大斷面板巖隧道圍巖大變形快速控制施工技術研究

程明前

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 蘇州 215500）

隧道工程圍巖的變形破壞主要包含巖爆、坍塌和大變形三種形式。軟弱圍巖大變形是大斷面隧道變形破壞的主要方式。軟弱圍巖由于其本身的地質特性，一般力學指標低，自穩能力差、巖性松散、承載力差、壓縮性高，遇到有巖隙水的作用時，很容易引起隧道施工時產生較大的收斂沉降變形，造成安全隱患。同時，隧道開挖后地應力重新分布，使隧道周邊產生較大的松動圈，一旦技術方案和施工方法不當，現場控制不到位，極易發生初期支護變形、侵限和隧道塌方等事故。因此，在工程建設中，對可能產生大變形的地段如何快速有效地加固和支護以及如何減少圍巖暴露時間等問題，是山嶺隧道工程建設所要面臨的技術難題。

1 工程背景

中鐵北京工程局集團第一工程有限公司依托蘭海國家高速公路渭源至武都段WW10合同段的各竜隧道施工。各竜隧道橫穿羊圈溝與各竜溝交匯地帶山體，隧道采用分離式設計，其中左線進口里程ZK253+310，出口里程ZK255+795，全長2485m；右線進口里程K253+305，出口里程K255+790，全長2485m。洞身最大埋深約192.4m。隧道進口采用削竹式，出口采用端墻式。隧道采用全射流風機縱向通風，并設有完善的照明、消防及監控系統。隧道進口臨近既有G212國道。各竜隧道圍巖在施工過程中，特別是軟弱圍巖地段，出現不同程度的變形和侵限，較大的變形主要集中在拱肩和拱腳部位，經過現場測量觀察，最大變形處為起拱線以下連接板處，變形量平均為60～80cm，導致起拱線以下連接板處欠1030cm。為了查找圍巖大變形產生的原因，確保后續隧道施工安全經濟。渭武高速10標項目經理部對隧道圍巖大變形進行試驗研究，以此研究提出控制隧道圍巖大變形應對措施。

2 工藝原理與施工流程圖

2.1 工藝原理

首先，利用新奧法施工原理通過鋼花管全環注漿、增設鎖腳錨桿、用I16型鋼加強鋼拱架縱向連接等方式使初期支護能夠形成一個共同受力的封閉承載環，然后利用強撐和臨時仰拱分擔承載環在豎向和水平方向受到壓力，并將圍巖裂隙水進行封閉，通過排水孔進行集中排出，確保對于圍巖大變形的有效控制。鋼花管全環注漿即利用漿液的流動性和黏結性，將隧道周圍一定深度范圍內的、已被擾動了的軟弱圍巖進行有效的黏結加固，如圖1所示。增設鎖腳錨桿，增設多組沿水平面向下45°被強行植入圍巖的鎖腳錨管，利用鎖腳錨管水平和豎向拉應力抵抗鋼拱架豎向和水平變形，加強縱向連接。用I16型鋼取代22的螺紋鋼筋用于鋼拱架的縱向連接，加強鋼拱架的整體性和整體剛度使鋼拱架形成一個整體共同抵抗圍巖變形。

圖1 鋼花管全環注漿

2.2 施工工藝流程

施工工藝流程圖如圖2所示。

3 變形控制技術

3.1 圍巖開挖施工

隧道開挖采用短臺階法施工，上臺階留核心土弧形開挖，上、下斷面間距控制在13～20m，開挖進尺控制在1～2榀拱架。下臺階必須采取左右導坑交錯開挖，每次開挖長度不得大于2榀拱架。嚴格控制超欠挖。

