隧道不良地質(zhì)段二襯與初支置換施工及經(jīng)濟(jì)效益分析

（湖南尚上市政建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 長沙 410000）

某高速公路隧道內(nèi)圍巖二襯砌及初期支護(hù)出現(xiàn)嚴(yán)重病害，為了解除隧道安全風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)劃采用置換法進(jìn)行處理，經(jīng)項(xiàng)目論證，置換法在施工質(zhì)量、施工效率及工程經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯優(yōu)勢，能夠很好地解決隧道圍巖襯砌及初期支護(hù)的各種病害。

1 工程概況

本文涉及的病害隧道位于二廣高速常安段，隧道采用雙向四車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，洞頂最大埋深為186.0m。經(jīng)隧道檢測發(fā)現(xiàn)，左幅隧洞內(nèi)二襯砌出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂、入侵病害，病害影響長度超過200m，襯砌入侵凈空的平均長度超過300mm，此外，還存在不同程度的滲漏、邊墻潰塌等病害。為了徹底處治襯砌病害，施工方經(jīng)現(xiàn)場勘查后，決定采用置換法處理，遵循“先支護(hù)、后拆除”的原則，先鑿除原初期支護(hù)和二襯砌結(jié)構(gòu)，再重新灌注襯砌結(jié)構(gòu)，以達(dá)到支護(hù)及襯砌置換的目的[1]。

2 工藝原理

（1）為了避免因原襯砌支護(hù)鑿除導(dǎo)致的圍巖失穩(wěn)，應(yīng)采用工字鋼對襯砌置換位置進(jìn)行支撐，保證圍巖受力均勻，同時(shí)為初期支護(hù)及二襯砌灌注補(bǔ)強(qiáng)提供保障[2]。

（2）初期支護(hù)及二襯砌混凝土注漿采用小導(dǎo)管，根據(jù)注漿量大小和注漿壓力指標(biāo)確定小導(dǎo)管直徑，注漿材料選用快干型水泥混凝土，水泥等級為42.5級，注漿壓力應(yīng)滿足初期支護(hù)及二襯砌結(jié)構(gòu)要求，確保內(nèi)部均勻密實(shí)，不出現(xiàn)空洞。

（3）隨著襯砌及初期支護(hù)灌漿的推進(jìn)，同步拆除臨時(shí)工字鋼支撐系，根據(jù)重新設(shè)計(jì)的隧道圍巖參數(shù)等級，確定襯砌及初期支護(hù)的幾何參數(shù)。

3 二襯與初支置換施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 臨時(shí)鋼拱架支撐

（1）為了保證臨時(shí)拱架支撐系的強(qiáng)度和可靠性，應(yīng)做好拱腳位置的加強(qiáng)，拱腳對稱布置厚度為20mm的鋼板[3]，以提供拱架足夠的反力，鋼板與拱架連接處應(yīng)通過焊接緊固。

（2）為了避免拱架內(nèi)的應(yīng)力集中問題，拱架工字鋼對接處應(yīng)滿足無縫拼接要求。

3.2 注漿固結(jié)

3.2.1 注漿方案

（1）首次注漿選用直徑為42mm×3.5mm的小導(dǎo)管，導(dǎo)管長度為6m，環(huán)向間距控制到2.4m×2.4m，導(dǎo)管末端100cm范圍內(nèi)作為止?jié){段。

（2）二次注漿選用直徑為42 mm×3.5mm的小導(dǎo)管，導(dǎo)管長度為4m，環(huán)向間距控制到2.4 m×2.4m，二次注漿小導(dǎo)管與首次注漿小導(dǎo)管交替連續(xù)施工，導(dǎo)管末端100cm范圍內(nèi)作為止?jié){段[4]。

3.2.2 現(xiàn)場注漿管布置及安裝

（1）在二襯混凝土表面，按縱環(huán)向2.4m的間距，用風(fēng)鉆打孔，孔深5.6m，方向?yàn)榇怪表磐獗砻娣较颉?/p>

（2）測量：按設(shè)計(jì)要求，布置小導(dǎo)管孔位。

（3）鉆孔：采用鑿巖風(fēng)鉆打孔。

（4）安裝注漿管：鉆孔完畢，進(jìn)行清孔檢查，在確定注漿孔內(nèi)無阻塞物后，即可進(jìn)行注漿管安裝。

3.2.3 小導(dǎo)管注漿

（1）漿液配比：注漿采用單液水泥漿，采用超細(xì)快硬型硫鋁鹽42.5水泥，配合比(W/C)為l:1～0.75:1。

（2）試泵：當(dāng)泵壓達(dá)到預(yù)定注漿壓力后，持續(xù)二三分鐘泵管及機(jī)械設(shè)備不出故障，方可進(jìn)行注漿作業(yè)施工。

