淺談巖溶隧道初支侵限段換拱處治技術

(三明廈沙高速公路有限責任公司，三明365004)

淺談巖溶隧道初支侵限段換拱處治技術

■童威

(三明廈沙高速公路有限責任公司，三明365004)

本文以廈沙高速玉園隧道出口右洞初期支護變形侵限換拱處治工程為實例，對巖溶、破碎軟巖換拱過程所采取的處治技術和控制措施進行探討，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七官場村境內，采用雙向四車道分離式結構。左線全長1288m，右線全長1256m。

1.1 地質情況

玉園隧道穿越灰巖地層，巖溶發育，局部地段溶蝕現象嚴重，形成溶腔、溶槽，圍巖穩定性差。V、VI級圍巖段圍巖主要為黃色粘土夾中-強風化灰巖，灰巖為隱晶質結構，為較軟巖，巖溶發育，形成溶洞，充填粉質粘土，部分無充填。地下水不發育，未見股狀水流。

1.2 隧道初期支護及山體地表變形情況

玉園隧道右洞出口地段施工初期CD法剛進洞9m，地表局部出現開裂，山體出現輕微變形，施做坡體加固工程后繼續掘進，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生變形位移，山體地表出現多條裂縫，多呈“人字形”，變形山體縱向長約85m，橫向寬約80m，厚10～17m，前緣高程約351m，后緣高程約396m，前后緣相對高差約45m，變形區面積約6446.5m2，體積約9.03萬m3。洞內沉降明顯，已施做完成的初支局部侵限。

2 變形侵限原因分析

2.1 地質和氣候原因

玉園隧道出口段地質條件復雜，暗洞110m范圍內為淺埋段，山體地勢較陡，存在面向洞門右向左約45°的側向偏壓，巖溶串珠狀發育，充填粉質土，部分溶洞無充填，充填土力學性能差；同時受連續大范圍強降雨影響，土體飽水自重增加，抗剪強度降低，導致邊坡整體穩定性降低，局部失穩發生滑動破壞，造成洞內沉降明顯，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，山體受力發生變化，在掘進的過程中，經常會遇到灰巖孤石，需要爆破開挖，對圍巖造成較大擾動。

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

(3)承包人對巖溶地質隧道施工經驗不足，20cm預留變形量較小。

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 換拱處治技術方案

4.1 總體處治原則

換拱從出口大里程往進口小里程進行，換拱施工前，必須先對變形侵限段進行加固，并布設監控量測點，加固和安全措施滿足要求后，方可進行換拱施工。換拱工序遵循：管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、勤量測、早封閉；換拱施工時必須認真執行“四個及時”，即及時支護、及時監測、及時反饋、及時修改；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

施工準備并實測換拱段落斷面→根據實測斷面預制套拱并架設→洞內超前注漿加固→鑿除侵限的初期支護→換拱支護并布設監控點→重復以上工作，按一個臺車長度，及時跟進二襯施工。

(2)套拱施工

套拱參數：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。根據施工是否成環情況，洞內套拱加固分為以下兩種情況：

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

圖2 仰拱成環(砼澆筑)段套拱加固示意圖

圖3 仰拱未成環中下臺階未開挖段套拱加固示意圖

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

套拱加固施工前，用油漆標示出原鋼架位置。根據實測斷面預制加工拱架，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，以利于后續換拱施工。仰拱成環段施工時，套拱基礎架設在仰拱上。仰拱未成環及中下臺階施工時，首先施工臨時仰拱，臨時仰拱采用C20噴射混凝土厚10cm，套拱基礎架設在臨時仰拱上。同時，應在套拱架設前，確保臨時仰拱混凝土強度達到100%。套拱拱架兩側基腳各設4根套拱拱架兩側基腳各設置4Φ50×3.5mm鎖腳鋼管并注漿，L=3.5m。套拱拱架架設后，及時噴射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+邊墻小導管地段(設計VI級圍巖段即K125+185～+204)在拱部管棚中間位置補充施做小導管加固措施，對僅施做拱部長管棚地段(設計V級圍巖段即K125+172～+185段)需在拱墻位置補充施做小導管加固措施。

超前小導管設計參數：采用Φ42mm，壁厚3.5mm鋼花管，長4.5m，環向間距0.4m，縱向搭接長度不小于1.0m。外插角：拱部150°范圍內，外插角45°；邊墻部位范圍內，外插角為5～10°和45°交錯布置。注漿采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.5～1MPa，注漿前進行注漿試驗，以調整注漿參數，注漿時應注意觀察支撐和拱架是否變形，如有變形，馬上停止注漿、并對支撐進行加固后才可繼續注漿，注漿順序從邊墻到拱部，當達到設計注漿量時，可結束注漿。超前導管布置圖見圖5。

