淺談巖溶隧道初支侵限段換拱處治技術(shù)

(三明廈沙高速公路有限責(zé)任公司，三明365004)

淺談巖溶隧道初支侵限段換拱處治技術(shù)

■童威

(三明廈沙高速公路有限責(zé)任公司，三明365004)

本文以廈沙高速玉園隧道出口右洞初期支護(hù)變形侵限換拱處治工程為實(shí)例，對巖溶、破碎軟巖換拱過程所采取的處治技術(shù)和控制措施進(jìn)行探討，對隧道施工中類似問題起到借鑒參考作用。

巖溶隧道初支變形侵限換拱處治

1 工程概況

玉園隧道位于福建省尤溪縣臺溪鄉(xiāng)七官場村境內(nèi)，采用雙向四車道分離式結(jié)構(gòu)。左線全長1288m，右線全長1256m。

1.1 地質(zhì)情況

玉園隧道穿越灰?guī)r地層，巖溶發(fā)育，局部地段溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，形成溶腔、溶槽，圍巖穩(wěn)定性差。V、VI級圍巖段圍巖主要為黃色粘土夾中-強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，灰?guī)r為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，為較軟巖，巖溶發(fā)育，形成溶洞，充填粉質(zhì)粘土，部分無充填。地下水不發(fā)育，未見股狀水流。

1.2 隧道初期支護(hù)及山體地表變形情況

玉園隧道右洞出口地段施工初期CD法剛進(jìn)洞9m，地表局部出現(xiàn)開裂，山體出現(xiàn)輕微變形，施做坡體加固工程后繼續(xù)掘進(jìn)，2016年1月至4月期間受暴雨影響等因素影響，玉園隧道出口地段山體再次發(fā)生變形位移，山體地表出現(xiàn)多條裂縫，多呈“人字形”，變形山體縱向長約85m，橫向?qū)捈s80m，厚10～17m，前緣高程約351m，后緣高程約396m，前后緣相對高差約45m，變形區(qū)面積約6446.5m2，體積約9.03萬m3。洞內(nèi)沉降明顯，已施做完成的初支局部侵限。

2 變形侵限原因分析

2.1 地質(zhì)和氣候原因

玉園隧道出口段地質(zhì)條件復(fù)雜，暗洞110m范圍內(nèi)為淺埋段，山體地勢較陡，存在面向洞門右向左約45°的側(cè)向偏壓，巖溶串珠狀發(fā)育，充填粉質(zhì)土，部分溶洞無充填，充填土力學(xué)性能差；同時(shí)受連續(xù)大范圍強(qiáng)降雨影響，土體飽水自重增加，抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡整體穩(wěn)定性降低，局部失穩(wěn)發(fā)生滑動破壞，造成洞內(nèi)沉降明顯，已施做完成的初支局部侵限。

2.2 施工原因

(1)隨著隧道的掘進(jìn)，山體受力發(fā)生變化，在掘進(jìn)的過程中，經(jīng)常會遇到灰?guī)r孤石，需要爆破開挖，對圍巖造成較大擾動。

(2)隧道開挖掘進(jìn)過程中未嚴(yán)格遵守三臺階步距要求，下導(dǎo)和仰拱施工滯后，仰拱未及時(shí)封閉成環(huán)造成拱架沉降過大；鎖腳小導(dǎo)管打入角度不足，注漿不夠飽滿，未將周圍土體膠結(jié)加固形成整體受力，造成拱架下沉加大。

(3)承包人對巖溶地質(zhì)隧道施工經(jīng)驗(yàn)不足，20cm預(yù)留變形量較小。

3 初支變形侵限具體情況

對K125+172～204路段采用激光斷面儀掃描，結(jié)果見表1。典型侵限斷面圖見圖1。

圖1 K125+190斷面圖(單位：cm)

