特大涌水隧道初支換拱技術探討

王廷璐

(四川路航建設工程有限責任公司,四川 成都 610045)

1 工程概況

飛仙關特長隧道C7合同段位于四川省雅安市天全縣姜家壩村,是雅康高速公路的控制性工程,起止樁號K19+702～K24+658,全長4 956 m,C7合同段為出口段,樁號K22+800～K24+658。隧址區屬構造剝蝕中低山地貌,隧道穿越紅層區,地層巖性復雜,其中K23+708～K23+715段主要以為弱風化粉砂巖、細砂巖夾薄層泥巖為主,原設計III級圍巖,初支采用格柵鋼架,間距1.2 m,C20噴混凝土15 cm,設計預留變形量5 cm,開挖后發現巖體較為破碎且伴有局部滲水,用I16型鋼拱架替換格柵鋼架,間距1.2 m,臺階法開挖。

2 初支破壞原因

右洞掌子面上臺階施工至 K23+708時,從左側拱腳和側壁發生涌突水,隧道底部產生瞬時高壓,造成地板巖體隆起,掌子面坍塌,初支臺車嚴重擠壓變形,隧道涌水量峰值達15萬～16萬m3/d；經過三個月左右時間后,涌水逐漸衰減穩定至4萬m3/d,掌子面附近7 m范圍內可見噴射混凝土開裂掉塊,鋼拱架扭曲變形,拱頂偏右側部位初支嚴重侵線,最大值20～30 cm。

為防止圍巖在持續涌水的情況下繼續加劇變形破壞,以免對支護系統造成更大危害,急需盡快更換受損拱架并加固圍巖,恢復隧道施工作業面,保證作業人員安全,進行下一步的開挖掘進。

3 施工難度

換拱是一種可靠且較為徹底的隧道病害處置措施,缺點是工程費用高,勞動強度大,受復雜地層影響而施工要求精細化,施工難度大進度慢,尤其是采用爆破拆除舊襯砌時,對圍巖擾動大,易引起塌方事故。

在研究右洞掌子面換拱方案時,面臨嚴峻的施工作業環境,臨近掌子面幾榀拱架呈懸空狀,僅靠已受損的施工臺車支撐,底板洞渣掩埋處的持續涌水仍高達4萬余m3/d,底板洞渣掩體以及受損臺車起到反壓回填作用,不能貿然清理掌子面,沒有合適的工作面，人工拆除鋼架作業風險巨大,一旦出現初支坍塌,極易發生安全事故。

因此,如何在持續涌水的情況下安全、有效地拆換受損的初支拱架,是施工中需要解決的難點。

4 換拱施工方案

4.1 拆換原則

拆換應當按照“先加固,后拆換,緊封閉,防涌水,勤量測,保安全”的原則進行。對于經過高壓涌水破壞的圍巖及初支,掌子面周圍巖體含水量大,底板巖體松軟破碎,圍巖自撐能力及初期支護系統的支撐力已被大大削弱,第一步應當預先加固松散的圍巖體、堵截和引排拱頂及拱腰的富水體,待圍巖二次應力分布穩定后,再采用弱爆破結合人工切割對原襯砌進行更換。

4.2 施工工藝

4.2.1 臨時鋼支撐加固

1)在隧道發生涌突水災害后,涌水點的應力突變會引起整個幾十米范圍內圍巖應力重分布,臨時鋼支撐(見圖1)可以對掌子面附近初支起到應急性加固作用,緩解初支壓力,為而后的處置提供時間。

圖1 臨時鋼支撐

2)移動新的初支臺車至距離掌子面7 m左右(K23+715)位置,以該部位為基點施作I18鋼架作為臨時支撐,并逐步向大里程推進,為加強鋼支撐加固效果,間距縮小至80 cm,縱向連接筋焊接牢固,拱腰部位鋼架兩側用3.5 m鎖腳錨桿加固,并噴混凝土直至拱架背部與原初支面完全貼合,并保證鋼支撐落地受力。

