磨萬鐵路炭質板巖大變形隧道初期支護侵限換拱技術

孫強

摘 要：針對中老鐵路普亞村二號隧道施工期間初期支護大變形問題，詳細分析了大變形產生的原因，提出了鋼花管徑向注漿加固圍巖、未侵限段打設鎖腳錨管加固拱架以及仰拱開挖、初支、二襯和仰拱填充完成后再進行拱架拆換。給出了詳細的換拱施工工藝及其要求和安全措施，確保了換拱期間的施工安全。總結了磨萬鐵路炭質板巖大變形隧初期支護侵限換拱施工方法，為我國隧道技術走出國門服務“一帶一路”國家戰略提供了技術支持。

關鍵詞：磨萬鐵路;碳質板巖大變形隧道;初期支護;大變形;侵限;換拱

中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A

0 前言

在我國西部地區修建鐵路中遇到了大量的炭質板巖隧道，因圍巖破碎特別是地下水作用下炭質板巖隧道施工初期支護變形大，導致初期支護開裂、侵限甚至塌方事故，嚴重威脅到現場施工人員及其設備的安全，隧道工程質量問題凸顯及其處理繁瑣，施工工期嚴重滯后，大幅增加了工程造價和運營維護工作量。

炭質板巖鐵路隧道施工中初支大變形多，如蘭渝鐵路29座高地應力軟巖隧道施工中有近4 km長出現了初期支護侵限，需要拆換鋼架，給現場施工安全和工期影響極大，張民慶等人提出了“高地應力軟巖隧道釋放-約束平衡法”的加強初支、強化鎖腳、及時閉合以及注漿加固圍巖和增設套拱動態補強控制變形技術[1]。本文結合中老鐵路普亞村二號隧道大變形主要講述了炭質板巖大變形隧道初期支護侵限換拱技術。

1 普亞村二號隧道大變形特點及其原因

1.1 普亞村二號隧道概況

新建磨丁至萬象段第Ⅳ標段普亞村二號隧道位于相嫩站～班普亞區間，設計行車速度為160 km/h，為單線鐵路隧道。隧道進口里程DK191+155，出口里程DK195+390，全長4 235 m，最大埋深約345 m。地質以炭質板巖為主，呈黑色和薄層狀、巖質較軟，巖層節理裂隙發育，節理面雜亂無章，構造面平整光滑，圍巖穩定性極差，巖體破碎，有機物含量較高，用手易掰碎。施工期間現場局部有線狀出水，出現不間斷掉塊現象，圍巖整體性及自穩性極差，導致圍巖軟化以及受區域地質構造的作用明顯。

1.2 初支大變形特點

普亞村二號隧道2020年5月13日至7月23日施工期間橫洞大里程及出口現場監測數據顯示初期支護變形如下：

（1）DK194+039-033段線路右側初期支護局部發生局部侵限變形，侵限4.6 cm;DK194+090～+030段初支監控量測持續紅色黃色預警。DK194+085處監控量測，最大日收斂43.17 mm，累計收斂482.62 mm，日均收斂11.48 mm，拱頂累計沉降31.50 mm。

DK193+810～+820段、DK193+840～+868段初支監控量測持續紅色黃色預警。DK193+810處監控量測，最大日收斂23.61 mm，累計收斂159.55 mm，日均收斂4.99 mm，拱頂累計沉降105.3 mm。DK193+840處監控量測，最大日收斂26.93 mm，累計收斂125.11 mm，日均收斂6.94 mm，拱頂累計沉降39.6 mm。

