不同地質條件下的隧道初支換拱施工技術及應用

■黃俊平

(福建省交通建設工程監理咨詢有限公司，福州 350001)

初支換拱是隧道工程中最為常見的情形。由于復雜地質條件以及一些不可預測的外部因素，如氣候等條件，致使隧道初期支護后的變形量較大，達到或超過了其預留值，縮小了二襯空間，嚴重影響支護體與圍巖共支體系的穩定性。因此，在變形侵限的條件下，為了確保足夠的二襯空間，需要破壞初支受力體系，使圍巖的壓力得到一定程度的釋放再進行支護施工，即換拱施工。換拱的施工難度大，且有較大的潛在風險。因此，在不同的復雜地質條件下，需考慮不同的方法和措施來保證換拱的施工安全及質量。為此，以新塘隧道換拱施工為例，結合已有的研究和換拱施工經驗，探討幾種不同地質條件下隧道的換拱施工工藝。

1 隧道換拱的地質條件類型

由于我國各種復雜地質條件，很多隧道工程因為初支變形過大，需要進行換拱處理，以保證足夠的二襯空間。結合已有的研究和施工經驗，總結幾種比較常見的幾種復雜地質條件下的換拱施工工藝，從而為本次新塘隧道換拱施工提供有效的參考。

1.1 軟巖地質

軟巖，除了強度低的特性外，還有許多其他特點，如在一定條件下發生顯著的塑性變形等。對于隧道施工主要位于地表淺層，因此本文體積的軟巖，主要針對節理性軟巖。即巖體的節理比較發育，在一定的地質條件下極易發生顯著的塑性變形，巖體自承能力較低，在加上地表水和裂隙水的影響，巖體的自承能力進一步降低。對于這種巖體中的隧道換拱施工，在已有的換拱監測監控體系下，很多研究者根據具體條件提出不同的施工方案。

李崇威等人[1]闡述了風化強烈和裂隙發育的V級圍巖(BQ≤250)的特性，側重分析隧道初支變形的原因，提出合理的換拱施工過程及控制方法，成功完成了換拱施工。馬志國[2]分析了裂隙發育以及強風化的V級圍巖的特性，結合工程實例針對淺埋公路隧道的換拱提出可行的實施方案，實現隧道工程的安全換拱。周大鵬等人[3]等人在詳細勘察隧道V級圍巖的變形后，通過及時合理的處理變形段位以及塌方地段，及時制定相關的決策方案，從而完成對圍巖變形區段的換拱處理。秦海東等人[4]也討論了軟巖隧道初支換拱的施工技術。通過以上對軟巖隧道初支換拱的施工技術闡述，軟巖隧道初支換拱施工技術的總結如下：

(1)結合施工現場地質條件，分析初支變形的主要原因；

(2)提供完整的換拱監控測量體系，為換拱施工提供可靠的工藝參數；

(3)制定合理的換拱施工方案，針對軟巖隧道而言，主要的工藝過程如圖1所示。

1.2 黃土地質

圖1 工藝流程圖

基于黃土的特殊性質，一些工程人員對黃土隧道的換拱處理作了響應的研究和闡述[5-7]。對于在含黃土的地質條件下進行隧道換拱處理，其整個工藝流程與圖1相近。其主要區別在于黃土的特殊性質不同，在換拱處理前需深入分析其侵限原因，以及地下水的發育情況，做好防水排水處理工作。其次是注漿環節的差異，由于黃土松散且雨水易膨脹軟化。因此，在注漿前需要測試黃土的一些相關性質，以確定注漿管管長和注漿壓力的控制。為了防止注漿過程中水對黃土的軟化，需在注漿漿液中添加速凝劑-水玻璃，以加快漿體凝固起到良好的固結作用。詳細的工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

1.3 高應力地質

高應力因素是影響巖土工程地質工程的一個關鍵因素，對于淺部隧道的圍巖體而言，其高應力狀態與深部巖體的靜水壓力狀態有所不同。淺部地應力是以構造應力為主，即水平應力一般大于垂直應力。因此，如果最大水平主應力的方向與隧道軸線方向的夾角偏大時，則嚴重影響隧道的穩定性。因此對于高應力隧道變形換拱施工的工藝討論，主要是針對高應力條件下破碎巖體的加固作用，即是對換拱前進行加固圍巖，時期穩定后在進行作業。賀冠軍等人[8]在研究高應力隧道的換拱施工時，著重強調對換拱出的圍巖進行加固處理，使其確保穩定后在進行換拱作業。趙華[9]在應對高應力隧道換拱時，也強調首先觀測變形或垮塌狀況，然后進行注漿加固處理，并嚴格控制注漿加固的相關參數，以確保圍巖體的穩定后在進行換拱作業。

