黃土隧道特殊地質條件下的換拱技術總結

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

呂梁環城高速公路磨灣2號隧道位于山西省呂梁市離石區信義鎮磨灣村，隧址位于黃土殘垣丘陵區，微地貌為黃土沖溝、陡坡，地形起伏較大，“V”形谷發育，相對高差在60 m左右;植被稀疏，只生長少量灌木。圍巖為離石組黃土，巖性為粉質粘土，堅硬狀態塊狀整體結構，洞口段垂直、柱狀節理較發育，易受大氣降水的沖蝕而滑坡，邊坡穩定性較差。隧道采用分離式斷面，凈寬10.25 m，凈高5.0 m，兩側設檢修道，內輪廓考慮結構受力有利及便于施工，一般襯砌斷面內輪廓采用三心圓。

2 初支侵限過程介紹

當磨灣2號隧道右洞開挖至K25+130時，拱頂掉塊現象較為嚴重，現場將支護參數加強為Ⅴ級深埋，采取減小開挖步距，反噴回填等措施，效果不顯著，坍塌未得到有效控制，當隧道開挖至K25+136時，掌子面出現嚴重坍塌，坍塌范圍拱頂至左側拱肩處，坍塌高度1.3m左右，累計坍塌方量大于20 m3，現場對K25+130～K25+136段在初支面外側按Ⅳ級圍巖標準新增工字鋼和連接筋進行支護，并對塌方部位采用埋設注漿管注漿處理，跟進仰拱、二襯盡量縮短安全距離要求后，繼續以Ⅴ級深埋支護參數向前掘進，2012年8月24日，掘進至K25+160時，掌子面出現嚴重坍塌，坍塌高度5 m左右，累計坍塌方量大于80 m3，臨近掌子面初支面，沉降28 cm，K25+140處初支面沉降15 cm，并出現近3 cm的環向裂縫，K25+138～K25+142之間也有不同程度開裂，跟進仰拱、二襯盡量縮短安全距離，二襯跟至K25+136，對塌方部位采用埋設注漿管注漿處理，繼續向前掘進。9月4日晚，由于降雨改變了圍巖應力，掌子面再次坍塌，K25+140～K25+165段初支出現嚴重變形，上臺階全斷面侵入二襯輪廓線內。

3 原因分析

1)坍塌地段圍巖處于變化階段，是粉質黏土和粉土結合的地段，穩定性極差;

2)地表有一處沖溝橫切隧道洞頂，隧道埋深15 m左右，圍巖自穩性差;

3)連日降雨改變了圍巖應力，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，扇形支撐對應上臺階已支護拱架，利用三角形的穩定性，通過將斷面分割成四個三角形，達到臨時穩固的目的，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Φ20的螺紋鋼，間距20 cm×20 cm，扇形臨時支撐隨換拱逐排拆除，施工時注意的重點環節為扇形支撐的基座必須落在原狀土上，保證承載力;嚴格控制扇形支撐連接處的焊接質量，詳見圖1，圖2。

圖1 臨時加固的正面示意圖

圖2 臨時加固的側面示意圖

2)K25+140～K25+165段，全斷面注漿固結松散土體，控制坍塌變形，保證換拱時的安全，小導管采用φ42，壁厚3.5 mm的鋼花管，長度4 m和2 m，長短鋼花管梅花形布置，環向、縱向間距均為100 cm，環、縱向間距根據注漿材料的擴散效果決定，長管對拱架外5 m范圍的松散土體進行固結，短管對拱架外3 m范圍的土體進行補強固結，使土體形成一個拱圈受力，既能有效的控制換拱時的坍塌，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。施工時注意的重點環節為注漿順序和壓力的控制以及注漿材料的配合比控制。注漿時先長管，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”起來就安全了，所以，凡遇到此類情況，多數人會做出首先進行打孔注漿的決定，且注入普通水泥漿。事實上，變形的圍巖未必松散，普通靜壓注漿滲透及固結無效;此外，所注入的固結漿液與其說是“水泥漿”，不如說是“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，而是先水對圍巖軟化，這是十分危險的，有幾個工地就是因此而坍塌的，有更糟糕的是，坍塌后，還認為注漿不夠，所以在換拱注漿過程中，注漿要在臨時支撐加固完成后進行，并且注漿時要嚴格控制水灰比以及水玻璃的摻量，在保證注漿效果的同時，最大限度的減少水對黃土隧道的危害。