（3）注漿順序：遵循先邊排、后內(nèi)排、跳孔、由疏至密注漿順序。

（4）漿液控制：先稀后濃。

（5）注漿壓力：根據(jù)地層的地質(zhì)條件和滲透性、灌漿時(shí)吸漿量，以及對漿液稠度考慮。

（6）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：吸漿量小于0.5升/分鐘，若長時(shí)間壓力不上升或吸漿量很大時(shí)應(yīng)停止注漿，分析原因。

（7）封孔：注漿結(jié)束后，拔出套管，用C15砼封孔。

3.2.4 第二次加固注漿

首次注漿完工，待混凝土完全凝固后，進(jìn)行二次注漿，二次注漿選用直徑為42mm×3.5mm的小導(dǎo)管，導(dǎo)管長度為4m，環(huán)向間距控制到2.4m×2.4m，導(dǎo)管末端100cm范圍內(nèi)作為止?jié){段[5]。

3.2.5 注漿異常處理

（1）水泥漿液壓力突然升高，則應(yīng)關(guān)停注漿泵，注清水，待泵正常時(shí)再進(jìn)行單液注漿。

（2）當(dāng)注漿液量很大，壓力長時(shí)間不升高時(shí)，則應(yīng)調(diào)整漿液濃度及配合比。

3.2.6 注漿效果檢測

（1）鉆芯取樣法：隨機(jī)鉆取三個(gè)芯樣，取出芯樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，對比芯體強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度。

（2）成像法：將遙控?cái)z像頭伸入襯砌內(nèi)，以檢查襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否密實(shí)。

（3）注漿效果檢查：根據(jù)注漿后是否形成質(zhì)密的水泥結(jié)石判定注漿效果，如果水泥結(jié)石質(zhì)地不達(dá)標(biāo)，則應(yīng)重新調(diào)整注漿施工參數(shù)。圖1展示了鉆芯法取出的芯體樣本。

圖1 注漿效果檢測（鉆芯取樣）

3.3 臨時(shí)鋼拱架拆除

為了提高臨時(shí)鋼拱架支撐系的拆除效率，應(yīng)借助工程機(jī)械完成拆除。

3.4 二襯拆除

（1）二襯砌拆除過程中避免采用全機(jī)械作業(yè)法，通過人工與機(jī)械配合的方式，控制襯砌拆除對圍巖穩(wěn)定性的影響。

（2）人工用風(fēng)鎬配合炮機(jī)進(jìn)行二襯混凝土拆除時(shí)須自上而下，分塊分段進(jìn)行，如圖2所示的順序拆除，其中：I區(qū)采用人工風(fēng)鎬配合炮機(jī)拆除，II、III、IV區(qū)采用炮機(jī)拆除，二襯及初支鋼筋采用氣割切除。嚴(yán)格按拆除順序，按部就班、循序漸進(jìn)逐段進(jìn)行[6]，在拆除過程中對該段交通進(jìn)行封閉，派現(xiàn)場安全員進(jìn)行管控。

圖2 二襯與初支置換拆除順序示意圖

3.5 初支置換

（1）二襯砌拆除后，檢查暴露出的初期支護(hù)斷面，在斷面上布置監(jiān)控點(diǎn)[7]，一旦發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)變形超限，應(yīng)拆除對應(yīng)區(qū)域的初期支護(hù)。

（2）初期支護(hù)采取全斷面置換工藝，為了保證隧道圍巖的穩(wěn)定性，控制置換施工對圍巖造成的擾動，應(yīng)配合鋼拱架支撐，拱架腰部及拱腳應(yīng)增設(shè)加強(qiáng)錨桿，以保證拱架整體的穩(wěn)定性。

（3）初期支護(hù)置換完工后，應(yīng)在拱架腰部及拱腳位置布置沉降、變形觀測點(diǎn)，待沉降變形趨于穩(wěn)定后，再開展二襯砌置換施工作業(yè)[8]。

3.6 二襯重構(gòu)

（1）現(xiàn)場施工組織：二襯砌應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)沉降及變形情況適當(dāng)重構(gòu)，重構(gòu)借助襯砌臺車完成，襯砌臺車示意詳見圖3。

圖3 二襯臺車簡圖

（2）二襯砌混凝土新老界面處治：為了提高二襯砌新老混凝土交界面的防滲性能，交界處應(yīng)進(jìn)行必要的防水處治。

（3）防水施工：基面準(zhǔn)備掛設(shè)土工布鋪設(shè)前，應(yīng)先對隧道初期支護(hù)噴射混凝土表面進(jìn)行處理，確保基層平整；用專用熱熔襯墊及射釘將無紡布固定在噴射混凝土上；防水布搭接寬度須不小于10cm，單條焊縫寬不得少于125mm[9]。

（4）隧洞洞頂埋設(shè)透氣孔及壓漿孔，以便于檢查壓漿密實(shí)度及補(bǔ)漿作業(yè)。

（5）養(yǎng)護(hù)：配備養(yǎng)護(hù)噴管，在拆模前沖洗模板外表面，拆模后用高壓水噴淋混凝土表面，以降低水化熱。

（6）二襯換拱采用從兩頭向中間逐段跳躍式進(jìn)行拆除置換，如此循環(huán)加固，完成該段二襯置換，具體如圖4所示。

圖4 先鋒隧道二襯置換組織施工示意圖

4 不良地質(zhì)施工階段監(jiān)測要點(diǎn)