4.2.2 注漿加固

采用3.5 m長Φ42注漿小導管對K23+715～K23+744臨時鋼支撐段進行注漿加固,小導管間距為1 m×1 m(環向×縱向),呈梅花形布置,針對涌水情況,選用了水泥水玻璃雙液漿,這種漿液克服了單液水泥漿的凝結時間長且難以控制、高流水情況下固結率低等缺點,提高了水泥注漿的效果,使該范圍內的巖體膠結,形成一個承載拱減小巖層對襯砌的荷載。

4.2.3 管棚加固

1)針對現場作業條件, K23+715至K23+708段初支被嚴重破壞,且該段底板洞渣堆積過多,大股水源持續從拱底滲出,流速湍急,小導管注漿明顯已不能滿足對破損段以及掌子面前方加固的要求,分析后采用超前管棚注漿加固(見圖2)結合排水的方式更為穩妥。

圖2 管棚加固

2)長管棚可以形成梁拱效應,以掌子面前方圍巖支撐和后方圍巖支撐為支點,形成一種環繞隧洞輪廓的殼狀結構,可有效抑制圍巖松動和垮塌,水泥水玻璃雙液漿經管壁孔大量壓入圍巖裂隙中,固結松散巖體,同時截斷水流并疏導至拱腰管口處排出,管棚形成的梁式結構也可以吸收減小爆破產生的沖擊力,即使管棚失穩,其破壞也較緩慢,可以減小換拱時可能產生的坍塌危害。

3)施工時采用Φ127鋼管,單根打入30 m,拱腰至拱頂打入共計57根,然后注漿封管,兩側拱腰位置4～5根鋼管在打入后有水流出,右側水流湍急,推斷為圍巖上層高壓裂隙水,鋼管留作排水通道,施工時需提高警惕。

4.2.4 拆換鋼架

拆換前應對加固措施的效果進行評估,確認安全可靠才能進行拆除作業,對原損毀臺車進行人工切割拆離現場。對現場情況分析后認為,原初支采用的I16型鋼拱架,間距1.2 m已不能滿足涌水后圍巖的支護要求,置換新拱架的型號以及安裝間距需承受更高的荷載,故而采用I20型鋼拱架間距40 cm,拆一榀換兩榀的方式,初支臺車在移動時遵循邊拆換邊移動,切忌一次性挖除底板洞渣。鋼架拆換流程見圖3。

圖3 鋼架拆換流程圖

1)弱爆破開槽：確認注漿達到一定強度后,移動初支臺車至作業面,人工用風鎬、鑿刀、電焊割斷鋼架連接鋼筋及單元連接螺栓,在鋼架兩側采用預裂爆破方式,遵循“多打眼,少放藥,弱爆破”原則,開挖出沿縱向約30 cm的槽。

2)機械配合人工拆除鋼架：采用挖掘機結合人工風鎬分單元拆除鋼架,對部分已脫離圍巖面的單元,直接用改裝挖掘機挖除；尚未與圍巖面結合緊密的單元,不宜用挖掘機強行外拉,先采用人工風鎬破碎結合面,再配合挖掘機拆除(見圖4)。

3)擴挖工作面：清除槽內剩余的連接鋼筋、錨桿,人工用風鎬破除噴射混凝土,并及時清理鋼筋網,修整欠挖巖體,擴槽至60 cm以便立架嵌拱。

4)嵌入鋼拱架：按設計要求,采用兩榀I20型鋼拱架嵌入凹槽,設置Φ20縱向連接筋環向間距1 m,鋼架與縱向連接鋼筋采用焊接,有效焊縫高度不小于10 mm,在拱架背側緊貼圍巖布置Φ8鋼筋網,網孔20 cm×20 cm,單根拱架打入4根3 m長Φ42鎖腳小導管加固,鋼管與鋼架之間采用Φ22鋼筋焊接牢固,穩定圍巖與拱架結構(見圖5)。

