黃土隧道特殊地質(zhì)條件下的換拱技術(shù)總結(jié)

任軍軍

(山西路橋第二工程有限公司，山西臨汾 041000)

1 工程概況

呂梁環(huán)城高速公路磨灣2號(hào)隧道位于山西省呂梁市離石區(qū)信義鎮(zhèn)磨灣村，隧址位于黃土殘?jiān)鹆陞^(qū)，微地貌為黃土沖溝、陡坡，地形起伏較大，“V”形谷發(fā)育，相對(duì)高差在60 m左右;植被稀疏，只生長(zhǎng)少量灌木。圍巖為離石組黃土，巖性為粉質(zhì)粘土，堅(jiān)硬狀態(tài)塊狀整體結(jié)構(gòu)，洞口段垂直、柱狀節(jié)理較發(fā)育，易受大氣降水的沖蝕而滑坡，邊坡穩(wěn)定性較差。隧道采用分離式斷面，凈寬10.25 m，凈高5.0 m，兩側(cè)設(shè)檢修道，內(nèi)輪廓考慮結(jié)構(gòu)受力有利及便于施工，一般襯砌斷面內(nèi)輪廓采用三心圓。

2 初支侵限過(guò)程介紹

當(dāng)磨灣2號(hào)隧道右洞開(kāi)挖至K25+130時(shí)，拱頂?shù)魤K現(xiàn)象較為嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)將支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)為Ⅴ級(jí)深埋，采取減小開(kāi)挖步距，反噴回填等措施，效果不顯著，坍塌未得到有效控制，當(dāng)隧道開(kāi)挖至K25+136時(shí)，掌子面出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌，坍塌范圍拱頂至左側(cè)拱肩處，坍塌高度1.3m左右，累計(jì)坍塌方量大于20 m3，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)K25+130～K25+136段在初支面外側(cè)按Ⅳ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)新增工字鋼和連接筋進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)塌方部位采用埋設(shè)注漿管注漿處理，跟進(jìn)仰拱、二襯盡量縮短安全距離要求后，繼續(xù)以Ⅴ級(jí)深埋支護(hù)參數(shù)向前掘進(jìn)，2012年8月24日，掘進(jìn)至K25+160時(shí)，掌子面出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌，坍塌高度5 m左右，累計(jì)坍塌方量大于80 m3，臨近掌子面初支面，沉降28 cm，K25+140處初支面沉降15 cm，并出現(xiàn)近3 cm的環(huán)向裂縫，K25+138～K25+142之間也有不同程度開(kāi)裂，跟進(jìn)仰拱、二襯盡量縮短安全距離，二襯跟至K25+136，對(duì)塌方部位采用埋設(shè)注漿管注漿處理，繼續(xù)向前掘進(jìn)。9月4日晚，由于降雨改變了圍巖應(yīng)力，掌子面再次坍塌，K25+140～K25+165段初支出現(xiàn)嚴(yán)重變形，上臺(tái)階全斷面侵入二襯輪廓線內(nèi)。

3 原因分析

1)坍塌地段圍巖處于變化階段，是粉質(zhì)黏土和粉土結(jié)合的地段，穩(wěn)定性極差;

2)地表有一處沖溝橫切隧道洞頂，隧道埋深15 m左右，圍巖自穩(wěn)性差;

3)連日降雨改變了圍巖應(yīng)力，致使初支面再次變形;

4)由于回填注漿壓力不足，兩次坍塌回填處理不夠徹底，留有空腔，二次坍塌帶來(lái)的外力驟增，致使拱架扭曲變形。

4 換拱工序

1)封閉掌子面，K25+140～K25+165段增加8排扇形支撐，扇形支撐對(duì)應(yīng)上臺(tái)階已支護(hù)拱架，利用三角形的穩(wěn)定性，通過(guò)將斷面分割成四個(gè)三角形，達(dá)到臨時(shí)穩(wěn)固的目的，控制坍塌變形，保證注漿安全，扇形支撐采用Ⅰ20a的工字鋼做骨架，橫向和縱向連接采用Ⅰ18的工字鋼，整個(gè)扇形支撐坐落在100 cm×50 cm的基座上面，基座采用C20的混凝土，底部鋪設(shè)Φ20的螺紋鋼，間距20 cm×20 cm，扇形臨時(shí)支撐隨換拱逐排拆除，施工時(shí)注意的重點(diǎn)環(huán)節(jié)為扇形支撐的基座必須落在原狀土上，保證承載力;嚴(yán)格控制扇形支撐連接處的焊接質(zhì)量，詳見(jiàn)圖1，圖2。

