V級(jí)圍巖隧道圍巖變形換拱施工技術(shù)初探

馬志國(guó)

(四川川交路橋有限責(zé)任公司隧道分公司 四川 廣漢 618300)

V級(jí)圍巖隧道圍巖變形換拱施工技術(shù)初探

馬志國(guó)

(四川川交路橋有限責(zé)任公司隧道分公司 四川 廣漢 618300)

V級(jí)圍巖的性質(zhì)極差，會(huì)給隧道施工帶來極大的困難，如果初期支護(hù)侵限或初支承載能力下降就需要換拱，以保證隧道和人員施工安全。本文簡(jiǎn)要探討了V級(jí)圍巖隧道的變形換拱施工技術(shù)，總結(jié)了一些換拱控制點(diǎn)，以供參考。

V級(jí)圍巖；換拱；侵限；初支

國(guó)家規(guī)范中將隧道圍巖劃分為六個(gè)等級(jí)，V級(jí)圍巖的圍巖性質(zhì)極差，對(duì)于隧道施工來說，對(duì)安全距離、技術(shù)要求以及質(zhì)量要求很高，否則就會(huì)由于偏壓或是地應(yīng)力等的作用出現(xiàn)大范圍位移或是沉降，進(jìn)而導(dǎo)致初支變形乃至初支侵限，因此需要對(duì)該類圍巖條件下變形換拱技術(shù)予以深入研究。

一、概述

V級(jí)圍巖主要為全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化圍巖，屬于軟弱圍巖。一般巖質(zhì)軟弱、承載力低、結(jié)構(gòu)破碎節(jié)理裂隙發(fā)育的圍巖被稱為軟弱圍巖。這種性質(zhì)的圍巖，粘結(jié)力差，巖體松散破碎，強(qiáng)度低，遇水容易軟化，結(jié)構(gòu)面軟弱容易產(chǎn)生塌方。如果是深埋隧道則會(huì)在高地應(yīng)力作用下發(fā)生變形，而淺埋大斷面隧道中，同樣容易出現(xiàn)偏壓導(dǎo)致變形，支護(hù)難度大，稍有不慎就可能發(fā)生垮塌事故。

對(duì)于V級(jí)圍巖來說，會(huì)給隧道施工帶來極大困難，工序也很復(fù)雜，需要考慮施工方法、初期支護(hù)強(qiáng)度、及時(shí)封閉措施、快速跟進(jìn)的二襯、變形監(jiān)測(cè)控制以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等等。換拱則是處理初支變形以及侵限的有效手段。如果在開挖過程中支護(hù)變形過大，初期支護(hù)承載能力失效或是發(fā)生侵限就需要換拱。換拱難度很大，存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎就可能出現(xiàn)安全事故。如合寧鐵路亭子山2號(hào)隧道拱部初期支護(hù)侵限部位換拱作業(yè)時(shí)發(fā)生局部塌方，5名工人遇難。又如武廣客專高嶺隧道進(jìn)口掌子面后方30米發(fā)生急劇變形，停止開挖進(jìn)行加固，但變形無法控制，隨后采取二次襯砌，鋼管扇形支撐等措施，依然無法控制變形，最終發(fā)生坍塌事故，形成15m長(zhǎng)10m寬陷坑。由此可知變形換拱施工十分重要而且難度大，因此十分有必要分享一些變形換拱的成功經(jīng)驗(yàn)。

二、變形換拱施工技術(shù)

（一）工程概況

某淺埋公路隧道標(biāo)段809m，V級(jí)圍巖，為強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化安山巖。該段圍巖破碎、完整性差，強(qiáng)度低，且富水，極易軟化分解。在開挖過程中初期支護(hù)變形大，沉降范圍11.94cm～72.5cm,沉降量嚴(yán)重超限無法進(jìn)行二次襯砌加固。為保證安全，采取加固圍巖并換拱的專項(xiàng)施工方案來處理，使用工字鋼架臨時(shí)加固初期支護(hù)，注漿加固圍巖，然后拆換初支。

