隧道初期支護大變形、地表沉降段換拱處理

曹火勇

【摘要：成渝客專某隧道進口段屬于淺埋、大跨度、軟弱圍巖地段，在施工過程中由于地表水滲入造成初期支護發生嚴重沉降收斂變形侵限。本文就該段初支變形過程、形成原因分析、治理方法、換拱施工工法、安全保障措施進行論述探討。

【關鍵詞】隧道工程、收斂沉降、換拱處理、監控量測

1、工程概況

某隧道全長7328m，設計高瓦斯隧道，被原鐵道部評定為高風險隧道。全隧位于直線上，隧道縱坡為4‰的下坡。變形段處于隧道進口淺埋區斷層帶，為雙線大跨度斷面。主要巖性為泥巖、砂巖，巖體整體穩定性差、巖體破碎、地下水豐富，埋深14～22m。

2、沉降收斂變形情況

進口端已施作DK22+600—DK22+630段初期支護發生沉降收斂變形，當日最大沉降量達到12mm，收斂量達到8mm。至沉降收斂變形基本穩定，期間最大累計沉降變形1169mm，最大日沉降118mm。

3、收斂變形原因分析

（1）地質原因。收斂沉降段為全-強風化帶，風化不均。洞頂埋

深埋深14—23米，且處于龍泉驛斷層破碎帶，巖體破碎，圍巖軟弱，自穩性差。

（2）外部原因。施工期間，正值雨季，加之當地春灌洞頂果園，大量地表水下滲，軟化圍巖，惡化圍巖地質條件。

（3）施工原因。施工單位沒能對該段地質條件及大量地表水下滲引起高度重視。在開始出現收斂變形后，雖然采取了一定措施，但沒能有效控制收斂變形的發展。

4、變形控制

（1）地表處理。變形段地表采取土地緊急補征打圍。對所有的裂縫進行清理，采用粘土夯實所有的裂縫及側溝雜物并采用薄膜覆蓋封閉，防止地表水滲入覆蓋層內。

（2）洞內處理。為確保施工安全，對掌子面進行封閉，未施工仰拱段采用臨時仰拱、臨時豎撐及扇形支撐。對整個沉降變形段進行注漿加固，并對變形段增設I20b套拱加強支護。沉降變形趨于穩定后，在大里程端施作3m仰拱及二襯混凝土。

5、換拱處理

5.1、施工工藝

5.2、施工控制要點

5.2.1徑向注漿處理

對變形體段初期支護進行全斷面徑向注漿固結處理，采用φ42無縫鋼管，單根長4.5m，環向間距0.5m×縱向間距0.5m，采用雙序孔交叉注漿，自下而上進行。注漿過程采用“雙控”，根據注漿壓力和注漿量初步判斷是否滿足要求。注漿預防替換拱架施工造成二次擾動變形加大，導致坍塌不安全隱患事故發生。注漿參數表如下：

水泥漿水灰比 水玻璃 水泥漿與水玻璃體積比 NaH2PO4摻水泥質量%

注漿終壓力（MPa）

穩壓時間（min）

濃度

（/0Be‘） 模數

1：1 38 2.4 1：0.6 2.0 2.0～2.5 10

5.2.2監控量測

5.2.2.1布點原則

待注漿完成后，對原沉降觀測及收斂觀測標識進行清理，每5m一個觀測斷面，補充被損壞的標志。每斷面設沉降觀測點3個，分別位于拱頂及拱頂量測4m處。每斷面設收斂觀測點一對，位于矮邊墻頂面以上1.5m處。換拱過程每損壞一個點，在新施工的初支上增加一個點，始終保證觀測點的數量不變。地表監控量測點通過測量放樣對應于洞內觀測點位置埋設。

5.2.2.2觀測頻率

換拱期間洞內沉降觀測及收斂觀測保證每8小時一次，每天三次的觀測頻率。洞頂地表觀測每天兩次。測量完成半小時內對數據進行分析，并將分析結果以書面形式下發至現場指導生產。發現數據異常時立即暫停換拱施工，并分析原因指導現場施工。

尤其是對施工區域前后初支變形情況的監控，新鋼架在安裝完成1小時內完成監控標志的布設，并采集初始值。侵限初支及鋼架在拆除前后對相鄰兩榀鋼架的控制點進行兩次數據采集，核實拆除前后的沉降情況。并按上述觀測頻率繼續觀測。

5.2.3換拱

待監控量測數據滿足要求后，開始進行換拱施工。總體思路：采用長臂挖機配破碎頭或修邊刀片在原施工的兩榀鋼架間進行拱頂初支混凝土鑿除→采用CAT320挖掘機配破碎頭鑿除邊墻初支混凝土、矮邊墻混凝土、16cm厚填充混凝土→割除侵限鋼架、鋼筋網、連接鋼筋及部分鎖腳、徑向錨管→長臂挖掘機或CAT320挖掘機安裝刀片將斷面擴挖至設計斷面（預留35cm沉降量）→初噴4cm厚混凝土封閉圍巖面→安裝新鋼架→掛設鋼筋網、焊接連接鋼筋、施工鎖腳、徑向錨管→噴射混凝土完成換拱。

第一循環換拱設置為3m試驗段，換拱逐榀進行，每環鋼架完成封閉成換后方可進行下一榀鋼架的拆換。新鋼架設置35cm預留沉降。為縮短封閉成環時間，減少封閉成環前的沉降，換拱為全斷面進行，完成原鋼架拆除后立即安裝新鋼架，盡快封閉成環。換拱期間加強換拱段及前后的監控量測。

如在換拱期間或完成試驗段后每天的沉降或收斂超過5mm或累計沉降超過10cm，立即增加I20b工字鋼套拱。完成套拱加設并穩定后如果能夠滿足設計斷面輪廓則立即組織澆筑二襯混凝土，同時第二循環開始換拱均采用雙層拱架，并設置10cm預留沉降量。第二循環換拱長度設置為5m，同樣根據換拱期間及完成換拱后的沉降情況，采用與第一循環相同的處理方式。

逐品換拱

6、施工安全質量保證

（1）、監控量測數據指導施工。處理過程中加強圍巖監控量測，對數據進行及時分析，根據測量檢測成果確定初期支護拱架替換部位及里程段落。

（2）、二次襯砌及時跟進。因變形段仰拱已施作，換拱以6m為一節段，換拱完成數據穩定后立即施作二次襯砌。

（3）、配足監控人員及勞動力。成立現場施工指導小組，設置現場安全監控人員，對施工現場進行及時指導。勞動力按30%富余量進行配置，確保現場施工穩定高效。

五、結語

通過對該隧道初期支護變形換拱處理結果分析，采用對侵限段圍巖注漿加固，超前小導管和鋼拱架逐段加固阻斷處理方案是安全可行的，該處理方法可用于類似工程中去。同時，通過此次變形處理，對控制隧道變形有以下幾個方面的建議：

（1）隧道變形主要是高地應力、圍巖節理發育、地下水豐富形成的復合式變形，地質原因是內因，設計和施工措施不到位誘發外因。

（2）加長錨桿降低圍巖壓力，控制圍巖變形；加強初期支護，增強其強度和剛度，是防治軟弱圍巖變形要著重解決的兩個問題。

（3）在地質較差的隧道施工，做好施工過程中前期的預防措施，加強超前地質預報，加強監控量測，避免初期支護變形侵限才是最好的選擇。

參考文獻

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