圖1 臨時(shí)加固的正面示意圖

圖2 臨時(shí)加固的側(cè)面示意圖

2)K25+140～K25+165段，全斷面注漿固結(jié)松散土體，控制坍塌變形，保證換拱時(shí)的安全，小導(dǎo)管采用φ42，壁厚3.5 mm的鋼花管，長(zhǎng)度4 m和2 m，長(zhǎng)短鋼花管梅花形布置，環(huán)向、縱向間距均為100 cm，環(huán)、縱向間距根據(jù)注漿材料的擴(kuò)散效果決定，長(zhǎng)管對(duì)拱架外5 m范圍的松散土體進(jìn)行固結(jié)，短管對(duì)拱架外3 m范圍的土體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)固結(jié)，使土體形成一個(gè)拱圈受力，既能有效的控制換拱時(shí)的坍塌，又能減輕換拱后的初支壓力，采用水泥水玻璃注漿，還能起到很好的封水作用。施工時(shí)注意的重點(diǎn)環(huán)節(jié)為注漿順序和壓力的控制以及注漿材料的配合比控制。注漿時(shí)先長(zhǎng)管，控制在0.5 MPa左右，再注短管，控制在0.8 MPa左右，水泥水玻璃材料，水灰比1∶1，水泥漿和水玻璃比控制在1∶(0.3～0.5)。

注漿材料選擇分析，既然圍巖變形很大，那么，圍巖必然松散，將松散的圍巖“粘結(jié)”起來(lái)就安全了，所以，凡遇到此類情況，多數(shù)人會(huì)做出首先進(jìn)行打孔注漿的決定，且注入普通水泥漿。事實(shí)上，變形的圍巖未必松散，普通靜壓注漿滲透及固結(jié)無(wú)效;此外，所注入的固結(jié)漿液與其說(shuō)是“水泥漿”，不如說(shuō)是“泥水漿”，在黃土隧道施工中，水泥漿注入圍巖，首先起到的作用不是像“膠水粘紙一樣”將松散圍巖“粘”在一起，而是先水對(duì)圍巖軟化，這是十分危險(xiǎn)的，有幾個(gè)工地就是因此而坍塌的，有更糟糕的是，坍塌后，還認(rèn)為注漿不夠，所以在換拱注漿過(guò)程中，注漿要在臨時(shí)支撐加固完成后進(jìn)行，并且注漿時(shí)要嚴(yán)格控制水灰比以及水玻璃的摻量，在保證注漿效果的同時(shí)，最大限度的減少水對(duì)黃土隧道的危害。

3)K25+140～K25+162段換拱，支護(hù)參數(shù)提升為Ⅴ級(jí)淺埋，鎖腳錨管增加兩倍，在拱腳加墊60 cm×40 cm×10 cm的混凝土預(yù)制塊，以控制沉降，超前支護(hù)采用超前雙層小導(dǎo)管，配合型鋼鋼架使用。

具體技術(shù)參數(shù)如下:

a.超前導(dǎo)管規(guī)格。

采用φ42，壁厚3.5 mm的鋼花管，長(zhǎng)度3.5 m;

b.間距。

不同外插角的鋼管，環(huán)向間距均為30 cm，縱向相鄰兩排的水平投影搭接長(zhǎng)度不小于150 cm。

c.外插角。

鋼管外插角分別采用40°和10°交錯(cuò)布置，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

d.注漿材料。

采用水泥水玻璃雙液漿。

e.注漿壓力。

0.5 MPa～0.8 MPa，有關(guān)參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加以說(shuō)明調(diào)整。

f.設(shè)置范圍。

拱部120°范圍，超前雙層小導(dǎo)管布置圖，如圖3，圖4所示。

圖3 超前小導(dǎo)管布置圖

圖4 縱剖面布置圖

4)已侵限初支的拆除，多數(shù)隧道管理者會(huì)想:既然圍巖變形很大，那么，圍巖很脆弱，盡量減少擾動(dòng)，而爆破的擾動(dòng)是最大的，所以嚴(yán)謹(jǐn)爆破拆除，要采取人工或機(jī)械拆除。圍巖脆弱，減少擾動(dòng)，這個(gè)判斷是正確的，但是，爆破震動(dòng)就比機(jī)械大以及人工作業(yè)就安全的判斷就有嚴(yán)重偏差。建設(shè)部關(guān)于對(duì)磚木結(jié)構(gòu)房屋的爆破震速標(biāo)準(zhǔn)是2 cm/s，也就是說(shuō)，只要將爆速控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，爆破就是安全的;而所謂機(jī)械在目前就是指沖擊錘，沖擊錘的震動(dòng)不一定比爆破小，此其一，司機(jī)坐在駕駛室，視線難以到嵌槽，這就可能造成誤操作，鑿到鋼架，形成安全隱患;人工拆除的思想是“隧道安全”的思想，其實(shí)，最大的安全是人員安全，其次才是隧道，人工進(jìn)行位于人體上方的拆除作業(yè)，脫落的物體都會(huì)直接砸到人體上，非常危險(xiǎn)。