（二）換拱施工

首先，針對(duì)本工程來說，對(duì)圍巖的監(jiān)控管理，分為兩個(gè)部分，包括洞內(nèi)監(jiān)控以及地表沉降監(jiān)控。地表沉降監(jiān)測(cè)方面，于換拱前按10m縱向間距，5m橫向間距布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)位，靠近隧道中線位置則適當(dāng)加密點(diǎn)位。中線監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)小于隧道開挖寬度和埋深的總和。洞內(nèi)監(jiān)控方面則是在臨時(shí)護(hù)拱上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，5～10m保證有一個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)，建立臺(tái)賬，監(jiān)測(cè)頻次為一天一次。同時(shí)根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)形成時(shí)間——斷面收斂曲線圖；時(shí)間——拱頂沉降曲線圖。由此依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷隧道穩(wěn)定性。

其次，必須做好換拱前的準(zhǔn)備工作。一方面提前加工好鋼支撐以及換拱臺(tái)架。首個(gè)鋼支撐加工出來后，必須預(yù)先組裝測(cè)試其性能，保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求后才能開始批量生產(chǎn)。而本工程拼裝誤差要求±3cm內(nèi)，平面翹曲2cm以內(nèi)，變形量預(yù)留10～15cm。另一方面，應(yīng)當(dāng)事先技術(shù)交底，交底內(nèi)容包括施工情況，加固方案，拆換方案，施工工藝、監(jiān)控量測(cè)以及安全防護(hù)措施（包括防護(hù)用具、用電安全、爆破安全），目的是要保證最終換拱時(shí)安全順利進(jìn)行。另外，換拱前應(yīng)對(duì)變形段拱架進(jìn)行斷面檢查，繪制超挖或欠挖斷面圖。根據(jù)結(jié)果，將變形段范圍內(nèi)需要更換的拱架準(zhǔn)確、清晰地標(biāo)示出來，然后根據(jù)斷面圖研究確定每段換拱部位。并由此確定各個(gè)部位的針對(duì)性換拱方案，然后測(cè)量組跟進(jìn)確定換拱部位，方便換拱方案的實(shí)施。

再次，換拱前臨時(shí)加固初期支護(hù)，對(duì)侵限段使用鋼支撐加固。一方面，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，擬用扇形支撐方案，間距控制在臨時(shí)護(hù)拱每?jī)砷摴凹茉O(shè)一環(huán)；斜向用鋼板焊接并鍥緊支撐，接頭處用工字鋼并用鋼筋焊接牢固。保證各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)、支點(diǎn)牢固可靠，施工時(shí)根據(jù)變形情況調(diào)整拱架，必要時(shí)可加大布置密度。另一方面注漿加固圍巖，針對(duì)本文工程采用全斷面4.5m小導(dǎo)管徑向帷幕注漿加固。當(dāng)洞內(nèi)臨時(shí)支撐架設(shè)完成后，開始注漿加固，使用直徑42mm，4mm厚熱軋無縫鋼管，長(zhǎng)度4.5m，向初支背后圍巖注漿。使用梅花形布置注漿孔，環(huán)向間距100cm，縱向120cm。管口必須埋設(shè)牢固，同時(shí)應(yīng)制定止?jié){措施。漿液為雙液漿（水泥——水玻璃），用風(fēng)機(jī)鉆鉆孔，確保鉆孔標(biāo)準(zhǔn)。注漿時(shí)壓力0.5～1.5MPa。同時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)注漿量注漿，到達(dá)1.5MPa壓力時(shí)保持該壓力至少10分鐘，并保證注漿量大于80%。注漿完成后應(yīng)打檢測(cè)孔（深度4m），如果觀察檢查孔內(nèi)只滴水且滲水小于2L/d，達(dá)到1.5MPa單軸抗壓強(qiáng)度則注漿達(dá)到效果，否則必須補(bǔ)注。而檢查孔則在使用后必須完全封堵。

