“橋式”大鎖腳支護裝置在膨脹性土層隧道中的應用

王 永 余

(中鐵十四局集團二公司，山東 泰安 271000)

“橋式”大鎖腳支護裝置在膨脹性土層隧道中的應用

王 永 余

(中鐵十四局集團二公司，山東 泰安 271000)

簡述了傳統(tǒng)鎖腳方案的缺點，以太興鐵路小河溝隧道為例，介紹了“橋式”大鎖腳支護裝置在膨脹性土層隧道初期支護中的應用，并分析了“橋式”大鎖腳方案的優(yōu)勢，指出采用“橋式”大鎖腳方案施工，效果顯著，操作方便，有效保證了小河溝隧道的安全施工。

“橋式”大鎖腳，隧道，初期支護，膨脹性土層

1 應用背景

1.1 工程簡介

太興鐵路小河溝隧道地處黃土丘陵區(qū)，為膨脹性黃土雙線鐵路隧道，全長1 803 m，最大埋深106 m，具有地質(zhì)條件復雜、淺埋地段薄弱、偏壓嚴重的特點，尤其是膨脹性土質(zhì)屬黃土中極為罕見的地質(zhì)構(gòu)造。

1.2 技術(shù)背景

我國隧道工程建設中，由于山嶺眾多，工程地質(zhì)條件復雜，經(jīng)常會遇到隧道穿越膨脹性土層的工程問題。膨脹性土層由于其膨脹特性，若初期支護拱架的拱腳不能得到有效約束，隧道經(jīng)常會出現(xiàn)拱架大變形、初支開裂、圍巖失穩(wěn)等工程難題。

目前在膨脹性土層隧道中大多采用鎖腳錨桿或鎖腳錨管支護的支護方式約束鎖腳，以提高支護強度，但由于膨脹性土層隧道圍巖膨脹變形的特殊性，現(xiàn)有的鎖腳錨管的支護強度不足，未能起到加固圍巖的作用。在臺階轉(zhuǎn)換施工時，易導致隧道初期支護破壞，引起隧道塌方。

2 傳統(tǒng)方案

目前在膨脹性土層隧道中初支鋼架大多采用鎖腳錨桿或鎖腳錨管的約束方式。

2.1 鎖腳錨桿方案

鎖腳錨桿法是在以臺階法或分部開挖法開挖的軟弱圍巖隧道中沿隧道橫向在拱、墻腳部位打設具有一定下插角和數(shù)量的錨桿，并將其尾端與鋼架(型鋼鋼架或格柵鋼架)牢固焊接，以增強初期支護整體性，充分發(fā)揮初期支護的承載能力。

2.2 鎖腳錨管方案

在圍巖較差的隧道中，可采用鎖腳錨管支護的方式，采用無縫鋼管并在其壁面鉆有交錯布置的注漿孔。一方面，利用錨管自身承載能力抑制隧道變形，另一方面，通過鎖腳錨管對其周圍一定范圍內(nèi)圍巖進行注漿加固，提高圍巖強度。

2.3 傳統(tǒng)方案缺點

傳統(tǒng)鎖腳方案對支護鋼拱架的約束方式主要是通過錨桿(管)的施作將鋼拱架和圍巖固定，并一定程度上提高拱腳附近圍巖強度。但在膨脹性土層隧道中，拱腳附近圍巖由于其膨脹特性導致變形較大、強度不足，在圍巖應力釋放時施加給初期支護的作用力作用下，相對獨立的單根鋼拱架容易向凈空方向產(chǎn)生大變形，引起其兩旁的初期噴射混凝土開裂，導致初支破壞，對圍巖的支護作用失效。

3 “橋式”大鎖腳方案

太興鐵路小河溝隧道是典型的膨脹性土層隧道。為解決隧道臺階法施工過程中臺階轉(zhuǎn)換時易發(fā)生初支開裂，鋼拱架變形、圍巖失穩(wěn)等危險的難題，太興項目部邀請專家現(xiàn)場勘測、論證施工方案，并遵循強支護，緊襯砌等隧道施工新理念，創(chuàng)新施工工藝打設“橋式”大鎖腳方案。

3.1 “橋式”大鎖腳支護裝置結(jié)構(gòu)

“橋式”大鎖腳支護裝置包括帶孔型鋼、PVC導向管、鋼花管和錐形頭。

如圖1所示，帶孔型鋼帶焊接在兩榀鋼拱架拱腳之間。型鋼采用工字鋼，型號為Ⅰ20，其長度等于鋼架間距，寬300 mm，厚7 mm；型鋼中部設有鋼花管的圓孔。

如圖2所示，PVC導向管插入型鋼中部的圓孔中，外徑115 mm，長500 mm，壁厚5 mm。

如圖3所示，鋼花管通過PVC導向管插入鉆孔，鋼花管為無縫鋼管，長6 000 mm，外徑108 mm，壁厚6 mm；鋼花管表面按梅花形布置溢漿孔，同一截面上對稱分布4個孔眼，溢漿孔孔徑8 mm，豎向間距300 mm。

由于鉆孔底部有殘渣，為了避免鋼花管直接與殘渣接觸，鋼花管底上焊有錐形頭。鋼花管底部焊接錐形頭采用鋼錐并采用單面滿焊接，錐頭長300 mm。焊接過程中不得澆水，焊接完后自然冷卻。