4 換拱處治技術(shù)方案

4.1 總體處治原則

換拱從出口大里程往進(jìn)口小里程進(jìn)行，換拱施工前，必須先對變形侵限段進(jìn)行加固，并布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，加固和安全措施滿足要求后，方可進(jìn)行換拱施工。換拱工序遵循：管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉；換拱施工時(shí)必須認(rèn)真執(zhí)行“四個(gè)及時(shí)”，即及時(shí)支護(hù)、及時(shí)監(jiān)測、及時(shí)反饋、及時(shí)修改；由上至下依次逐榀換拱。

表1 變形及侵限情況表

4.2 施工方案與工藝

(1)施工工序

施工準(zhǔn)備并實(shí)測換拱段落斷面→根據(jù)實(shí)測斷面預(yù)制套拱并架設(shè)→洞內(nèi)超前注漿加固→鑿除侵限的初期支護(hù)→換拱支護(hù)并布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)→重復(fù)以上工作，按一個(gè)臺車長度，及時(shí)跟進(jìn)二襯施工。

(2)套拱施工

套拱參數(shù)：I20a鋼架，縱向間距0.5m/榀，噴射C20砼10cm，套拱之間用Φ22HRB335鋼筋做連接筋，間距1m。根據(jù)施工是否成環(huán)情況，洞內(nèi)套拱加固分為以下兩種情況：

①仰拱已成環(huán)(砼已澆筑)段：即右洞K125+185～204段采用下圖2進(jìn)行加固：

圖2 仰拱成環(huán)(砼澆筑)段套拱加固示意圖

圖3 仰拱未成環(huán)中下臺階未開挖段套拱加固示意圖

②仰拱未成環(huán)及中下臺階未開挖段：即右洞K125+ 172～185段采用圖3進(jìn)行加固。

套拱加固施工前，用油漆標(biāo)示出原鋼架位置。根據(jù)實(shí)測斷面預(yù)制加工拱架，確保套拱拱架基本密貼原初支面，不密貼的采用水泥墊塊填塞。套拱拱架安裝位置位于原兩榀鋼架中間，以利于后續(xù)換拱施工。仰拱成環(huán)段施工時(shí)，套拱基礎(chǔ)架設(shè)在仰拱上。仰拱未成環(huán)及中下臺階施工時(shí)，首先施工臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱采用C20噴射混凝土厚10cm，套拱基礎(chǔ)架設(shè)在臨時(shí)仰拱上。同時(shí)，應(yīng)在套拱架設(shè)前，確保臨時(shí)仰拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%。套拱拱架兩側(cè)基腳各設(shè)4根套拱拱架兩側(cè)基腳各設(shè)置4Φ50×3.5mm鎖腳鋼管并注漿，L=3.5m。套拱拱架架設(shè)后，及時(shí)噴射10cm厚C20混凝土包裹鋼架，防止鋼架移位。完成后套拱見圖4。

(3)洞內(nèi)注漿加固

圖4 套拱加固完成圖

對已施工拱部長管棚+邊墻小導(dǎo)管地段(設(shè)計(jì)VI級圍巖段即K125+185～+204)在拱部管棚中間位置補(bǔ)充施做小導(dǎo)管加固措施，對僅施做拱部長管棚地段(設(shè)計(jì)V級圍巖段即K125+172～+185段)需在拱墻位置補(bǔ)充施做小導(dǎo)管加固措施。

超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)：采用Φ42mm，壁厚3.5mm鋼花管，長4.5m，環(huán)向間距0.4m，縱向搭接長度不小于1.0m。外插角：拱部150°范圍內(nèi)，外插角45°；邊墻部位范圍內(nèi)，外插角為5～10°和45°交錯(cuò)布置。注漿采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.5～1MPa，注漿前進(jìn)行注漿試驗(yàn)，以調(diào)整注漿參數(shù)，注漿時(shí)應(yīng)注意觀察支撐和拱架是否變形，如有變形，馬上停止注漿、并對支撐進(jìn)行加固后才可繼續(xù)注漿，注漿順序從邊墻到拱部，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時(shí)，可結(jié)束注漿。超前導(dǎo)管布置圖見圖5。

