隧道軟弱圍巖拆換拱的施工技術研究

劉小碩

(中鐵十八局隧道工程有限公司,重慶 400700)

在軟弱圍巖隧道施工中，會受到軟弱圍巖破碎程度的影響，因此在施工中既要嚴格按照施工規劃和施工圖紙對圍巖進行處理，也要采用超前地質預報法來采集圍巖的基本信息，全面掌握圍巖的巖性，為后期施工提供數據支持和理論指導。但在初期支護中，拱頂下沉和周邊收斂仍然在進行中，如果情況嚴重會發生變形開裂、塌方等安全事故，此時加固措施已經難以控制變形，需要等圍巖穩定后，再鑿除混凝土和部分圍巖進行拆換拱處理。

一、工程概述

黃家溝隧道工程D1K472+002～D1K471+955段地層巖性為砂質頁巖，青灰色，泥質結構，頁理構造。受田家溝斷層影響，巖體破碎，節理裂隙發育，巖質較軟，礦物成分以黏土礦物、石英等為主，局部含炭質。

設計D1K472+002～D1K471+955段采用IVa2型復合式襯砌，采用I18工字鋼進行支護，臺階法施工。后變更為：D1K472+002～D1K471+990變更為Vb型復合式襯砌，采用I20b工字鋼進行支護；D1K471+990～950段更為Vc型復合式襯砌，采用I22型工字鋼進行支護。

二、超前地質預報

在2018年9月4日，對黃家溝隧道橫洞掌子面D1K471+998開展了TSP超前預報工作。前方100米圍巖預報結論如下：

掌子面前方100m探測范圍中，前40m圍巖和掌子面圍巖強度基本相同，主要為強風化頁巖，節理裂隙較發育，存在裂隙水，自穩定性比較差，由此可判斷圍巖級別為Ⅴ級。后28m與掌子面圍巖相比，圍巖的強度和完整性大幅度降低，主要為強風化頁巖，節理裂隙發育，自穩定性比較差，推斷圍巖級別為Ⅴ級。

三、軟弱圍巖變形情況和變形的原因

（一）軟弱圍巖變形情況

2018年11月13日，測量小組對黃家溝隧道橫洞小里程監控量測點進行監測時，發現D1K471+965斷面水平收斂4.3mm,速率8.6mm/d；D1K471+960斷面水平收斂4.5mm,速率9mm/d，兩個斷面收斂數值超限，產生黃色報警。

11月15日，測量小組對黃家溝隧道橫洞小里程監控量測點進行監測時，發現D1K471+965斷面水平收斂4.1mm,速率8.2mm/d；D1K471+960斷面水平收斂4.2mm,速率8.4mm/d，兩個斷面收斂數值超限，產生黃色報警。根據連續2天收斂變形速率超過限值，現場立即對掌子面進行噴錨封閉，對該變形段線路右側初支采取增加鎖腳錨管、徑向注漿等措施進行加固處理，基本穩定后的斷面圖如圖1所示：

圖1 基本穩定后的斷面圖（cm)

（二）軟弱圍巖變形產生的原因

根據地質勘探報告和施工前的分析，發現導致本次變形發生的主要原因體現在以下幾個方面：

第一，地質因素。黃家溝隧道的圍巖為強風化頁巖，節理裂隙較發育，存在裂隙水，自穩定性比較差，力學特性主要表現為可塑性、膨脹性、崩解性、易擾動性。當開挖支護完成，圍巖自身缺乏穩定性，初期支護需要承受全面的應力。

第二，高偏差壓力。黃家溝隧道穿管山邊，開挖輪廓線左右兩側的高度差超過15m，形成的應力比較大，這點也是引發基巖變形的主要原因之一。

第三，人為因素。本工程施工工期比較短，各項工序緊湊，在安排施工工序時缺乏合理性，對淺埋偏壓軟弱地基圍巖開挖認識度不足。在隧道開挖過程中，仰拱距離掌子面的距離超過40m，二次襯砌到掌子面的距離比較遠，存在一定的不安全因素。

第四，設計因素。在淺埋偏壓段隧道施工中，設計的超支護為超前注漿小導管，并沒有采用更加先進合理的超前管棚，隧道拱架為I22工字鋼，間距為60cm在，需要加大工字鋼并縮短間距，才能提升初期支護的剛度。

四、隧道軟弱圍巖拆換拱的施工技術

（一）徑向注漿

為穩固換拱段圍巖，避免換拱時發生流塌，于拱部144°范圍φ42小導管徑向高壓注漿，注漿導管每根長4.5m，縱、環間距1.5m×1.5m，梅花型布置；注水泥凈漿，水灰比為1:0.8，注漿壓力2.5MPa。提高隧道周邊圍巖的整體性、強度和穩定性，以控制松散薄層狀砂質頁巖下沉和收斂，避免再次出現初期支護發生變形、開裂和初支侵限，防止換拱時發生流塌安全事故。

（二）拆換拱施工順序

第一步，D1K471+955～+962段上臺階拱架。先進行上臺階3節A單元開挖，開挖完成后支立I25a型鋼鋼架，間距控制在0.6m左右，按照40cm預留變形量控制，待上臺階推進3m后，逐榀開挖中臺階B單元，左右兩側錯開進行中臺階落底。

