距，即為3.2m;

③臨時支撐長度10m，循環(huán)使用，并超前于換拱位置3m。

3.2.3 換拱前注漿處理

換拱前先在侵限每榀鋼拱架拱部按120°內(nèi)范圍內(nèi)按環(huán)向間距50（30）cm打設(shè)4.5m長？準(zhǔn)42×4mm超前小導(dǎo)管并注漿，水泥漿達(dá)到終凝后開始換拱。

3.2.4 換拱步驟

利用鋼筋臺車進(jìn)行換拱，原有初期支護(hù)主要采用人工持風(fēng)鎬或機(jī)械配套，禁止采用爆破作業(yè)，以減少對圍巖的擾動及對已有鋼架的破壞。為避免換拱后沉降侵入凈空，新拱架考慮20cm預(yù)留變形量。

對變形段初支加固完成后，根據(jù)注漿前與注漿后的量測資料分析，圍巖穩(wěn)定，無變形，則開始對變形段拱架進(jìn)行更換，換拱時由外向里進(jìn)行，每次一榀，每榀拱分3-4段換完，先換左側(cè)邊拱，再換拱頂，當(dāng)圍巖較差、出現(xiàn)掉塊、變形速率增大時，拱頂分兩段換拱，最后換右側(cè)邊拱，見圖4所示。

拱架拆除與安裝：

①左側(cè)B單元拆除與安裝。人工鑿除線路左側(cè)B單元與C單元和A單元的拱架接頭環(huán)向1m范圍內(nèi)初支砼，露出拱架接頭后用乙炔將接頭螺栓割除，使左側(cè)B單元與拱架分離，割除鋼架連接鋼筋及鋼筋網(wǎng)，并用風(fēng)鎬對拱架位置進(jìn)行修整，達(dá)到設(shè)計開挖輪廓線后，先初噴一層混凝土封閉開挖面防止掉塊，再將加工好的鋼拱架安裝進(jìn)去，當(dāng)左側(cè)B、C單元連接好后，施作拱架定位鋼筋，打設(shè)鎖腳錨桿、掛網(wǎng)噴砼、打超前小導(dǎo)管。由于新?lián)Q拱架考慮了20cm的預(yù)留變形量，為了保證B、C單元的連接，新加工的B單元與C單元連接端的連接板要加大，寬度較設(shè)計加寬10cm，長度靠內(nèi)弧一側(cè)要加長20cm。為了換拱拱架連接，噴射砼時在先換拱架接頭處采用水泥袋包裹。

②拱頂A單元拆除與安裝。鑿除線路右側(cè)B單元與A單元的拱架接頭，右側(cè)A單元與拱架分離，拆除拱架、擴(kuò)挖及初噴，安裝拱架，A單元左側(cè)拱架采用連接螺栓與換好的左側(cè)B單元連接，A單元右側(cè)落在未換的右側(cè)B單元上;當(dāng)A單元長度不足，A、B單元拱架連接處縫隙較大時，加墊木板并用木楔楔緊，當(dāng)A單元長度過長時，根據(jù)現(xiàn)場尺寸，割除B單元接頭。當(dāng)圍巖較差、出現(xiàn)掉塊、變形速率增大時，拱頂（A單元）分2段換拱，其它方法同上。見圖5所示。

③右側(cè)B單元拆除與安裝。鑿除線路右側(cè)B單元與C單元的拱架接頭，使拱架分離，拱架拆除后，按設(shè)計安裝新拱，為了便于與B單元、C單元連接，在加工右側(cè)B單元時，要比設(shè)計加長50cm，且與C單元連接的一端不焊接連接鋼板，根據(jù)現(xiàn)場尺寸量取，對右側(cè)B單元進(jìn)行切割，將預(yù)留連接板與C單元的連接板連接后，再將B單元焊在已連接好的鋼板上，見“拱架接頭處理圖”。最后施作鎖腳錨桿、掛網(wǎng)噴砼、打超前小導(dǎo)管。為保證邊墻及仰拱的穩(wěn)定，對C單元換拱后增加鎖腳小導(dǎo)管。其它拱架參照第一榀拱架處理，新處理的初期支護(hù)封閉成環(huán)后，及時進(jìn)行二次襯砌施工，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

④換拱時按設(shè)計要求重新打設(shè)徑向Φ22砂漿錨桿注漿（Ⅳ級圍巖）及Φ25中空注漿錨桿加固（Ⅴ級圍巖）。砂漿錨桿與鋼拱架焊接在一起，鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土施工與設(shè)計相同。

3.2.5 換拱期間的監(jiān)控量測

換拱地段每一榀拱架更換完成后，及時布設(shè)監(jiān)控量測點，進(jìn)行拱頂下沉、周邊收斂。之后每完成3m布一組量測點，測點設(shè)置5個點，即拱頂下沉點1個，徑向收斂點4個（中臺階2個，下臺階2個），每組點均要在同一斷面上。量測頻率每天3次，當(dāng)變形速率大于3mm時要增加量測頻率。每次量測完后1h內(nèi)計算出量測結(jié)果，對量測結(jié)果進(jìn)行回歸分析，用以指導(dǎo)施工，量測布點見圖6所示。

4? 結(jié)語

本文結(jié)合工程案例介紹了炭質(zhì)板巖隧道大變形病害的特征，并對病害產(chǎn)生的原因及病害處治措施進(jìn)行了分析，后續(xù)結(jié)果證明本工程的病害處治措施是有效的，在換拱以后，隧道大變形病害基本得到了控制。論文的研究得出以下主要結(jié)論：

①本隧道產(chǎn)生病害的主要原因在于設(shè)計單位、施工單位對于炭質(zhì)板巖的工程性質(zhì)認(rèn)識不足，而施工支護(hù)參數(shù)選擇不合理是導(dǎo)致病害產(chǎn)生的直接原因。

②炭質(zhì)板巖隧道施工處治措施的關(guān)鍵在于：一方面，要預(yù)留足夠的變形量，釋放圍巖的應(yīng)力;另一方面要加強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，二次襯砌緊跟，及時封閉仰拱，將圍巖的變形限制在合理的范圍內(nèi)，形成圍巖變形與結(jié)構(gòu)約束之間的動態(tài)平衡。

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