（2）DK194+085段水平收斂累計值為482.62 mm，拱頂沉降累計值為31.50 mm。

（3）DK194+090段水平收斂累計值為439.37 mm，拱頂沉降累計值為32.90 mm。

（4）DK193+820段水平收斂累計值為115.49 mm，拱頂沉降累計值為40.4 mm。

（5）DK193+840段水平收斂累計值為125.11 mm，拱頂沉降累計值為39.60 mm。

普亞村二號隧道橫洞大里程及出口段初期支護變形破壞，其大變形的特點如下：

（1）最大的拱頂沉降累計值為58.0 mm，而最大水平收斂累計值為482.62 mm。

（2）水平收斂比拱頂沉降大10～20倍左右，相差一個數量級，即初期支護的變形以水平收斂為主。

（3）按設計要求，初期支護的拱頂下沉預留變形量僅為60 mm，監測所得拱頂下沉均未侵限。

（4）而水平收斂的預留值為100 mm，監測所得的水平收斂最小值為115.49 mm，表明均侵限。

（5）經檢測該段侵限量值為63mm～466 mm，需要對初期支護進行換拱處理。

1.3 初支侵限原因

普亞村二號隧道初期支護大變形的原因如下：施工開挖揭示及現場察看，該段洞身揭示巖性以板巖為主，灰、深灰色，局部為炭質板巖，薄層狀，質軟，層厚0.1 cm～5 cm不等。巖層走向與線路小角度相交，傾向線路右側，傾角30°～50°不等，受區域構造影響，層間擠壓現象明顯，產狀有扭曲，層間可見灰白色方解石脈充填。隧道開挖后圍巖應力重新分布，原有的巖體平衡狀態遭到破壞，同時巖性以薄層狀的軟質巖為主，層間結合力差，隧道開挖后圍巖易沿周邊出現松動圈，整體穩定性變差，易松動掉塊，開挖輪廓難以控制，造成鋼架無法與圍巖密貼等因素造成圍巖松動圈進一步加大，洞周荷載增大，致使初期支護難以長時間抵抗圍巖壓力而產生變形。

隧道開挖改變了地下水徑流方向，洞內圍巖剛開挖時，掌子面潮濕，局部僅有滲水，初支完成后地下水向隧周匯集，水量由滲水發展為滴水、小股狀水，逐漸變大，薄層狀板巖及炭質板巖遇水軟化，進一步降低了層間結合力，圍巖自穩性變差，洞周圍巖壓力增大，致使初期支護變形，局部侵限。

2 換拱技術要求及工藝流程

2.1 換拱技術要求

換拱作業要注重施工安全，換拱前先對變形侵限段換拱部位采用φ42鋼花管注漿加固圍巖，對未侵限拱架節段增加鎖腳錨管加固，待此段仰拱及仰拱填充完成后，再進行拱架拆換，拱架拆換遵循先上后下、一次一榀的原則進行處理。其次，換拱欠挖一次處理到位，并及時施作二襯，防止換拱完成后仍然出現初支二次侵入二襯凈空。

2.2 換拱工藝流程

換拱工藝流程為：監控量測變形收斂穩定→換拱地段徑向注漿→注漿效果檢測→對未侵限初支拱架節段增加鎖腳錨管→分榀鑿除侵限段初期支護→開挖并安裝型鋼鋼架→噴射凝土→循環拆換下一榀拱架。

3 安全快速換拱技術

3.1 徑向注漿及拱架鎖腳

為了換拱作業的安全，換拱之前先進行徑向注漿加固圍巖，同時對隧道不侵限段拱架加多排設鎖腳鋼花管。鎖腳錨管采用φ42鋼管（壁厚3.5 mm），每節點2根、每根長4.5 m。鋼花管徑向注漿參數如下：

（1）注漿范圍為線路兩側邊墻及拱部開挖輪廓線范圍內。

（2）DK193+840～+868段、DK194+090～+030段線路右側拱部及邊墻變形侵限部位采用縱環向間距0.8 m*0.8 m。

（3）注漿管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長4.5 m，孔口管應埋設牢固，并有良好的止漿措施。