3.2 “橋式”大鎖腳支護裝置工作方式

“橋式”大鎖腳支護裝置具體工作方式如下：

步驟1：

將初支鋼拱架按照規(guī)定的間距架設完成后，將與鋼拱架間距等長的帶孔型鋼焊接在兩榀鋼拱架拱腳之間，形成“橋式”大鎖腳整體結(jié)構(gòu)；

步驟2：

將PVC導向管插入型鋼中間的圓孔中，固定PVC管，并使PVC管外露長度控制在40 mm左右，保證PVC管露出混凝土層，以發(fā)揮其導向管作用；

步驟3：

按照規(guī)范施作噴射混凝土，噴射混凝土時應使用塑料膜等將PVC導向管的管口覆蓋，防止噴射混凝土堵塞PVC管；

步驟4：

以PVC管為導向管，采用沖擊錘或土釘機將鋼花管擊打鉆入圍巖至設計深度；

步驟5：

注漿。注漿分第一次注漿和第二次注漿。注漿壓力約為1.0 MPa～2.0 MPa。

1)一次注漿。

先洗孔，鋼花管入孔后，先泵送少量清水，通過注漿管注入孔底，稀釋孔底殘渣，將泥渣托出，然后進行第一次注漿；注水泥漿：第一次注漿水灰比0.5～0.6水泥漿從孔底向上灌注，利用水泥漿的浮力將鉆孔泥漿壓出孔外，注漿時注意觀察孔口流出漿液的顏色，當流出的漿液為純水泥漿時，即停止注漿。

2)二次注漿。

第一次注漿漿液初凝時開始進行第二次注漿，采用水灰比0.5～0.6水泥砂漿。

3.3 “橋式”大鎖腳方案優(yōu)點

傳統(tǒng)鎖腳方案在膨脹性土層隧道中由于隧道圍巖膨脹變形的特殊性往往起不到有效的約束鋼架的作用，導致出現(xiàn)拱架大變形、初支開裂、圍巖失穩(wěn)等問題。而“橋式”大鎖腳方案則是在傳統(tǒng)鎖腳錨管方案的基礎上作出改進，進一步增強了初期支護的整體性。

“橋式”大鎖腳支護裝置的帶孔型鋼搭接在中臺階拱腳處兩榀拱架之間，形成“橋式”結(jié)構(gòu)，一方面將相鄰拱架組合成一個整體，提高拱架的整體性；另一方面使大鎖腳所受圍巖拉拔力由兩榀鋼拱架共同承擔，提高大鎖腳支護強度。大鎖腳在噴射混凝土施作完成后安裝，同時采用φ108鋼花管，大大提高了大鎖腳的支撐作用。通過鎖腳錨管的注漿作用可以對其周圍一定范圍內(nèi)圍巖進行加固，另一方面，通過漿液凝結(jié)，提高鎖腳錨管壁面與圍巖的粘結(jié)力，增強了鎖腳錨管對圍巖的錨固作用，提高了錨管的抗拔力，減小了因圍巖應力釋放施加給初期支護的作用力，一定程度上限制了隧道向凈空方向的位移。

“橋式”大鎖腳方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，將原本相對獨立的鋼拱架連接成一個整體，在應力重分配的作用下，大大改善了受力環(huán)境，提高了對圍巖的支護強度，限制了變形。

“橋式”大鎖腳方案具有工作效率高、省時省力、施工操作方便、安全可靠、支護強度高的優(yōu)點，增強鎖腳錨管的錨固作用，提高錨管的抗拔力，充分發(fā)揮鎖腳錨管控制圍巖變形的作用，能夠適應膨脹性土層圍巖的變形規(guī)律，大大提高了對圍巖的支護強度，有效地控制了膨脹性土層圍巖的膨脹變形。

4 施工效果

小河溝隧道初期支護采用“橋式”大鎖腳方案施工，其效果顯著，工藝簡單，操作方便，結(jié)構(gòu)可靠，保證了小河溝隧道的安全、快速施工。

1)將原本相對獨立的鋼拱架連接成“橋式”整體結(jié)構(gòu)，大大增強了支護強度，充分抑制了隧道向凈空方向的位移；

2)鋼花管的錨固力和注漿的粘結(jié)力增強圍巖強度，提高錨固力，保證了圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

通過“橋式”大鎖腳支護方案，解決了小河溝隧道在穿越膨脹性土層時面臨的初支易開裂、鋼拱架大變形、圍巖易失穩(wěn)等問題，有效控制了隧道大變形，保證了工程質(zhì)量和施工安全，提高了施工工效，縮短了施工工期。

總之“橋式”大鎖腳支護裝置得到了項目部和施工人員的認可，取得了較好的效果，在小河溝隧道工程初支施工中得到了成功的應用；同時也為其他類似工程的施工提供了參考和借鑒。

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[2] 陳振秀，張騰蔚，張金根.鋼花管壓力注漿技術(shù)及其應用[J].廣東公路交通，2005(4)：73-74.

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[4] 馮丙陽.膨脹性黃土隧道大變形演化特征及支護對策研究[D].濟南：山東大學，2014.

The application of “Bridge” big lock feet support device in expansion soil layer tunnel

Wang Yongyu

(TheSecondCompany,ChinaRailway14thBureauGroup,Tai’an271000,China)

This paper briefly described the shortcomings of traditional feet lock scheme, taking Taixing railway Xiaohegou tunnel as an example, introduced the application of “Bridge” lock feet support device in expansive soil layer tunnel initial support, and analyzed the advantages of “Bridge” big feet lock scheme, pointed out that the “Bridge” big lock feet scheme construction had obvious effect, convenient operation, effectively ensured the construction safety of Xiaohegou tunnel.

“Bridge” big lock feet, tunnel, initial support, expansive soil layer

2015-03-04

王永余(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)14-0190-02

U455.7

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