粉細砂地層隧洞初期支護沉降變形侵限處理

解雄越

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 山西太原030024）

1 沉降變形洞段地質(zhì)情況描述

山西省小浪底引黃工程2# 隧洞土洞段56+259至56+279 區(qū)間開挖地質(zhì)揭示：拱部上部為粉細砂層，砂層顆粒松散，無自穩(wěn)能力，開挖時易發(fā)生滑塌，砂層下方為薄層粉質(zhì)黏土，土層位于拱部下部起拱線附近，厚度約1 m，土體松軟、破碎、粘結(jié)力差，開挖時易坍塌掉塊，超前探孔揭示土層沿開挖方向2 m 后尖沒；薄層粉質(zhì)黏土下方為粉細砂層，砂層位于隧洞側(cè)墻附近，目前揭露厚度約4 m；隧洞底部地下水豐富，呈股狀流出，側(cè)墻及底部墊層在受擾動時易發(fā)生涌砂、流塌現(xiàn)象；拱部及側(cè)墻圍巖極不穩(wěn)定，易發(fā)生收斂及沉降變形。地質(zhì)橫斷情況見圖1。

圖1 地質(zhì)橫斷圖

2 變形概況

根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，初期支護沉降變形及其影響洞段為56+259 至56+282，侵限洞段為56+259 至56+279，其中56+259 至56+274 段拱部平均侵限值為22 cm，56+274 至56+279 段初支侵限值為0～10 cm，該段在混凝土底板墊層封閉后仍有下沉跡象，其中56+259 及56+267 兩處初支侵限值接近40 cm（含加固套拱）。

由于砂層段施工已考慮到圍巖沉降收斂變形的影響，施工中開挖斷面尺寸已在原設(shè)計斷面半徑的基礎(chǔ)上擴大了15 cm，綜合判斷，56+259 至56+274 段初支沉降值為35～40 cm，56+274 至56+279 段初支沉降值為15～25 cm。

研究分析初期支護沉降是由于底板附近的富水含泥粉細砂層基底承載力不足，富水含泥粉細砂層在動載擾動的作用下極易形成液化，進而沿裂隙形成管涌造成整體沉降。經(jīng)觀察，在底板墊層施工過程中以及載重車輛行駛作用下初支會發(fā)生明顯沉降。

3 處理方案

3.1 拆換前的初期支護及沉降變形處理

3.1.1 原初期支護方案

56+259 至56+279 段隧洞一次支護采用鋼拱架網(wǎng)噴支護，開挖面鋪設(shè)Φ8 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，架設(shè)I16 型鋼鋼拱架，鋼拱架間距1.0 m，一次支護噴射C20 混凝土，厚度15 cm，二襯混凝土厚度40 cm，采用C25 鋼筋混凝土；底板墊層采用I16 鋼橫撐連接成環(huán)，并澆筑C25 混凝土封閉，厚度20 cm。

3.1.2 變形初支面的加固

為保證現(xiàn)場施工安全，防止初期支護變形擴大，現(xiàn)場采取洞內(nèi)架設(shè)臨時鋼支撐加固措施，56+259 至56+279 段設(shè)臨時支撐鋼拱架，鋼拱架采用I16 工字鋼，縱向間距為1.0 m，原初支面鋼拱架設(shè)十字形支撐，采用電焊與原初支鋼拱架焊接；臨時鋼支撐架設(shè)完成后于洞底鋪設(shè)1 m 厚塊石。

3.1.3 沉降變形處置

為控制圍巖沉降變形繼續(xù)擴大，對已沉降洞段底板采取小導(dǎo)管注漿加固等控制措施。

56+259 至56+274 沉降變形段為已完成底板混凝土墊層洞段，為防止該段初支繼續(xù)沉降，對底板部位進行小導(dǎo)管固結(jié)注漿，小導(dǎo)管環(huán)向間距20～40 cm，單根長度3.0 m，縱向間距1.0～2.0 m，向下水平傾角45°，小導(dǎo)管灌注水泥+水玻璃雙液漿。加固結(jié)束后經(jīng)觀測沉降變形已經(jīng)基本穩(wěn)定，滿足對初支侵限進行處理的條件。

3.2 拆換前的管棚支護施工

因該段地質(zhì)條件極為惡劣，為確保變形處理施工安全，處理前須對該變形段附近圍巖進行超前支護處理，此次加固采用Φ108 密排超前大管棚支護，僅布置于拱部侵限部位。