換拱作業(yè)應(yīng)按照這種思想施工:先進(jìn)行超前支護(hù)，然后弱擾動(dòng)破除，噴錨支護(hù)，針對(duì)初支混凝土的特點(diǎn)和施工要求，現(xiàn)場(chǎng)采用了靜態(tài)破碎技術(shù)，通俗一點(diǎn)說(shuō)就是將一種水泥樣的粉狀物加水?dāng)嚢韬螅b填入混凝土中的鉆孔內(nèi)，過(guò)段時(shí)間混凝土?xí)霈F(xiàn)裂紋、裂縫，然后用挖掘機(jī)改裝的機(jī)械手清運(yùn)。混凝土的抗拉強(qiáng)度約1.5 MPa～3.0 MPa，約相當(dāng)于其抗壓強(qiáng)度的 1/10～1/20，而通常靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力可達(dá)30 MPa～50 MPa。所以，合理的破碎設(shè)計(jì)(裝藥量、孔徑、孔深和孔間距的確定)是能夠使孔眼周圍的介質(zhì)受到充分破壞的。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，在溫度為20℃、水與破碎劑之比為0.3∶1時(shí)，其體積將自由膨脹4倍。

靜態(tài)破碎有以下優(yōu)點(diǎn):破碎劑不屬于危險(xiǎn)物品，因而在購(gòu)買、運(yùn)輸、保管、使用中，不受任何限制;施工過(guò)程安全，不存在炸藥爆破時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、空氣沖擊波、飛石、噪聲、有毒氣體和粉塵的危害;施工簡(jiǎn)單，破碎劑用水拌合后灌入炮孔即可，無(wú)須堵塞，不需專業(yè)工種;需破則破，需留則留，按照要求，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膮?shù)，可達(dá)到有計(jì)劃地分裂、切割巖石和混凝土的目的。在黃土隧道正常施工中，不使用炸藥，換拱時(shí)，臨時(shí)使用炸藥，存在很多困難和風(fēng)險(xiǎn)，靜態(tài)破碎更加凸顯了其優(yōu)越性。

靜態(tài)破碎劑使用范圍也有一定的局限性。與炸藥相比，能量不大，鉆孔多，破碎效果受氣溫及施工人員經(jīng)驗(yàn)影響較大，所以，剛開(kāi)始一兩個(gè)工序較慢，需根據(jù)噴射混凝土強(qiáng)度、厚度、洞內(nèi)溫度等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際總結(jié)破碎設(shè)計(jì)參數(shù)。

5)為了保證施工和運(yùn)營(yíng)后的安全，將塌方段向前10 m的范圍支護(hù)參數(shù)提高到Ⅴ級(jí)淺埋。

6)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋給施工，每換拱5 m便跟進(jìn)仰拱5 m，及時(shí)成環(huán)，適時(shí)地跟進(jìn)二襯，保證施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

磨灣2號(hào)隧道換拱的施工實(shí)踐，證明了堅(jiān)持“先支撐，嚴(yán)注漿，管超前，弱拆除，強(qiáng)支護(hù)，短成環(huán)，二次襯砌適時(shí)施作”的換拱施工原則，秉承以人為本的思想，采用扇形支撐、水泥—水玻璃注漿，雙層小導(dǎo)管、靜態(tài)破碎等技術(shù)在黃土隧道特殊地質(zhì)條件下?lián)Q拱是完全可行的，可以極大的降低換拱給施工帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，為黃土隧道的施工提供了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

［1］劉玉祥.水泥—水玻璃雙液注漿最優(yōu)參數(shù)的選擇［J］.礦冶，2005(4):45-47.

［2］劇仲林.隧道換拱作業(yè)的誤區(qū)［J］.科技信息，2009(10):53-55.

［3］隧道“換拱”作業(yè)［Z］.筑龍網(wǎng)論壇，2011:11.

［4］謝立軍.超前小導(dǎo)管在軟弱淺埋隧道中的應(yīng)用［Z］.河北科技交通信息網(wǎng)，2008:5.