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

具體技術參數如下:

a.超前導管規格。

采用φ42，壁厚3.5 mm的鋼花管，長度3.5 m;

b.間距。

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

c.外插角。

鋼管外插角分別采用40°和10°交錯布置，可根據實際情況調整。

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，有關參數可以根據現場實際加以說明調整。

f.設置范圍。

拱部120°范圍，超前雙層小導管布置圖，如圖3，圖4所示。

圖3 超前小導管布置圖

圖4 縱剖面布置圖

4)已侵限初支的拆除，多數隧道管理者會想:既然圍巖變形很大，那么，圍巖很脆弱，盡量減少擾動，而爆破的擾動是最大的，所以嚴謹爆破拆除，要采取人工或機械拆除。圍巖脆弱，減少擾動，這個判斷是正確的，但是，爆破震動就比機械大以及人工作業就安全的判斷就有嚴重偏差。建設部關于對磚木結構房屋的爆破震速標準是2 cm/s，也就是說，只要將爆速控制在一個合理范圍內，爆破就是安全的;而所謂機械在目前就是指沖擊錘，沖擊錘的震動不一定比爆破小，此其一，司機坐在駕駛室，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，最大的安全是人員安全，其次才是隧道，人工進行位于人體上方的拆除作業，脫落的物體都會直接砸到人體上，非常危險。

換拱作業應按照這種思想施工:先進行超前支護，然后弱擾動破除，噴錨支護，針對初支混凝土的特點和施工要求，現場采用了靜態破碎技術，通俗一點說就是將一種水泥樣的粉狀物加水攪拌后，裝填入混凝土中的鉆孔內，過段時間混凝土會出現裂紋、裂縫，然后用挖掘機改裝的機械手清運。混凝土的抗拉強度約1.5 MPa～3.0 MPa，約相當于其抗壓強度的 1/10～1/20，而通常靜態破碎劑的膨脹壓力可達30 MPa～50 MPa。所以，合理的破碎設計(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受到充分破壞的。經現場測定，在溫度為20℃、水與破碎劑之比為0.3∶1時，其體積將自由膨脹4倍。

靜態破碎有以下優點:破碎劑不屬于危險物品，因而在購買、運輸、保管、使用中，不受任何限制;施工過程安全，不存在炸藥爆破時產生的震動、空氣沖擊波、飛石、噪聲、有毒氣體和粉塵的危害;施工簡單，破碎劑用水拌合后灌入炮孔即可，無須堵塞，不需專業工種;需破則破，需留則留，按照要求，設計適當的參數，可達到有計劃地分裂、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，臨時使用炸藥，存在很多困難和風險，靜態破碎更加凸顯了其優越性。

靜態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驗影響較大，所以，剛開始一兩個工序較慢，需根據噴射混凝土強度、厚度、洞內溫度等現場實際總結破碎設計參數。

5)為了保證施工和運營后的安全，將塌方段向前10 m的范圍支護參數提高到Ⅴ級淺埋。

6)加強監控量測，及時反饋給施工，每換拱5 m便跟進仰拱5 m，及時成環，適時地跟進二襯，保證施工安全。

5 結語

磨灣2號隧道換拱的施工實踐，證明了堅持“先支撐，嚴注漿，管超前，弱拆除，強支護，短成環，二次襯砌適時施作”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，雙層小導管、靜態破碎等技術在黃土隧道特殊地質條件下換拱是完全可行的，可以極大的降低換拱給施工帶來的安全風險，為黃土隧道的施工提供了可資借鑒的經驗。

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

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

［3］隧道“換拱”作業［Z］.筑龍網論壇，2011:11.

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