太佳高速井兒溝隧道病害治理

葉龍

(中鐵隧道集團(tuán)三處，廣東深圳518000)

1 隧道初期支護(hù)變形過程

太原至佳縣高速公路井兒溝隧道在開挖過程中于2009年6月18日下午16時左右，在進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)時發(fā)現(xiàn)掌子面ZK30+119處土體含水量較大，初期支護(hù)突然變形;至16時40分掌子面段初期支護(hù)變形越來越嚴(yán)重，靠掌子面約30 m地段初期支護(hù)下沉非常明顯，下沉約40 cm，在拱頂部形成一個明顯的錯臺。對ZK30+119～+138.2段斷面進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)ZK30+119處拱頂下沉48.7 cm，ZK30+123.0處拱頂下沉44.6 cm，ZK30+138.2處拱頂下沉11.6 cm，于是對隧道制訂了臨時支撐方案。

2009年8月6日上午，現(xiàn)場施工人員發(fā)現(xiàn)井兒溝隧道右線YK30+081～+132段初期支護(hù)噴混凝土表面局部存在細(xì)微裂縫，且裂縫有發(fā)展跡象;ZK30+119～+300段地表線路右側(cè)有長短不一的縱向裂縫(寬3 cm)，裂縫平面詳見圖1。于是立即停止了掌子面開挖施工，并在該段增加臨時支撐和鎖腳注漿錨管施工。

圖1 隧道地表裂縫分布

通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示:隧道停止開挖進(jìn)行加強(qiáng)臨時支撐后左右洞初期支護(hù)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，最后測量結(jié)果ZK30+150～+200、YK30+085～+114段局部侵入二次襯砌凈空，ZK30+119～+150段全斷面侵入凈空。

2 變形原因分析

經(jīng)過對隧道初期支護(hù)變形、地表裂縫分布及隧道地層情況進(jìn)行了分析，隧道病害形成有以下幾個原因:(1)ZK30+119～+200段洞頂埋深淺，最淺處埋深8m，ZK30+119處地表為一自然沖溝，沖溝及兩側(cè)坡面陡峭，有明顯的地形偏壓(圖2);(2)隧道洞身起拱線以上均為黃土，黃土具有濕陷性，起拱線以下為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，泥巖遇水易軟化;(3)ZK30+119.3處洞頂有一黃土陷穴，陷穴4×5m，深度5 m，詳見圖3。6月16日、6月18日兩次強(qiáng)降雨，大量雨水通過裂縫及黃土陷穴滲透至隧道周邊，使土體變?yōu)樗軤睿馏w失去自穩(wěn)能力，泥巖軟化失去自穩(wěn)，初支荷載急速加大，且隧道周邊的應(yīng)力不對稱，導(dǎo)致初支快速開裂、變形;(4)經(jīng)超前地質(zhì)預(yù)報探明隧道左線ZK30+125～+170段開挖面以下8 m位置存在空洞，空洞沿隧道縱向距離大致24 m，深度范圍大致10 m左右，空洞大小沿隧道橫向向右洞方向逐漸減小，隧道左線出口初支變形是由于洞底存在空洞減弱了拱腳地基承載力，同時下大雨、洞頂覆蓋層較薄且具有濕陷性及地表地形偏壓等多重作用增加了隧道初支負(fù)荷，從而導(dǎo)致初支變形。

圖2 隧道橫斷面圖

圖3 隧道頂黃土陷穴

3 工程治理措施

3.1 初期支護(hù)變形段處理情況

(1)左右洞已完成洞內(nèi)臨時支撐;

(2)已完成ZK30+150～+200段全斷面、ZK30+119～+150段上斷面、YK30+081～+114段上斷面拱腳往上2.5m范圍內(nèi)的注漿;