圖5 超前導管布置圖

(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。

首先根據每個斷面侵限厚度確定換拱開挖深度，預留沉降量按30cm控制(可根據后期監控量測數據調整)，將相關數據標示在初支噴射混凝土上，而后根據初支面上油漆標示的鋼架位置(套拱施工時，油漆標示原鋼架位置)鑿除K125+204～K125+203.1段上臺階(高度約2～3m，具體根據單元分節長度確定)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，預留20cm鋼筋網搭接寬度，合計90cm)。割斷鋼架連接筋、鋼筋網片等，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，開挖進一步加深，深度按先前計算數據控制，開挖完成后立即對開挖面進行量測，確保開挖輪廓線滿足設計要求，防止二次侵限的發生。原初支混凝土鑿除采用人工風鎬破除，個別孤石可采用機械破碎破碎，嚴禁爆破。拆除施工作業時，兩側不得同時施工。

(5)換拱支護

斷面開挖盡量平順，而后及時初噴混凝土，厚度4cm。鋪設鋼筋網，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混凝土墊塊，楔緊鋼架，而后按設計要求焊縱向連接筋，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混凝土至設計厚度，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行復測并埋設監控量測點，穩定后方可進行下一榀拱架置換。詳細施工步驟如下：

①利用換拱臺架用工20型鋼做臨時支撐頂住②③單元鋼架。

②拆除套拱，使用人工風鎬破除①單元原初支混凝土。

③割斷①單元連接筋，網片等。

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進一步修整開挖面，預留沉降量按30cm控制。

⑦初噴4cm混凝土，安裝新鋼架，鋪設鋼筋網片及焊接連接筋，并打設鎖腳錨管，鎖腳錨管俯角不小于45°，做好鎖腳錨管與鋼架連接，噴射混凝土至設計厚度。

⑧分側更換中臺階④單元鋼架，打設鎖腳錨管，并噴射混凝土至設計厚度。

⑨分側更換下臺階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，打設鎖腳錨管，并噴射混凝土至設計厚度。

⑩噴射混凝土完畢后馬上對換拱斷面進行復測并埋設監控量測點，穩定后方可進行下一榀拱架置換。

圖6 換拱示意圖

(6)二襯施工

侵限段換拱達到一個臺車長度后，立即停止換拱并施工二次襯砌，二襯混凝土強度達到80%時，方可拆模進行下一循環換拱。同時，施工中必須根據監控量測數據及時調整換拱二襯施工段落長度，二襯緊跟換拱施工。

(7)換拱施工監控量測

換拱作業風險高，作業期間，必須進行換拱區段地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂等項目的監控量測，監測頻率不小于2次/天，監測周期連續且貫穿整個施工周期，特別是暴雨后，應加大觀測頻率，監測后及時繪制山體變形-時間曲線、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置沉降觀測點，在開始換拱前讀出初始數據，而后進行監測頻率不小于2次/天量測，若發現有異常情況則立即停止施工，迅速組織人員撤離，待圍巖穩定或報告相關人員采取相應措施進行處理。

②換拱過程中，在已換拱完成的初支上每隔5m布設沉降和收斂觀測點，沉降觀測點和收斂觀測點布設在同一斷面上，觀測頻率為2次/天。每天應及時對監測數據進行分析，并根據表2和表3采用三級管理控制，對出現的問題及時處理。

表2 監測管理等級

表3 隧道周邊允許位移相對值(%)

換拱全部完成后，只有等所有監測斷面監測數據達到穩定后才能進行掌子面開挖。YK125+175斷面是距離掌子面最近的一個監測斷面，其拱頂下沉和周邊收斂位移—時間曲線和位移發展速率—時間曲線(如圖7所示)。

通過對分析監測數據可知，換拱完成后的7天里，由于現場的作業擾動和圍巖壓力，拱頂下沉和周邊收斂數值較大，變化都在10mm以上；后幾天隨著圍巖受力漸漸平衡，下沉和收斂數據逐漸變小；后因臨近初支換拱以及下導和仰拱的施做，出現沉降和收斂突然變大的情況，隨著換拱作業面逐漸遠離和拱圈的閉合，作業對沉降和收斂的影響逐漸變小，一個月后基本達到穩定。

5 結語

通過玉園隧道侵限換拱處治，認為采用的初支外側鋼套拱逐段加固，圍巖內部超前小導管注漿固結，隧道初支參數加強，及時施做二襯的處理方案是安全可行的，在施工過程中未出現安全問題，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過程中，根據開挖方法嚴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—時間曲線和位移發展速率—時間曲線

閉成環，改善拱架受力，充分發揮圍巖自承載能力，可以有效減小拱架沉降變形，減小施工安全風險。

在地質條件較復雜的隧道施工中，開挖初期可適當放大預留變形量(后期可根據監控量測數據確定預留變形量)，雖然增大預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用，以及節省了施工工期和設備人員的窩工費用，還是值得的。

加強軟弱圍巖隧道的監控量測，掌握隧道初支變形情況，對可能出現的安全風險進行預報預警防患于未然，同時可把握隧道初支結構所處安全狀態，驗證支護結構效果，確定預留變形量和二襯最佳施做時間，為調整支護參數和施工方法提供依據。

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