(4)偏應力地質

在隧道的開挖支護過程中，嚴重的偏壓現象也會導致隧道出現嚴重的變形，甚至產生橫向裂縫和錯臺。因此，對于因偏壓導致的初支侵限，需進行換拱處理的隧道工程，李明耿[10]在研究中作了詳細的介紹，其主要是對偏壓的位置進行減壓加固處理。然后按照設計的換拱施工工藝進行施工。

根據以上對不同地質類型隧道換拱施工的論述，隧道初支換拱總體思路基本是一致的，其不同點是在于對隧道變形的處理方式以及對不同地質條件下圍巖的加固方式。因此，借鑒已有的成功經驗對永杭高速A1標新塘隧道進口左洞ZK17+914～ZK17+944.4段初支部分侵限的位置進行初支拆換施工。

2 工程概況

2.1 水文地質情況

該換拱段距離洞口71m，洞頂覆蓋層約30m，主要為坡積粉質粘土、殘積粘性土及全風化變粒巖，未見破碎帶、節理密集帶、滑坡、崩塌等不良地質發育，無地表水系經過，地下水主要為基巖裂隙水及構造裂隙水。圍巖巖性主要為全風變粒巖，以軟巖為主，風化劇烈、無自穩能力、巖體以砂土狀結構為主、手捏易碎；圍巖水理性差，遇水易軟化、崩解、坍塌；地下水較發育，以滲滴狀-線流狀出水為主。

2.2 原設計與設計變更

原設計新塘隧道左洞ZK17+858～ZK18+156段設計為Ⅴ級圍巖，ZK17+858～ZK17+888支護型式為ZDK-1，初期支護為工20b鋼支撐，間距0.6m/榀，二襯厚度55cm，采用鋼筋混凝土結構；ZK17+888～ZK18+023支護型式為Z5-1，初期支護為工18鋼支撐，間距0.5 m/榀，二襯厚度45cm，采用鋼筋混凝土結構。

因圍巖性質較差，故經現場勘查確認后，自ZK17+898位置開始，初期支護變更為：初期支護Φ25中空注漿錨桿變更為注漿小導管 (Φ50×5 mm)，施工輔助措施由F2-1變更為F2-5，鎖腳砂漿錨桿變更為注漿小導管(Φ50×5 mm)；初期支護工 18 鋼支撐、間距 0.5m/榀保持不變。并每10m進行一次圍巖追蹤確認，直至追蹤至ZK18+023恢復原設計支護型式。

2.3 初支侵限分析

2017年11月中上旬連續降雨天氣較多，11月14日突降暴雨，監控量測發現15日當天ZK17+911位置沉降量達-10.1mm，經檢查該位置洞頂山體出現多條橫向裂縫，延伸長度達30m，寬度達3～7cm，深度達1m。當即下達了停工指令停止掌子面掘進，經現場勘查后，決定進行小導管注漿加強，并持續監測沉降變形。經監測發現未施工仰拱段變形量扔在持續，完成仰拱段變形趨于穩定，且因掌子面圍巖性質較差、上臺階拱腳位置受水浸泡更加受力不足，故經再次討論，在變形段加強持續觀測的同時，掌子面繼續向前開挖，仰拱向前推進，盡快將初支封閉成環。

2017年11月28日中午，ZK17+936～ZK17+937段右側壁中臺階開挖準備架立鋼拱架時發生土體小塌方，長度約1.5m，高約3m，深度約1.5m，當即停工進行了反壓回填。受此影響，ZK17+915～ZK17+940段中、下臺階連接位置變形加大，見明顯“鼓包”，經現場勘查后，決定對該段連接板位置上下各增設一排注漿小導管，并牢焊于拱架上。至2018年1月準備進行二襯施工前，項目部采用激光斷面儀對該段初支斷面進行了全面掃描，發現ZK17+914～ZK17+944.4段內已多處侵限超過設計及規范限值，左側侵限5～28 cm，右側變形較大，其中ZK17+929～ZK17+937段右側侵限達到 33～50 cm，故需對ZK17+914～ZK17+944.4段初支進行換拱處理，支護型式為Z5-1，初期支護為工18鋼支撐，間距0.5 m/榀，二襯厚度45 cm，采用鋼筋混凝土結構。另檢查發現，ZK17+892～ZK17+914段已施作二襯段拱頂中線偏右側約2 m位置出現一條縱向裂縫，延伸長度約22 m，寬度約2 mm。經現場勘查后決定，沿裂縫位置布設蓋玻片監測裂縫擴展情況。