圖5 超前導(dǎo)管布置圖

(4)拆除原侵限段初支

換拱遵循先拱后墻原則，避免掉拱隱患。

首先根據(jù)每個(gè)斷面侵限厚度確定換拱開挖深度，預(yù)留沉降量按30cm控制(可根據(jù)后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)調(diào)整)，將相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)示在初支噴射混凝土上，而后根據(jù)初支面上油漆標(biāo)示的鋼架位置(套拱施工時(shí)，油漆標(biāo)示原鋼架位置)鑿除K125+204～K125+203.1段上臺階(高度約2～3m，具體根據(jù)單元分節(jié)長度確定)段原初支混凝土，首次鑿除寬度為90cm(拱架間距50cm，H200型鋼寬20cm，預(yù)留20cm鋼筋網(wǎng)搭接寬度，合計(jì)90cm)。割斷鋼架連接筋、鋼筋網(wǎng)片等，松開單元鋼架連接板螺栓，逐單元拆除上臺階鋼架。拆除鋼架后，開挖進(jìn)一步加深，深度按先前計(jì)算數(shù)據(jù)控制，開挖完成后立即對開挖面進(jìn)行量測，確保開挖輪廓線滿足設(shè)計(jì)要求，防止二次侵限的發(fā)生。原初支混凝土鑿除采用人工風(fēng)鎬破除，個(gè)別孤石可采用機(jī)械破碎破碎，嚴(yán)禁爆破。拆除施工作業(yè)時(shí)，兩側(cè)不得同時(shí)施工。

(5)換拱支護(hù)

斷面開挖盡量平順，而后及時(shí)初噴混凝土，厚度4cm。鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并架立K125+204及K125+203.5里程處H200型鋼上臺階鋼架，在鋼架與圍巖的空隙處加設(shè)混凝土墊塊，楔緊鋼架，而后按設(shè)計(jì)要求焊縱向連接筋，并施工鎖腳錨管。鎖腳錨管采用4根L=3.5m，Φ50× 3.5mm，并注漿。根據(jù)以上步驟逐步更換K125+204～K125+203.5段中、下臺階拱架鋼架，并噴射C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度，要求噴射飽滿無空洞。噴射混凝土完畢后馬上對換拱斷面進(jìn)行復(fù)測并埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一榀拱架置換。詳細(xì)施工步驟如下：

①利用換拱臺架用工20型鋼做臨時(shí)支撐頂住②③單元鋼架。

②拆除套拱，使用人工風(fēng)鎬破除①單元原初支混凝土。

③割斷①單元連接筋，網(wǎng)片等。

④松開①單元和②單元、①單元和④單元連接板處螺栓，拆除①單元鋼架。

⑤分步拆除②單元、③單元鋼架。

⑥進(jìn)一步修整開挖面，預(yù)留沉降量按30cm控制。

⑦初噴4cm混凝土，安裝新鋼架，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片及焊接連接筋，并打設(shè)鎖腳錨管，鎖腳錨管俯角不小于45°，做好鎖腳錨管與鋼架連接，噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

⑧分側(cè)更換中臺階④單元鋼架，打設(shè)鎖腳錨管，并噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

⑨分側(cè)更換下臺階⑤單元鋼架，⑤單元鋼架從仰拱填充面附近割斷，仰拱部位拱架無需更換，打設(shè)鎖腳錨管，并噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

⑩噴射混凝土完畢后馬上對換拱斷面進(jìn)行復(fù)測并埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一榀拱架置換。

圖6 換拱示意圖

(6)二襯施工

侵限段換拱達(dá)到一個(gè)臺車長度后，立即停止換拱并施工二次襯砌，二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%時(shí)，方可拆模進(jìn)行下一循環(huán)換拱。同時(shí)，施工中必須根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整換拱二襯施工段落長度，二襯緊跟換拱施工。

