大斷面隧道初期支護(hù)大變形處理施工技術(shù)

周 偉 濤

(中國中鐵隧道局集團(tuán)四處有限公司，廣西 南寧 530003)

0 引言

目前中國鐵路處于快速發(fā)展階段，全國鐵路修建較快，所遇到的地質(zhì)也就相對復(fù)雜，地處云南省的隧道地質(zhì)更加復(fù)雜，麗香鐵路位于云南西北部，青藏高原東南緣，橫斷山脈中段，七達(dá)里隧道位于金沙江右岸陡坡地帶，地質(zhì)較為復(fù)雜，在施工過程中遇到了各種施工難題，初期支護(hù)變形是整條線路施工最為常見的情況，施工中針對初期支護(hù)變形，依據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合不同地質(zhì)情況，采取不同的施工措施，才能有效控制初期支護(hù)變形，值得類似工程施工參考。

1 工程概況

新建麗江至香格里拉鐵路LXZQ-2標(biāo)七達(dá)里隧道DK26+685～DK35+418，全長8 733 m，設(shè)計(jì)輔助導(dǎo)坑橫洞3座，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)橫洞，隧道位于金沙江右岸，地形右高左低，金沙江強(qiáng)烈下切，地面高程1 805 m～3 830 m，隧道最大埋深615 m，最小埋深約55 m。左側(cè)(W側(cè))為金沙江深切河谷，出口端為新尚大溝，從山頂至線路標(biāo)高平均坡度大于50°，從線路標(biāo)高至金沙江平均坡度大于25°。

隧道進(jìn)口端DK26+685～DK27+392段設(shè)計(jì)為雙線車站段，斷面較大，斷面尺寸14.70 cm(寬)×11.07 cm(高)，隧道埋深較淺，最大埋深75 m,該段圍巖灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)頁巖，土夾石為主，隧道洞身大部分地段位于Ⅴ類異常區(qū)域，圍巖總體上破碎嚴(yán)重，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，DK26+840～DK27+000，DK27+120～DK27+200兩段為斷層破碎帶，施工過程中圍巖變化頻繁，初期支護(hù)后變形嚴(yán)重。

2 初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場變形情況

2.1 原設(shè)計(jì)參數(shù)

原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)：超前支護(hù)拱部采用φ42超前小導(dǎo)管，長度3.5 m，縱向搭接長度1.5 m，環(huán)向間距0.4 m；初期支護(hù)采用Ⅰ20工字鋼，縱向間距0.5 m/榀，拱部設(shè)置φ25組合中空注漿錨桿，邊墻設(shè)置22砂漿錨桿，錨桿長均為4.0 m，間距均為1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱)，呈梅花形布置，并注入水泥砂漿；拱架鎖腳采用Φ42鎖腳錨管，錨管長度4.5 m，每環(huán)12根，并注入水泥砂漿，拱墻鋪設(shè)Φ8的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，網(wǎng)片搭接1個(gè)～2個(gè)網(wǎng)格。

開挖采用臺(tái)階法開挖，開挖后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留沉降量13 cm。

2.2 現(xiàn)場變形情況

現(xiàn)場在DK26+840～DK27+000，DK27+120～DK27+200兩段開挖支護(hù)后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)表面無明顯開裂，局部出現(xiàn)細(xì)小裂紋，拱頂和邊墻整體下沉和收斂，拱頂最大下沉速率18 mm/d，邊墻最大收斂15 mm/d，拱頂最大沉降量35 cm，邊墻最大收斂40 cm，變形后侵占凈空20 cm～35 cm，必須進(jìn)行拆除換拱，重新施工初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，加大預(yù)留變形量才能滿足二次襯砌結(jié)構(gòu)混凝土厚度要求。

3 初期支護(hù)變形侵限原因分析

3.1 地質(zhì)原因

該段地質(zhì)較差，存在高應(yīng)力，開挖后應(yīng)力不能及時(shí)釋放，初期支護(hù)施工完畢后，在應(yīng)力的作用下，擠壓拱架導(dǎo)致變形；隧道位于山體的陡坡上，線路埋深較淺，該段最大埋深只有70 m，線路左、右線埋深存在偏差，最大偏差達(dá)到20 m，線路上方巖體存在偏壓。

3.2 預(yù)留沉降量較小

該段設(shè)計(jì)給出預(yù)留沉降量13 cm，該沉降量只能滿足施工原因的沉降，不能滿足高應(yīng)力釋放及偏壓導(dǎo)致的沉降。

3.3 支護(hù)參數(shù)不足

按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工，設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足高應(yīng)力及偏壓作用下對圍巖的支護(hù)，導(dǎo)致變形。