第四，拆除初支。當(dāng)臨時(shí)加固支撐措施完成，且效果理想，變形穩(wěn)定的情況下進(jìn)入拆除初支環(huán)節(jié)。拆除時(shí)分單元將超限初支拆除，然后按小里程到大里程的順序逐步拆換，局部按先上后下，先墻后拱的順序拆換，拆一段，立即支護(hù)一段。拆除方式盡量避免人工拆除和機(jī)械拆除，因?yàn)楹芏嗨淼拦芾碚邔?duì)換拱存在一定的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)——既然V級(jí)圍巖變形大，肯定就很脆弱，應(yīng)當(dāng)盡量減少擾動(dòng)，他們認(rèn)為爆破擾動(dòng)最大，所以嚴(yán)謹(jǐn)爆破，要采取人工或機(jī)械的方式拆除。V級(jí)圍巖脆弱，必須減少擾動(dòng)顯然是正確的，但爆破擾動(dòng)最大卻不一定正確，如果控制爆速在一個(gè)合理范圍內(nèi)，爆破就是安全的，因此有條件可做好爆破試驗(yàn)，盡量使用爆破拆除。而本工程則采用風(fēng)鎬和液壓破碎機(jī)來拆除。

第五，鋼支撐架設(shè)。應(yīng)當(dāng)先清理拱腳雜物和虛渣，有超挖則噴射混凝土回填，混凝土強(qiáng)度視情況而定，本工程采用C25混凝土。架設(shè)時(shí)嚴(yán)格控制誤差（高程、橫向均不能大于±5cm，垂直度不能大于±2°）。換拱作業(yè)面前由人工組裝鋼支撐，使用螺栓連接并三面滿焊。用混凝土楔子沿著鋼支撐外緣間隔2m臨時(shí)楔緊。鋼支撐必須落在實(shí)地上，同時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行鎖腳鋼管施工，要保證閉合成環(huán)。

第六，更換拱架時(shí)，要保證支護(hù)形式前后一致，但需要根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整拱架縱向間距。本工程從60cm（設(shè)計(jì)間距）變更為50cm的間距，預(yù)留變形量10～15cm。初期支護(hù)凈空即可有效保證。換拱后必須及時(shí)噴射混凝土。拆換長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到兩個(gè)襯砌臺(tái)車長(zhǎng)度時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行防水及鋼筋工程，完成二襯混凝土澆筑。在初支變形較嚴(yán)重段落，可以拆換一模二襯長(zhǎng)度后，及時(shí)澆筑二襯混凝土，混凝土達(dá)到后設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后，臺(tái)車后退繼續(xù)進(jìn)行換拱作業(yè)，這樣可以避免初支二次侵限的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)必須設(shè)專人進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的變化情況來確定監(jiān)控量測(cè)頻次，一般不少于2次。如果有異常必須立刻停止施工，進(jìn)一步調(diào)整加固支護(hù)方案，然后逐級(jí)報(bào)批。

（三）控制點(diǎn)

換拱實(shí)則是侵限處理，在換拱前必須保證結(jié)構(gòu)安全，采取臨時(shí)加固支撐措施，保證人員安全。換拱必須保證臨時(shí)支撐和注漿加固達(dá)到理想效果方可實(shí)施，必須嚴(yán)格遵循換拱工藝流程逐榀拆換，必須保證侵限部位清理到位，防止出現(xiàn)二次侵限。鎖腳（錨桿）必須牢固，同時(shí)要注意設(shè)計(jì)錨桿的鎖固效力，并且換拱完成后必須及時(shí)封閉成環(huán)。

結(jié)束語(yǔ)：

V級(jí)圍巖隧道極易發(fā)生變形，導(dǎo)致初支占據(jù)預(yù)留變形量并侵入二襯范圍，此時(shí)就需要換拱，保證支護(hù)性能，防止變形擴(kuò)大產(chǎn)生安全事故。而換拱施工本身工序復(fù)雜，且安全隱患較大，必須在換拱前做好充分的準(zhǔn)備工作，以保證人員安全為第一原則，超前支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)、控制開挖進(jìn)尺、做好防水、早襯砌、早封閉、勤測(cè)量，預(yù)防并控制隧道變形，防止出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故，保證隧道施工的順利進(jìn)行。

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[2]劉加敏.仰拱閉合距離對(duì)軟弱圍巖隧道施工變形控制研究[J].洛陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,04∶43-46+95.

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1007-6344（2017）01-0037-01