（4）鋼花管四周按間距15 cm呈梅花形設置6 mm～8 mm注漿孔，鋼花管尾部50 cm不鉆孔作為止漿段。

（5）注漿材料采用水泥漿（水灰比0.8～1：1），注漿壓力0.5 MPa～1.0 MPa，注漿量按加固體積5%進行控制。

注漿效果檢查與評定如下：

（1）檢查孔數量為鉆孔數量的3%～5%，且不小于3個。

（2）通過檢查孔進行觀察，檢查孔應成孔完整，涌水量應小于0.2 L/（m.min）。

（3）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。

3.2 快速換拱

徑向注漿加固和鎖腳錨桿施工完成后報監理工程師確認合格后方可進行換拱作業，其詳細步驟如下：

（1）逐榀切除分割需換拱的該榀初期支護混凝土及鋼筋網片防止對不鑿除部分混凝土有損傷。

（2）人工手持風鎬分段鑿除剝離拱架節段的噴射混凝土，拆除拱架節段連接板處的連接螺栓。

（3）每榀拱架拆除后，測量檢查開挖尺寸是否滿足要求，滿足要求后及時對開挖面采用噴射C25混凝土封閉，再行按原設計設計參數施作初期支護。

（4）噴射砼之前再次檢查尺寸是否正確，確保不造成二次處理。

（5）噴射砼完成后重復以上步驟對下一榀鋼架進行拱架拆除、安裝。

（6）隧道換拱地段監控量測每隔2 m進行布點監測，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，測量后及時處理量測數據，及時作出評價，優化欠挖段初期支護參數，實施動態管理。

（7）對原設計襯砌斷面，為了控制大變形加強了支護參數，均加大襯砌斷面曲率施工，由Ⅳa襯砌結構調整為Ⅴ級加強（調整曲率）。不同襯砌斷面支護參數列于表1中。

3.3 換拱作業安全措施

（1）換拱期間應加強監控量測，加強監測頻率，當總變形值超過10 cm或變形大于2 cm/天時，立即停止換拱作業，必須采用I18鋼架施作斜撐或以抑制變形，必要時二次徑向注漿加固。（2）必須在臨近無侵入二襯襯砌混凝土段達到強度后才開始拆除施工。（3）換拱作業前，必須對拱墻進行注漿加固處理。 （4）換拱前應量測斷面輪廓，并與設計斷面輪廓對比，確定換拱范圍，嚴禁因操作失誤造成誤換拱或二次換拱。（5）換拱前應核實監控量測，當沉降及凈空收斂穩定后方可進行換拱作業。 （6）換拱前應先進行隧底開挖、仰拱及填充施作。初期支護封閉成環，仰拱及填充施作形成對隧底周邊巖體的反壓。（7）拆除拱架時要隨時注意圍巖情況，如發現圍巖破碎及掉塊現象，應立即停止拆除，用噴射混凝土封閉拆除面后再次進行徑向注漿加固，以穩固圍巖。（8）拆換拱架時，拆完一個單元或一榀鋼拱架后，應立即安裝新的拱架上去，待全環初期支護完成后，才可進行下一榀鋼拱架的拆除置換工作。（9）換拱時嚴禁一次拆除兩榀及兩榀以上鋼架，每次拆除一榀，待新鋼架閉合，且噴射混凝土達到一定強度時后方可拆除下一榀鋼架。（10）嚴格按設計弧度要求加工鋼架，確保換拱后初期支護封閉成環。（11）換拱時應設有專人負責觀測圍巖變化情況，如有異常應立即哨聲通知施工人員撤離或采取加固措施。（12）施工前做好技術交底及應急救援預案，保證應急救援物資。

3.4 換拱效果

DK194+090～+030段換拱完成后，最大收斂0.2 mm/d，監控量測數據趨于穩定。

4 結束語

針對中老鐵路普亞村二號隧道DK193+810～+820、DK193+840～+868段、DK194+090～+030段施工期間初期支護水平收斂位移累計最大值達到了482.62 mm、水平收斂比拱頂沉降大10～20倍左右、侵限量值為63 mm～466 mm這一大變形特點，經分析因隧道開挖后圍巖應力重新分布造成圍巖松動圈進一步加大、炭質板巖遇水軟化導致了初期支護大變形。提出了拱墻鋼花管徑向注漿加固圍巖、未侵限段打設鎖腳錨管加固拱架以及仰拱開挖、初支、二襯和仰拱填充完成后再進行拱架拆換，拱架拆換遵循先上后下、一次一榀、換拱欠挖一次到位、及時施作二襯的原則，并將原設計的襯砌斷面加大曲率，增加了預留變形量，防止換拱后二次侵限，建立了“磨萬鐵路炭質板巖大變形隧道初期支護侵限換拱技術”，確保了隧道施工安全，為圓滿完成隧道施工任務提供了“技術保障”。

參考文獻：

[1]張民慶，黃鴻健，何志軍，等.高地應力軟巖隧道釋放-約束平衡法控制變形技術[J].鐵道工程學報，2013，30（03）：50-57+76.

[2]中國水電建設集團國際工程有限公司第Ⅳ標項目經理部，楠名河大橋2#、3#水中墩鋼圍堰專項施工方案[Z].2019.