圖4 拆除鋼架、清槽擴挖

圖5 立架

5)噴漿支護：采用C20噴射混凝土及時封閉拱架,對鋼架與圍巖結合面必須噴填密實,對于右側拱腳涌水處,并埋設波紋管疏導引流,有大量出水邊角可多打入小導管排水減壓,但必須保證鋼架落地,與圍巖底部結合緊密,必要時加密鎖腳錨桿并焊接鋼筋加固。

6)病害段處理：拆換施工作業持續至臨近掌子面發現其中拱腰右側臨近的兩榀未換拱架已懸空,已完全損毀(見圖6),有垮塌隱患,當晚清理淤渣時,上拱頂呈環形塌方,拱頂處未換拱架已完全垮塌,拱頂形成自然環形斷面,并未過多形成大面積坍方,可認定原拱架已于拱頂圍巖斷開,圍巖應力充分釋放,右側拱頂管棚露出,肉眼可見未受損,此時左側有部分拱架還未掉落,為防止對已換段初支的牽引式破壞,采用挖掘機對破損鋼架試拉,順利拉出已斷裂拱架,拱頂左側圍巖情況量好,巖體完整性好、硬度大,右側有部分破碎圍巖,結合面差,右側拱腰位置鉆孔及管棚預留排水鋼管涌水量增大,掌子面底部有水滲出,待圍巖穩定后,回填反壓核心土,變為三臺階法施工,初噴穩定圍巖,上臺階立架I20@40 cm,雙層Φ8鋼筋網,對于拱頂坍腔,采用洞渣回填并注漿加固。

圖6 損毀的初支

4.2.5 監控量測

拱架更換完成后,由專職測量人員每天對換拱段進行跟蹤測量(測量結果見圖7),通過對拱頂下沉、周邊收斂以及洞外地表下沉的測量數據整理分析得出,經過換拱后的初支已基本穩定,日均下沉速率小于0.1 mm/d,變形趨于收斂。

時間/d

5 拱架拆換注意事項

1)初支拱架拆換作業是極大的危險源,要面臨可能的塌方、二次涌突水等,現場施工人員和安全人員必須時刻提高警惕,做好應急救援措施,工人穿著救生衣,就近設置逃生通道。

2)在拆除損毀初支臺車時,人工切割作業靠近掌子面,安全人員應注意拱頂變化,當有明顯圍巖松動掉渣時,指揮作業人員及時撤離現場。

3)初支臺車移動時,注意清理洞渣往底板中間反壓回填,對于掌子面中部以上涌水進行改道,盡量不影響排水、方便施工為原則。

4)每日需加強對臨時鋼支撐的觀察,有無扭曲變形情況。

5)必須在圍巖注漿穩定之后才能施作拆除作業,有水地段需壓注雙液漿。

6)開槽的深度應符合設計要求,結合圍巖情況,預留好變形量。

7)一次只能拆一榀鋼拱架,切忌大范圍爆破拆除造成塌方。

6 結 語

在地質情況復雜的四川西部地區,極易發生涌突水、突泥、巖溶塌陷、瓦斯、巖爆等地質災害,雅康高速C7合同段飛仙關特長隧道發生了罕見的特大涌突水,對施工安全造成極大影響,涌水后掌子面坍塌,臨近初支均有不同程度的下沉變形甚至損毀,對于損毀以及變形量侵線的初支系統,更換拱架是有效的處治措施。

在整個處理過程中,超前加固、拱架置換是兩個關鍵技術,而對于尚在持續涌水的隧道,利用管棚超前注漿加固的技術對換拱施工起到了關鍵性保護作用,加強監控量測,把握隧道信息化施工。經過各單位的通力協作完成了這次搶險任務,飛仙關特長隧道換拱處治的步驟合理、效果顯著,為后續的隧道開挖掘進提供了寶貴經驗。

[ID:009559]