3.2 超前支護及圍巖支護參數

（1）超前支護采用L=3mΦ42×4mm注漿小導管，環向間距350cm，每環37根，漿液采用11純水泥漿（添加5%的水玻璃），注漿壓力為初壓0.5～1MPa，終壓2.0MPa。（2）初期支護鋼拱架采用I20a工字鋼架，縱向間距0.6m/榀，掛單層φ8mm鋼筋網，網孔為15×15cm，噴C25砼厚24cm；錨桿采用L=3.5mΦ42×4mm環向注漿小導管，間距為60cm（縱）×100cm（環）；二襯采用C30鋼筋砼，厚度45cm。（3）隧道爆破開挖出渣、排危以后，進行上臺階鋼拱架的安裝，拱腳兩側采用高強度混凝土墊塊，避免拱腳落在虛渣之上；各節鋼拱架間以高強螺栓連接，連接時采用扭力扳手，保證連接板密貼。拱架安裝完成后，將3-5榀鋼架用I16型鋼縱向在起拱線位置焊接形成“一聯”，借助I16型鋼剛度將3-5榀鋼架組合成一個具有較大剛度的準鋼殼體，上臺階拱架每榀設置6組鎖腳錨管，拱腰處2組，拱腳處設4組。（4）鋼筋網采用全自動網片加工機進行加工，網格尺寸為150mm×150mm，鋼筋網隨受噴巖面起伏鋪設，與受噴面的最大間隙不宜大于30mm；鋼筋網搭接長度不小于24cm，拱架端頭外露網片便于下循環搭接，鋼筋網與拱架縱向連接型鋼或鋼筋牢固，噴射混凝土時不晃動。（5）噴射混凝土采用濕噴工藝進行施工，液體速凝劑應采用環保無堿速凝劑。濕噴混凝土的坍落度控制在80～120mm，噴射混凝土配合比通過試驗確定并滿足設計強度和噴射工藝的要求。（6）下導施工初支時，每榀拱架與上導拱架連接后，在距連接板下50cm位置處設置2組鎖腳錨管，對該處受力薄弱位置進行加強。其他工藝與上導相同。

圖2 工藝流程

3.3 臨時仰拱及臨時支撐

根據監控數據及分析結論，變形速率過大或出現變形數據突變或初支穩定系數小于1，在上臺階增設臨時仰拱及臨時支撐對初支進行臨時強撐。臨時仰拱采用I18型工字鋼縱、橫向連接，水平與初支拱架連接；臨時支撐選用直徑不小于20cm的圓木進行支撐，結構變形多為擠壓變形。當增設臨時仰拱和臨時支撐后，可充分利用強支撐來抑制圍巖水平收斂變形，以達到快速有效地解決圍巖大變形處治問題。待環向注漿加固完成，變形穩定后進行拆除臨時支撐及仰拱。

3.4 環向注漿管施工

根據監控數據，及時施作徑向鋼花管進行全環注漿，充分利用漿液的流動性和黏結性，將隧道周圍一定深度范圍內的、已被擾動了的軟弱圍巖進行有效的黏結加固，使之與初支共同承擔圍巖壓力。鋼花管采用小導管，環向間距1.0m，縱向間距1.2m；漿液采用1∶1純水泥漿（添加8%的水玻璃），注漿壓力為初壓0.5～1MPa，終壓2.0MPa。注漿采用跳孔注漿方式進行注漿，注漿過程中加強監控量測，如發現變形突變，應立即停止注漿，待漿液終凝后，進行二次注漿。對注漿完成后的段落，為避免圍巖滲水無法排出時對加固后圍巖進行浸泡，造成二次變形，在距離上臺階拱腳1.5m的位置打設Φ50mm集中排水孔，間距根據實際圍巖的滲水情況進行布置。

4 結束語

（1）本工藝工法取消了傳統的系統錨桿，將其調整為初期支護施做后利用徑向鋼花管注漿加固圍巖，縮短初期支護施工循環時間的同時也減少了軟弱圍巖暴露時間。（2）本工法降低了隧道圍巖變形造成的初支侵限進行拆換拱風險，加快了施工進度，降低了施工安全風險，也有效地控制了施工成本。（3）本工法除采取常規的監控量測外還采用了圍巖及結構應力自動化采集系統，準確地對結構受力進行分析，對圍巖支護參數及時進行動態調整，同時對變形段落進行變形控制的具體時間以及控制方法做出合理的研判。（4）大斷面軟巖隧道大變形控制與監控施工工法是前期預留預防、后期監控加固相結合的方式，對掌子面施工影響較小，可平行作業，施工進度影響較小，施工質量易于控制。（5）這種控制軟巖大變形的方法在充分考慮了以往隧道開挖手段和技術的前提下，通過對隧道圍巖破碎段進行理論模型探討和現場試驗分析而得出的，該工法有較好的現場實用性。（6）圍巖大變形控制技術。首先，積極施作徑向全環鋼花管，嚴格按照注漿設計參數充分注漿，以此確保能夠加固隧道周圍一定范圍內被擾動的圍巖，減小塑性圈半徑；其次，重視臨時仰拱的作用和支撐部位，利用強撐保證圍巖和結構的穩定，為后續工序的緊跟爭取寶貴時間；最后，注重3-5榀鋼架與縱向型鋼在起拱線位置的焊接工藝以及多組鎖腳錨管施工工藝，充分發揮準鋼殼體的支撐能力和拱腳處人工加固基礎的承載能力，確保軟巖隧道圍巖和結構變形可控，措施得當。