3.4 初期支護(hù)施作完后暴露時(shí)間較長

該段圍巖初期支護(hù)施工完成后呈均勻沉降和收斂，初期支護(hù)施工完畢后基本在45 d左右開始施工二次襯砌，設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量只有13 cm，施工二次襯砌前基本上初期支護(hù)已經(jīng)全部侵限。

3.5 臨時(shí)仰拱不能及時(shí)施工

該段采用三臺(tái)階開挖，上臺(tái)階開挖完畢后臨時(shí)仰拱沒有及時(shí)施作，在開挖中、下臺(tái)階過程中，受爆破擾動(dòng)，出現(xiàn)下沉。

3.6 初期支護(hù)仰拱不能及時(shí)封閉成環(huán)

該段仰拱初期支護(hù)沒有和下臺(tái)階一次成環(huán)，而在施工二次襯砌仰拱混凝土前才開始施作，間隔時(shí)間太長，圍巖受到擠壓變形較大，二次開挖仰拱初支，對圍巖的擾動(dòng)也大。

4 拆換施工總體方案

根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果和初期支護(hù)斷面檢查情況，制定拆換拱方案，對侵限凈空的初期支護(hù)采用松動(dòng)爆破，爆破后人工采用風(fēng)鎬配合鑿除，換拱采用1榀/次進(jìn)行，拱架采用整體一次性進(jìn)行，加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)參數(shù)，加大預(yù)留變形量，及時(shí)施作臨時(shí)仰拱及其填充和拱墻二次襯砌，加強(qiáng)監(jiān)控量測。

5 拆換施工方法及控制要點(diǎn)

5.1 初期支護(hù)斷面檢查

進(jìn)行拆換拱前對侵限斷面進(jìn)行檢查和標(biāo)識(shí)，以便處理過程中掌握準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

5.2 支撐加固

根據(jù)測量數(shù)據(jù)對變形段采用φ159鋼管對變形段進(jìn)行支撐加固，鋼管沿隧道線路方向每隔2 m設(shè)置一道，豎向設(shè)置2道φ159鋼管，豎向鋼管設(shè)置在線路左、右中線位置，縱、豎向鋼管之間用10 cm×10 cm角鋼連接，待換拱作業(yè)時(shí)拆除。

5.3 超前支護(hù)注漿

超前支護(hù)采用φ42超前小導(dǎo)管，超前支護(hù)注漿在拱架拆除前進(jìn)行，在預(yù)拆除拱架的部位上方安裝超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管方向與隧道掌子面反向施工，小導(dǎo)管長度3.5 m/根，超前支護(hù)每米1環(huán)，打設(shè)角度控制在45°；小導(dǎo)管安裝完成后進(jìn)行注漿，注漿固結(jié)原初期支護(hù)上方的圍巖，避免換拱過程中出現(xiàn)坍塌、掉塊現(xiàn)象，注漿達(dá)到一定強(qiáng)度后方可拆除拱架。

5.4 原初期支護(hù)拱架拆除

原初期支護(hù)拱架采用Ⅰ20工字鋼進(jìn)行支護(hù)，初期支護(hù)厚度較厚，采用松動(dòng)爆破及人工配合處理拆除，爆破采用風(fēng)鉆鉆孔，孔間距30 cm×30 cm，梅花形布置，孔深18 cm～20 cm，藥量采用隔孔裝藥，單孔裝藥量0.05 kg,松動(dòng)爆破后，人工采用風(fēng)鎬對松動(dòng)的混凝土及危石進(jìn)行清理。

5.5 二次超前支護(hù)施工

拱架拆除完畢后進(jìn)行二次超前支護(hù)施工，二次超前支護(hù)采用φ42超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管施工方向與掌子面同向，小導(dǎo)管長度3.5 m/根，超前支護(hù)每米1環(huán)，打設(shè)角度控制在15°；小導(dǎo)管安裝完成后進(jìn)行注漿，注漿再次固結(jié)圍巖。

5.6 初期支護(hù)施工

初期支護(hù)采用Ⅰ20工字鋼、錨桿、網(wǎng)片施工，拱架間距0.5 m，拱架預(yù)留變形量40 cm，拱部設(shè)置φ25組合中空注漿錨桿，邊墻設(shè)置22砂漿錨桿，錨桿長均為4 m，間距均為1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱)，呈梅花形布置，并注入水泥砂漿；拱架鎖腳采用φ42鎖腳錨管，錨管長度5.5 m，每環(huán)18根，并注入水泥砂漿，拱墻鋪設(shè)Φ8的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，網(wǎng)片搭接1個(gè)～2個(gè)網(wǎng)格。