截至2018年5月9日，掌子面已施工至ZK18+113.5位置，ZK17+944.4～ZK17+992段二襯已施工，掌子面圍巖為Ⅴ級，巖性主要為碎塊狀強風化變粒巖，以軟巖-較硬巖為主，巖體呈碎裂狀、裂隙狀結構，地下水較發育、以滲滴狀、線流狀為主。換拱段落監控量測變形已趨于穩定，監測點布置如圖3所示。原二襯開裂位置未發展、未出現新增裂縫，具備換拱作業條件。

圖3 新塘隧道進口周邊位移測點布置圖

3 換拱施工方案

3.1 總體思路

換拱作業要注重施工安全，換拱作業期間掌子面開挖暫停、噴混封閉，總體思路是“先加固、后拆換”“跳四挖二”，其次換拱后，欠挖一次處理到位，防止換拱完成后出現二次侵限。

3.2 變形開裂段初支斷面超欠挖檢查

(1)測量組對初支變形地段每榀拱架進行斷面凈空檢查，繪出超欠挖斷面圖；

(2)測量組根據技術交底在現場用油漆標出換拱的起止里程、部位，方便現場換拱施工。

3.3 換拱施工流程

換拱段兩端先施作二次襯砌，確認換拱段落初期支護封閉、完成仰拱及仰拱填充施作、變形收斂穩定→施作臨時支撐→換拱地段徑向注漿→注漿效果檢測→換拱部位施作超前小導管→施作保留初支 (上側)端頭鎖腳導管→分單元鑿除侵限段初期支護→開挖并安裝型鋼鋼架→噴射混凝土→下一循環處理。換拱施工工藝流程如圖4所示。

圖4 換拱施工工藝流程圖

(1)施作徑向小導管

因初支施工過程中超前小導管已進行注漿處理，故換拱實施過程中需根據開挖情況及監控量測情況，有針對性地進行注漿處理。初步注漿段落為ZK17+927～ZK17+935段。

首先對該段初期支護打設L=5m、Φ50mm注漿小導管，沿隧道拱墻周壁進行圍巖徑向注漿加固。注漿鋼管間距為 1m(環向)×1m(縱向)。 注漿采用 1∶1 水泥漿，采用 P.042.5普通硅酸鹽水泥，，注漿壓力1.2～1.4MPa，具體注漿壓力根據施工過程中圍巖變化、注漿情況適當調整。注漿前要對注漿設備及壓力表進行檢驗，每次注漿前要確保壓力表歸零，安排專人觀察注漿壓力值。待漿液凝固后，結合凈空測量數據，變形穩定后方可進行換拱處理。換拱前進行注漿效果效果檢查評定：檢查孔數量為鉆孔數量的3%～5%，且不小于3個。

①檢查孔法：通過檢查孔進行觀察，檢查孔應成孔完整，涌水量應小于0.2L/(m·min)；

②檢查孔取芯法：檢查孔取芯率應達到70%以上，并觀察漿液在地層空隙中的充填和膠結情況，以了解漿液擴散范圍和評價注漿效果。

(2)拆除初期支護混凝土

拆除時首先采用風鎬對初支混凝土分塊破除，然后拱部(含拱腳)人工風稿配合機械方式拆除，氣割割除原拱架及拱架連接筋，確保不破壞既有拱架受力。原初支拆除后人工與機械相結合擴挖至要求輪廓，重新支護預留變形量調整為15cm，擴挖后對巖面進行混凝土初噴。

初支拆換施工過程中，派專人加強安全防護、監控量測，發現異常情況立即采取應急措施并上報。

4 監控量測

施工中的監控量測是施工安全的保障，隧道換拱地段將監控量測作為工序引入作業循環，測量后及時處理量測數據，并與工程類比法相結合，及時作出評價，優化欠挖段初期支護參數，實施動態管理。隧道換拱地段監控量測每隔2 m進行布點監測，并建立測量臺賬，同一斷面上、中、下導各設置兩測點用于圍巖收斂量測，拱頂設置一沉降觀測點。監控量測工作由項目部測量小組及同濟大學監測小組共同監測，進一步了解和觀察欠挖段換拱時圍巖動態發展情況。正常情況下監測頻次2次/d，出現預警時，及時與項目部工程部聯系，必要時增加監測頻次。

5 結論

本文從四種不同的地質類型討論隧道初支換拱施工方法。其主要從初支變形監測分析入手，強調初支變形監測分析和初支圍巖加固的重要性。在對不同地質條件下隧道初支換拱過程中，其主要的不同體現在初支變形的原因和圍巖體加固的方式不同。因此在對新塘隧道制定換拱方案時，主要從初支變形分析和變形圍巖的注漿加固兩個方面進行詳細闡述，為該隧道換拱施工提供有力的參考。同時，該方案的實施完工后，工程質量安全滿足設計要求和相關的質量標準，為其他隧道工程處理同類事件提供可靠經驗參考。