(3)ZK29+950～ZK30+070段洞頂卸載已完成。

3.2 病害治理總施工步驟

右線待洞內(nèi)注漿完成后，恢復(fù)掌子面開挖，同時開始換拱施工，仰拱、二次襯砌緊跟;左線待洞頂處理完成后，開始洞內(nèi)注漿，再開始換拱施工，仰拱、二次襯砌緊跟，換拱施工完畢后恢復(fù)掌子面開挖，主要工序施工步驟見圖4。

圖4 主要工序施工步驟

3.3 病害治理施工方法

3.3.1 右洞施工(YK30+081～+114)

施工順序為:(1)為防止洞內(nèi)繼續(xù)變形，將變形段進(jìn)行臨時支撐，同時加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測;(2)待變形穩(wěn)定后，開始進(jìn)行該段上斷面徑向注漿;(3)注漿完畢后，拆除洞內(nèi)臨時支撐;(4)恢復(fù)掌子面開挖;(5)超前支護(hù)施工;(6)進(jìn)行上斷面拱架替換;(7)開挖下斷面及初期支護(hù);(8)下斷面徑向注漿;(9)仰拱、二襯緊跟，及時封閉成環(huán)。各工序施工方法如下。

3.3.1.1 洞內(nèi)臨時支撐

采用工字鋼、圓木進(jìn)行臨時支撐，由洞口向掌子面方向施作臨時支撐。每榀拱架采用I20a工字鋼作為橫向支撐，工字鋼間縱向采用φ22螺紋鋼連接，間距1 m。每榀拱架采用5根φ20 cm圓木作為豎向扇形支撐，圓木上端頂在初支工字鋼上，下端立在橫向支撐上，并下墊5×20×100 cm(厚×寬×長)木板。每榀拱架兩側(cè)各增加2根鎖腳注漿鋼管(φ42)，長4 m。

3.3.1.2 變形監(jiān)控

每5 m布設(shè)監(jiān)控點，派專人采用精密水準(zhǔn)儀、水平收斂儀進(jìn)行水平收斂及拱頂下沉觀測，每天觀測2次，待初支變形穩(wěn)定后進(jìn)行注漿處理。

3.3.1.3 洞內(nèi)變形段上斷面徑向注漿

為了對隧道周邊已松散的土體進(jìn)行固結(jié)，將變形段采用徑向小導(dǎo)管注漿處理，設(shè)計參數(shù)為:

(1)上斷面兩側(cè)圓心上2.5 m范圍:采用φ42鋼花管，長4.5 m，間距75 cm×50 cm(縱向×環(huán)向)，呈梅花型布置;注漿采用雙液注漿，水泥漿水灰比0.8，緩凝劑為磷酸氫二鈉，摻量為水泥量的0.5%～2%，雙液漿配比為水泥漿:水玻璃=1∶1;終壓1.2 MPa，持壓5 min后停止注漿，或單孔注漿量達(dá)到0.35 m3后停止注漿，本段注漿已施工完成。

(2)上斷面拱部:采用φ42鋼花管，長5 m，間距100 cm×100 cm，呈梅花型布置;注漿漿液采用M30純水泥漿，水灰比1∶1，施工時根據(jù)現(xiàn)場實際情況加入水玻璃作為早強(qiáng)劑;終壓1.2 MPa，持壓5 min后停止注漿，或單孔注漿量達(dá)到0.14 m3后停止注漿。

(3)上斷面兩側(cè)圓心上2.5 m范圍注漿施工工藝與之相同。

3.3.1.4 拆除臨時支撐

注漿完畢后，從外向內(nèi)逐步拆除臨時支撐，同時加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測，變形處于穩(wěn)定狀態(tài)后恢復(fù)掌子面開挖，若監(jiān)測數(shù)據(jù)異常則制訂相應(yīng)的處理方案。