(7)換拱施工監(jiān)控量測

換拱作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，作業(yè)期間，必須進(jìn)行換拱區(qū)段地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂等項(xiàng)目的監(jiān)控量測，監(jiān)測頻率不小于2次/天，監(jiān)測周期連續(xù)且貫穿整個(gè)施工周期，特別是暴雨后，應(yīng)加大觀測頻率，監(jiān)測后及時(shí)繪制山體變形-時(shí)間曲線、速率曲線。

①初支加固套拱施工完成后，每隔一榀在拱頂處設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，在開始換拱前讀出初始數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行監(jiān)測頻率不小于2次/天量測，若發(fā)現(xiàn)有異常情況則立即停止施工，迅速組織人員撤離，待圍巖穩(wěn)定或報(bào)告相關(guān)人員采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

②換拱過程中，在已換拱完成的初支上每隔5m布設(shè)沉降和收斂觀測點(diǎn)，沉降觀測點(diǎn)和收斂觀測點(diǎn)布設(shè)在同一斷面上，觀測頻率為2次/天。每天應(yīng)及時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)表2和表3采用三級管理控制，對出現(xiàn)的問題及時(shí)處理。

表2 監(jiān)測管理等級

表3 隧道周邊允許位移相對值(%)

換拱全部完成后，只有等所有監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后才能進(jìn)行掌子面開挖。YK125+175斷面是距離掌子面最近的一個(gè)監(jiān)測斷面，其拱頂下沉和周邊收斂位移—時(shí)間曲線和位移發(fā)展速率—時(shí)間曲線(如圖7所示)。

通過對分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，換拱完成后的7天里，由于現(xiàn)場的作業(yè)擾動和圍巖壓力，拱頂下沉和周邊收斂數(shù)值較大，變化都在10mm以上；后幾天隨著圍巖受力漸漸平衡，下沉和收斂數(shù)據(jù)逐漸變小；后因臨近初支換拱以及下導(dǎo)和仰拱的施做，出現(xiàn)沉降和收斂突然變大的情況，隨著換拱作業(yè)面逐漸遠(yuǎn)離和拱圈的閉合，作業(yè)對沉降和收斂的影響逐漸變小，一個(gè)月后基本達(dá)到穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過玉園隧道侵限換拱處治，認(rèn)為采用的初支外側(cè)鋼套拱逐段加固，圍巖內(nèi)部超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)，隧道初支參數(shù)加強(qiáng)，及時(shí)施做二襯的處理方案是安全可行的，在施工過程中未出現(xiàn)安全問題，該處理方法可以用于類似隧道侵限工程中。

在軟弱圍巖隧道開挖掘進(jìn)過程中，根據(jù)開挖方法嚴(yán)格控制施工步距十分重要，盡快施做仰拱將初支拱架封

圖7 拱頂下沉和周邊收斂位移—時(shí)間曲線和位移發(fā)展速率—時(shí)間曲線

閉成環(huán)，改善拱架受力，充分發(fā)揮圍巖自承載能力，可以有效減小拱架沉降變形，減小施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

在地質(zhì)條件較復(fù)雜的隧道施工中，開挖初期可適當(dāng)放大預(yù)留變形量(后期可根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定預(yù)留變形量)，雖然增大預(yù)留變形會增加部分初支二襯工程量，但比起后期換拱處治所花的費(fèi)用，以及節(jié)省了施工工期和設(shè)備人員的窩工費(fèi)用，還是值得的。

加強(qiáng)軟弱圍巖隧道的監(jiān)控量測，掌握隧道初支變形情況，對可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警防患于未然，同時(shí)可把握隧道初支結(jié)構(gòu)所處安全狀態(tài)，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，確定預(yù)留變形量和二襯最佳施做時(shí)間，為調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法提供依據(jù)。

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