根據(jù)斷面侵限情況，于拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)Φ108 密排管棚（鋼管壁厚6 mm），每斷面共布設(shè)59 根（施工過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整），單根長度12 m，管棚搭接長度為4 m，管棚外插角5°～8°，管棚內(nèi)設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠主筋采用Ф20 螺紋鋼，每根管棚內(nèi)設(shè)3 根，長度等同管棚長度，管棚內(nèi)灌注M30水泥砂漿，管棚分兩次施工，施工里程為56+259 至56+271 及56+267 至56+279。

開孔鉆頭透過原有初支混凝土面進入其背后圍巖，對初支背后圍巖進行加固；為保證超前支護的效果，超前Φ108 密排管棚在變形段的設(shè)計開挖面外側(cè)進行開孔，因此后續(xù)鋼拱架拆換過程中無需破壞管棚體，使得該變形段的處理在Φ108 超前大管棚的支護下進行，從而確保施工安全。變形段超前大管棚布置圖詳見圖2。

圖2 侵限段處理管棚布置示意圖

管棚采用跟管鉆進法進行施工，采用一次全鉆孔注漿。

施工前將Φ108 無縫鋼管前端加工成削竹式鉆頭，便于將鋼管鉆入砂層，利用鋼管自身作為鉆桿，使用地質(zhì)鉆機將鋼管逐根鉆入砂層中，在鉆進過程中隨時對鉆入角度進行糾偏，保證設(shè)計和施工要求，管棚安裝全部結(jié)束后，依次對管棚進行注漿處理。

管棚灌注水泥砂漿，按照自下而上、間隔跳孔順序進行，管棚注漿壓力一般控制在1～2 MPa，并根據(jù)孔底返漿、孔口周邊流出的水泥漿、注漿壓力等情況判斷是否繼續(xù)注漿。如遇特殊情況，可對注漿壓力進行適當調(diào)整。

3.3 初期支護鋼拱架拆換

換拱工藝流程如圖3 所示。

圖3 換拱施工流程簡圖

3.3.2 施工步驟

對56+259 至56+274 段從小里程逐環(huán)開始鑿除換拱，換拱按上下臺階分步進行，順序為先拱部后側(cè)墻，并按照自下而上的順序進行鑿除，逐步對每環(huán)侵限的初支拱架進行分段分部拆除進行置換。

1）測量放樣

對隧洞變形洞段的初支斷面進行量測，確定變形侵限范圍，標記侵限處理深度。

2）鑿除混凝土、割除鋼筋

根據(jù)測量結(jié)果，人工依次破除侵限部分的初支噴射混凝土以及背后的圍巖土，按照鋼拱架間距逐榀鑿除并及時支護，直至換拱全部完成。

為確保施工安全，采用人工風鎬鑿除，以減少對圍巖的擾動；開挖圍巖預(yù)留變形量設(shè)為10 cm。同時依次割除侵限部分的鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架及連接筋。

3）鋼拱架網(wǎng)噴支護

比較兩組患兒客觀噪聲值與信噪比，差異不大（P＞0.05），左心室強化CT值與對比噪聲比數(shù)據(jù)顯示差異顯著，具備統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。詳見表2。

破除結(jié)束并檢查開挖斷面尺寸滿足要求后，按照設(shè)計參數(shù)及時完成網(wǎng)噴支護。

首先清理開挖面浮土，然后緊貼開挖面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，采用Φ8 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，之后按設(shè)計要求架立I16 初支鋼拱架，鋼拱架間距1 m。

鋼拱架間采用Φ25 螺紋鋼進行連接，環(huán)向間距1 m，與鋼拱架焊接牢固；為減少鋼拱架收縮及沉降變形，鋼拱架左右側(cè)腿部設(shè)Φ25 鎖腳錨桿，鎖腳錨桿傾斜向下45°，施做長度3 m，每榀鋼拱架共設(shè)8 根，鎖腳錨桿與鋼拱架焊接牢固；最后進行噴射混凝土施工，厚度15 cm，完成一次換拱循環(huán)。

3.3.3 更換鋼拱架施作要點

1）在噴射混凝土鑿除后，將外露的鋼筋及鋼拱架逐步割除，清除開挖面松動浮土，檢查開挖斷面符合設(shè)計要求后開始掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片搭接長度為1～2 個網(wǎng)格。