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

（1）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的核心內(nèi)容：基于工程地質(zhì)理論分析結(jié)果，借助地質(zhì)雷達(dá)等探測儀器，通過粗略勘測和精密勘測相結(jié)合的方式，配合鉆探和物探技術(shù)，對工程地質(zhì)總體情況進(jìn)行全面預(yù)判。

（2）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)需委派專業(yè)技術(shù)人員完成，需借助電磁儀、地質(zhì)雷達(dá)、TSP等物探設(shè)備，具體選取標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以隧道內(nèi)地質(zhì)條件及不同物探技術(shù)的優(yōu)劣勢綜合判斷。

（3）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)根據(jù)地質(zhì)條件劃分為三等，即C1、C2、C3，其中，C1代表工程地質(zhì)條件良好的區(qū)段，C2代表不良工程地質(zhì)發(fā)育較成熟區(qū)段，C3代表不良工程地質(zhì)完全發(fā)育區(qū)段。

（4）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程見圖5。

圖5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

4.2 監(jiān)控量測注意事項(xiàng)

（1）對于隧道圍巖等級較低或發(fā)育成熟的區(qū)段，應(yīng)增加監(jiān)控量測頻率及斷面數(shù)量。

（2）監(jiān)控量測儀器及傳感器應(yīng)做好防護(hù)，避免出現(xiàn)故障影響數(shù)據(jù)采集精度和效率，監(jiān)控量測儀器使用前應(yīng)提前檢定。

（3）監(jiān)控量測點(diǎn)位選取應(yīng)具備代表性和全局性，且不同監(jiān)測指標(biāo)的傳感器應(yīng)布置在同一隧道斷面上，以便于數(shù)據(jù)比對及系統(tǒng)分析。

4.3 隧道監(jiān)控測量數(shù)據(jù)整理、分析與反饋

（1）每次監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)指標(biāo)應(yīng)及時(shí)記錄，同步繪制監(jiān)控量測數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，通過觀察散點(diǎn)圖變化趨勢，給隧道施工提供實(shí)時(shí)建議和指導(dǎo)。

（2）借助回歸分析法，對比10～30日兩圖的變化趨勢，預(yù)判各指標(biāo)極值的范圍。

（3）根據(jù)變形極值預(yù)判結(jié)果，給出隧道圍巖穩(wěn)定性的超前預(yù)報(bào)。

（4）回歸分析法作為一種最常見的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法被廣泛應(yīng)用在隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)實(shí)踐中，通過回歸分析法能夠預(yù)判隧道圍巖的變形極值范圍及變形發(fā)展速率，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)軟件快速完成回歸分析，最終繪制出隧道斷面地表沉降曲線及隧洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的“位移-時(shí)間”曲線。

（5）通過觀察圍巖“位移-時(shí)間”曲線是否發(fā)生突變，以間接判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，一旦曲線出現(xiàn)突變，應(yīng)立即開展圍巖支護(hù)措施，如變形無法控制，則應(yīng)果斷停止開挖作業(yè)。

（6）本項(xiàng)目各采集點(diǎn)反饋的“位移-時(shí)間”曲線均趨向于收斂，表明隧道各監(jiān)測斷面的圍巖穩(wěn)定性良好，滿足繼續(xù)施工條件。

5 效益分析

（1）通過“先護(hù)后拆”拆除原初支和二襯，較大限度地發(fā)揮大型施工機(jī)械的優(yōu)勢，有效確保了不良地質(zhì)段二襯與初支置換的施工安全，同時(shí)控制了處治成本[10]。

（2）如采用人工弱爆法一天只能施工0.5m，同時(shí)施工兩個(gè)作業(yè)面最快進(jìn)度為lm/天，且多面作業(yè)相互干擾大，對圍巖的瞬間震動大，易造成坍塌、掉塊現(xiàn)象[11]，而先鋒隧道左洞218m的二襯、初支置換只用了79天時(shí)間，平均每天完成2.76m，比傳統(tǒng)施工方法快139天。

（3）按一線施工工人110人，每人260元/天計(jì)算，節(jié)約費(fèi)用達(dá)397萬(218/1－218/2.76) ×110×260=397萬，還不包括管理人員工資、設(shè)備費(fèi)和火工品費(fèi)用，且確保了先鋒隧道安全、順利貫通。

6 結(jié)論

（1）經(jīng)工程論證，置換技術(shù)完全適用于處治隧道初期支護(hù)及二襯砌病害，能夠徹底解決襯砌開裂、滲水及變形入侵問題。

（2）置換法采用人工和機(jī)械配合的方式，對隧道內(nèi)的交通影響較小，可不封閉交通。

（3）置換法施工不受天氣條件影響，滿足連續(xù)施工作業(yè)條件，施工效率較高，工程經(jīng)濟(jì)性較好。