第二步，D1K471+962～+967 段上、中臺階拱架。（1）逐榀開挖上臺階3節A單元，支立I22a型鋼鋼架，間距0.6m，按照40cm預留變形量控制，待上臺階推進3m后，逐榀開挖中臺階B單元，左右兩側錯開進行中臺階落底。（2）待中臺階施工完后，交錯施工左、右側下臺階，支立I22a工字鋼，同步跟進仰拱初支增設鋼架封閉成環施工，初支封閉與下臺階不大于6m。

第三步，D1K471+967～D1K471+002段線路右側中、下臺階拱架。待該段仰拱初襯砌砼施工完成后，對該段線路右側上臺階右側及B單元初支進行拆換，逐榀完成該段的拆換拱作業，施工過程中注意鋼架連接的可靠性，必要時加設墊鋼板進行密貼處理，鋼架連接板處各增加2根φ42鎖腳錨管進行加固。

（三）拆除初期支護混凝土

洞身依次由D1K471+962到掌子面進行換拱，從D1K471+962開始對洞身上臺階混凝土進行拆除，每循環0.6m，采取機械配合人工風鎬的施工方式，深度為53cm，鑿除順序為先拱后墻，拆除至鋼筋網或連接筋混凝土面時，要優先切斷鋼筋網及連接筋，確保全部切斷后方可對剩余混凝土進行鑿除。在拆除噴射砼過程中對既有的鋼筋網及連接筋采用氧氣乙炔進行切割處理，確保不破壞既有拱架受力，拆除后進行擴挖至設計輪廓線，預留沉降量為35cm，擴挖后對巖面進行混凝土初噴，初噴封閉圍巖后再進行初期支護施工，待拱部換拱工序結束之后方可進行邊墻砼拆除及支護工程，原則為先拆除變形較大側然后拆除變形較小側。

（四）鋼架安裝及噴射砼

第一步，D1K471+962～+955初支侵限段落采用I25型鋼，D1K472+962～D1K471+990線路右側侵限段落采用I22a型鋼，D1K472+002～D1K471+990線路右側侵限段落采用I20b型鋼，間距0.6m。

第二步，拱架連接處打設4根4.5m鎖腳錨管，與巖面成35°～45°角打設，與鋼拱架焊接牢固，并壓注1:1水泥漿,鎖腳錨管施做完成后及時復噴混凝土進行封閉；其余工序按照原設計施做。施工進尺為0.6m/循環。

第三步，架立鋼架按照先拱后墻的順序進行，拱腳采用工字鋼進行支墊。重復上述步驟對D1K471+955～D1K472+002段進行換拱，然后進行既有拱架及噴射砼拆除，然后對其擴挖加固，安裝換拱拱架，打設鎖腳錨桿，噴射砼完成初期支護。

第四步，D1K472+002～D1K471+967線路右側侵限段落待仰拱襯砌砼施作完成后進行換拱施工。

（五）侵限處置控制

換拱過程中加強監控量測，測量數據及時整理反饋，根據檢測結果指導施工，避免施工過程中發生危險。施工中遵循“強支護、快封閉、早成環、勤量測”的原則進行變形侵限段施工。換拱每循環為一榀，逐榀進行拆換，嚴禁兩榀同時施作，嚴禁兩側向中間或中間向兩側進行施作。侵限部位必須清除到位，杜絕二次侵限。鎖腳錨管打設牢固，并注意設計所有系統錨桿對拱架的鎖固作用。

（六）監控量測

監控量測采用全站儀觀測，為保證全站儀觀測的精度，在制作量測樁的時候，樁上安裝反射片，同時在施工中注意做好樁點防護，特別是噴射混凝土時不能將樁點覆蓋，埋設樁點在開挖時反光片不能被爆破拋擲物隨時損壞。

1.測點布置

對周邊位移、拱頂下沉的監控量測主要是根據圍巖級別、隧道掌子面開挖方法等因素來確定布置測點的數量和測線的數量；拱頂下沉：每個斷面布置1～3個測點，測點放在拱頂中心或其附近。

2.量測要求

各測點在避免開挖作業破壞測點的前提下，盡可能靠近工作面埋設，一般為0.5～2m，并在下一次開挖前獲得初始讀數。初始讀數應在開挖后12h內讀數，最遲不得超過24h，而且在下一次循環開挖前，必須完成初期變形值讀數。

3.量測頻率

拱頂下沉量測與凈空水平收斂量測用相同的量測頻率，從表中根據變形速度和離開挖工作面距離選擇較高的一個量測頻率。監控項目量測方法及量測頻率如表1所示。

表1 監控項目量測方法及量測頻率表

為做好隧道施工監控量測，成立專門監控量測小組，并針對監控量測的內容，制定嚴密的監控量測計劃，并將監測資料匯總、分析，并及時上報。

五、結束語

綜上所述，本文結合工程實例，研究了隧道軟弱圍巖拆換拱的施工技術。研究結果表明，通過上述方法來處理軟弱圍巖變形事故，可有效減少變形收斂對拆換拱施工的影響，確保了施工的安全性，此外在后續施工中，也實現了對圍巖的預判和加固，取得了良好的施工效果，為今后軟弱圍巖地質隧道施工變形控制積累了成功的經驗，值得類似工程大力參考和借鑒。