3.3.1.5 拱架替換及下斷面施工

為確保施工安全，以10 m作為1個施工區(qū)段，循環(huán)進(jìn)行施工。嚴(yán)格按以下步驟進(jìn)行:(1)超前支護(hù)采用φ42超前注漿小導(dǎo)管，長5 m，環(huán)向間距40 cm，外插角10°～15°，沿拱頂120°范圍布置，每4榀拱架布置1環(huán)，注漿漿液采用純水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力終壓為2.5 MPa，持壓時間10 min;(2)測量人員將變形段斷面按每榀拱架進(jìn)行測量，確定需替換的拱架范圍，并做好標(biāo)記和書面交底資料;(3)臨時支護(hù)拱架替換前采用Ⅰ20b型鋼拱架施工臨時仰拱，拱架縱向間距50 cm，拱架與初期支護(hù)連接牢固，同時采用沙袋對上臺階進(jìn)行反壓回填，沙袋回填高度為距拱頂1 m位置;(4)上斷面拱架替換根據(jù)測量結(jié)果對侵限的拱架從外向內(nèi)逐榀進(jìn)行替換。初期支護(hù)采用破碎錘鑿除，風(fēng)鎬和人工修整至設(shè)計斷面，替換的拱架采用Ⅰ20b工字鋼，在洞外制作，洞內(nèi)安裝，拱腳兩側(cè)各設(shè)置3根φ42鎖腳注漿鋼管，長4 m;(5)上斷面初期支護(hù)掛雙層φ8鋼筋網(wǎng)，間距20×20 cm，拱架連接筋采用φ22鋼筋焊接在工字鋼翼緣內(nèi)側(cè)，環(huán)向間距1 m，噴射混凝土采用26 cm厚C25早強(qiáng)混凝土;(6)上斷面換拱完成后，開挖下斷面左側(cè)，開挖進(jìn)尺1.5 m，臨時中壁墻采用Ⅰ20b型鋼，與臨時仰拱及主洞仰拱連接牢固，初期支護(hù)與上斷面初期支護(hù)相同。仰拱初期支護(hù)采用Ⅰ18型鋼拱架，噴C25早強(qiáng)混凝土厚24 cm，連接筋采用φ22鋼筋，間距1 m;(7)下斷面右側(cè)施工與下斷面左側(cè)施工相同，距左側(cè)下斷面掌子面5 m。

3.3.1.6 下斷面注漿緊跟施工面

施工參數(shù)及工藝與上斷面拱部相同。

3.3.1.7 下斷面左右側(cè)均注漿完畢后(步距控制在5 m內(nèi))，拆除臨時仰拱及中壁墻，為仰拱和二襯施工提供工作面。

3.3.1.8 施工仰拱、回填混凝土

及時封閉，二襯緊跟初期支護(hù)，距離初期支護(hù)封閉長度不超過10 m。

3.3.2 左洞施工(ZK30+119～+200)

左洞施工順序為:(1)洞內(nèi)臨時支撐;(2)洞頂?shù)乇硖幚?(3)洞頂?shù)乇碜{;(4)徑向注漿;(5)拆除臨時支撐;(6)拱架替換;(7)下斷面開挖及初期支護(hù);(8)下斷面徑向注漿;(9)仰拱及時封閉，二襯緊跟;(10)恢復(fù)掌子面開挖。各工序施工方法如下。

3.3.2.1 與右洞臨時支撐施工相同

ZK30+119～+200段兩側(cè)各增加5根φ42鎖腳注漿鋼管(拱腳部2根，起拱線處3根)，長4 m。

3.3.2.2 洞頂?shù)乇硖幚?/p>

(1)在ZK30+050～+175段拱頂?shù)乇碇苓呅藿ㄒ画h(huán)形截水溝，防止地表水匯入陷穴及滲入地表裂縫;(2)ZK30+119～+150段拱頂?shù)乇砼_階修整成順坡，并將地表夯實，防止地表水下滲;(3)將地表裂縫進(jìn)行灰土回填處理，防止地表水通過裂縫往下滲透;(4)采用人工將陷穴周邊擴(kuò)大50 cm挖開，由底部向地表采用灰土分層回填。