2）將制作好的鋼拱架運至作業(yè)平臺上，按照鋼拱架編號拼裝鋼拱架，拼裝完成后，檢查調(diào)整鋼拱架安裝位置及高程，符合設(shè)計要求后，將鋼拱架固定；鋼拱架與圍巖的接觸處設(shè)混凝土墊塊，穩(wěn)固鋼拱架。鋼拱架間采用縱向連接鋼筋進行連接，連接筋與鋼拱架焊接牢固，并預(yù)留搭接長度。

3）鋼拱架安裝施工允許偏差應(yīng)符合規(guī)范要求，鋼拱架應(yīng)垂直于水平面，鋼拱架傾斜度不得大于2°；鋼拱架中線應(yīng)與隧洞中線重合，鋼拱架安裝高程、左右允許偏差小于5 cm。

4）鋼拱架拱腳應(yīng)立于堅實基礎(chǔ)之上，不得懸空或立于松動軟土之上，有困難時可在拱腳用型鋼將支護完畢的鋼拱架作縱向連接。

3.4 澆筑二襯混凝土

變形段拱部鋼拱架全部拆換完成后及時進行底板二襯C25 混凝土澆筑施工，底板襯砌混凝土強度達到設(shè)計強度70%后緊跟二襯邊頂拱C25 混凝土施工，及時封閉成環(huán)，二襯混凝土澆筑厚度為40 cm。

4 監(jiān)控量測

1）在隧洞換拱全過程至二襯施工前，要求連續(xù)進行拱頂下沉量測及鋼拱架水平凈空收斂量測，以判斷圍巖變形動態(tài)并指導(dǎo)施工安全進行。

2）侵限處理之前，在侵限及影響部位布設(shè)監(jiān)測點，用以監(jiān)測圍巖的沉降及收斂變形。監(jiān)測點入巖深度不小于10 cm，外露初支混凝土面5 cm，監(jiān)測點每2 m 一個斷面進行布設(shè)，每個斷面共布設(shè)3 處，布設(shè)位置分別位于拱頂，以及左右側(cè)墻，以觀測圍巖及初期支護結(jié)構(gòu)的變化，在布設(shè)完成后及時初測。

3）換拱作業(yè)需在圍巖量測數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后，進行逐榀更換。

4）在侵限鑿除之后，初期支護前，設(shè)置圍巖監(jiān)測點，每2 m 設(shè)置一組觀測點，每個斷面共布設(shè)3 處，布設(shè)位置分別位于拱頂，以及左右側(cè)墻。換拱施工完成2 h 內(nèi)先進行第一次觀測，以后按每天的觀測頻率為2 至3 次，直到二襯施工作業(yè)完成。

5 拆換施工安全保證措施

1）安排專職人員對變形洞段附近進行全天巡視，觀察初支噴射混凝土面是否出現(xiàn)裂縫、掉塊、鼓包等異常情況，作好施工記錄。

2）為了確保人員安全，除施工人員外，不允許其他人員進入拆換施工洞段。

3）侵限部位的處理不得使用爆破或大型機械振動破除，應(yīng)采用人工風鎬逐步鑿除。在鑿除以及換拱的過程中，應(yīng)隨時注意周邊圍巖變化情況，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即停止作業(yè)，必要時將施工人員撤離現(xiàn)場。

4）鑿除作業(yè)、鋼筋割除作業(yè)時，下方嚴禁站人，作業(yè)臺車下嚴禁人員行走。

5）架立鋼拱架時，應(yīng)隨時觀察圍巖變化以及初噴射混凝土面的變化情況，防止圍巖坍塌引起傷人事故。

6）對初支結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)常檢查，如發(fā)現(xiàn)初支鋼拱架彎曲變形或初支混凝土面開裂等現(xiàn)象時，應(yīng)分析原因，并及時采取加固措施。緊急和必要時應(yīng)迅速撤離人員到安全地帶，防止因坍塌造成安全事故。

6 結(jié)語

隧洞變形觀測數(shù)據(jù)表明，拆換后的隧洞初支結(jié)構(gòu)，變形穩(wěn)定，滿足了對后續(xù)隧洞二次襯砌混凝土的施工要求，同時說明，通過對隧洞軟基底進行小導(dǎo)管注漿加固，對拱部進行密排管棚超前支護，能夠滿足隧洞在地下水條件下粉細砂地層對變形初支進行拆換的強度要求，保證了初支鋼拱架拆換的施工安全，節(jié)省了施工時間，取得了良好的經(jīng)濟效益，該方案可對粉細砂地層類似地質(zhì)條件下的隧洞沉降變形處置提供借鑒。