5.7 臨時(shí)仰拱施工

臨時(shí)仰拱采用Ⅰ20工字鋼、網(wǎng)片施工，臨時(shí)仰拱緊跟初期支護(hù)，初期支護(hù)施工一環(huán)，臨時(shí)仰拱緊跟一環(huán)，臨時(shí)仰拱施工完成后可減少初期支護(hù)變形。

5.8 監(jiān)控量測點(diǎn)布置

初期支護(hù)和臨時(shí)仰拱施工完成后，及時(shí)布置監(jiān)控量測點(diǎn)，讀取初始讀數(shù)，以便掌握準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

5.9 徑向注漿

徑向注漿采用φ42超前小導(dǎo)管，初期支護(hù)施工完成后，對隧道兩側(cè)邊墻部位進(jìn)行徑向注漿，注漿孔采用梅花形布置，孔間距60 cm，孔深4 m，徑向注漿固結(jié)左、右邊墻初期支護(hù)背后的圍巖，減少兩側(cè)收斂。

5.10 數(shù)據(jù)收集

初期支護(hù)全環(huán)施工完畢后，收集監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后施作二次襯砌。

5.11 二次襯砌仰拱混凝土及拱墻混凝土澆筑

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，及時(shí)施工仰拱混凝土及拱墻混凝土澆筑，避免初期支護(hù)后暴露時(shí)間較長，圍巖受應(yīng)力作用再次發(fā)生突變，發(fā)生變形。

6 換拱施工安全措施

拆換拱施工可能發(fā)生坍塌事故，較為危險(xiǎn)，施工過程中必須按照施工方案進(jìn)行施工。

1)所有進(jìn)入隧道工地的人員，進(jìn)行換拱施工，必須佩戴好安全防護(hù)用品。

2)施工人員到達(dá)工作面時(shí)，先檢查工作面是否處于安全狀態(tài)，如有松動(dòng)的巖石，立即加以支護(hù)或清除。

3)操作空間盡量不要放置雜物，做到有情況施工人員能夠無障礙迅速撤離現(xiàn)場。

4)換拱施工時(shí)經(jīng)常觀察作業(yè)面圍巖，初支混凝土，初支鋼支撐情況，發(fā)現(xiàn)不正常施工現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)制止，有危險(xiǎn)預(yù)兆應(yīng)停止作業(yè)，疏導(dǎo)人員撤離工作現(xiàn)場。

5)換拱時(shí)應(yīng)按照測量組數(shù)據(jù)進(jìn)行換拱，不宜超挖，嚴(yán)禁欠挖。

6)換拱地段應(yīng)加強(qiáng)照明，不留死角，光線滿足現(xiàn)場需要。

7)換拱作業(yè)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間被迫中斷，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)情況做好安全防護(hù)工作。

8)現(xiàn)場施工時(shí)間設(shè)專職安全人員在場監(jiān)視圍巖變化，用哨聲通知作業(yè)人員撤離。

9)施工期間，現(xiàn)場施工安全員和技術(shù)人員對各部支護(hù)定期檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)量測數(shù)據(jù)有突變或異變時(shí)，立即通知現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，采取應(yīng)急措施或通知施工人員撤離危險(xiǎn)地段。

10)加強(qiáng)圍巖開挖后變形量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，反饋指導(dǎo)施工，保證換拱的安全。施工中，指定專人對洞內(nèi)圍巖及地面位移變形情況進(jìn)行觀測，出現(xiàn)異常情況立即停工處理。

11)在施工段預(yù)先安置直徑1 m混凝土管作為逃生通道，長度不小于20 m，隨施工進(jìn)度前移。高壓風(fēng)管作為救生管道注意保護(hù)。

7 結(jié)語

通過該工程實(shí)踐，對于隧道施工，開挖時(shí)應(yīng)根據(jù)圍巖實(shí)際情況確定合理的支護(hù)參數(shù)，預(yù)留合理的預(yù)留變形量，并制定切實(shí)可行的施工方案，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行施工，防止沉降、收斂等變形的侵占二次襯砌結(jié)構(gòu)凈空，隧道變形一旦侵占二次襯凈空，需要進(jìn)行換拱作業(yè)，拆換作業(yè)應(yīng)先進(jìn)行支撐加固等措施，防止坍塌施工的發(fā)生，確保施工安全，該處理技術(shù)實(shí)施后，有效控制了隧道沉降對二襯凈空的影響，同時(shí)確保了拆換施工安全，值得同類工程施工參考。