3.3.2.3 洞頂?shù)乇碜{

在隧道左線ZK30+110～+160段中線左右側(cè)各20 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿施工，注漿孔底至隧道拱腳;隧道左線中線右側(cè)20 m采用φ7.5 cm的PVC管，隧道左線中線左側(cè)20 m采用φ5.0 cm壁厚4 mm的鋼花管，間距1.5 m×1.5 m，呈梅花型布置;注漿材料采用M30水泥砂漿，水灰比1∶1，注漿壓力1～2 MPa，終壓2 MPa，持壓5 min后停止注漿，注漿量以實際量為準(zhǔn)。

3.3.2.4 徑向注漿

ZK30+150～+200段全斷面、ZK30+119～+150段上斷面徑向注漿。設(shè)計參數(shù):采用φ42鋼花管，長4.5 m，間距75 cm×50 cm(縱向×環(huán)向)，呈梅花型布置;注漿采用雙液注漿，水泥漿水灰比0.8，緩凝劑為磷酸氫二鈉，參量為水泥量的0.5%～2%，雙液漿配比為水泥漿∶水玻璃=1∶1;終壓1.2 MPa，持壓5 min后停止注漿，或單孔注漿量達(dá)到0.35 m3后停止注漿，與右洞徑向注漿施工工藝相同。

3.3.2.5 拆除臨時支撐

注漿完畢后，從外向內(nèi)逐步拆除臨時支撐，同時加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測，變形處于穩(wěn)定狀態(tài)后開始進(jìn)行洞內(nèi)超前支護(hù)施工。

3.3.2.6 拱架替換

對ZK30+150～+200以10m作為1個施工區(qū)段，循環(huán)進(jìn)行施工和拱架替換，施工同右線施工方法。

3.3.2.7 ZK30+119～+150下斷面開挖及初期支護(hù)、下斷面徑向注漿、仰拱及時封閉二襯緊跟、恢復(fù)掌子面開挖施工參數(shù)及施工方法同右線，只是由于該段全斷面侵限，施工時預(yù)留變形量增加20 cm。

3.3.3 左洞采空區(qū)的處理

(1)待仰拱封閉成環(huán)后，處理前先進(jìn)行采空區(qū)有害氣體的檢測和排放。先在采空區(qū)范圍內(nèi)采用潛孔鉆進(jìn)行鉆孔，孔徑φ90 mm，間距5 m×5 m，深度10 m，洞內(nèi)鉆孔處安設(shè)氣體檢測儀和瓦斯檢測儀，派專人進(jìn)行監(jiān)控，并做好檢測記錄，同時加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，將有害氣體及時排出洞外，待采空區(qū)有害氣體排放完畢后，開始進(jìn)行采空區(qū)的處理。

(2)采空區(qū)處理。ZK30+125～+170段仰拱采用注漿處理，注漿參數(shù):采用φ50鋼花管，長10 m，間距100 cm×100 cm，呈梅花型布置;注漿漿液采用M30純水泥漿，水灰比1∶1，施工時根據(jù)現(xiàn)場實際情況加入水玻璃作為早強(qiáng)劑;注漿壓力1～2 MPa，終壓2 MPa，持壓5 min后停止注漿。

3.3.4 恢復(fù)掌子面開挖后的施工

(1)預(yù)留變形量增加至20 cm;

(2)采用Ⅴ級圍巖土質(zhì)淺埋段支護(hù)參數(shù)組織施工;

(3)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，設(shè)置臨時仰拱，開挖進(jìn)尺控制在每循環(huán)1.2 m;

(4)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測，反饋信息，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法。

4 結(jié)論

通過分析井兒溝隧道開挖病害形成主要原因，工程治理措施從洞內(nèi)臨時支撐、洞頂?shù)乇硖幚怼⒍错數(shù)乇碜{、徑向注漿、拆除臨時支撐、拱架替換、恢復(fù)掌子面開挖等方面進(jìn)行具體處理，以確保隧道病害治理及施工安全，實踐證明病害治理措施正確、效果良好。