大坪正洞右線雙根H175型鋼臨時橫支撐施工技術

吳發展,何開進

(1.中鐵隧道集團二處有限公司, 河北 三河 065201;2.中鐵隧道股份有限公司, 河南 鄭州 450001)

我國西部隧道施工過程中的高地應力軟巖變形問題,致使隧道的支護措施應考慮地應力釋放與支護的平衡,使其既有足夠阻力限制圍巖塑性區的發展,又有一定的可讓性適應圍巖的變形[1]。當總變形量超過正常施工預留變形量,就必須拆換初期支護,這不僅影響施工進度,還造成較大的施工安全隱患,危及人員及設備安全。肖廣智[2]通過煤礦行業及部分鐵路隧道施工實踐,研究主動控制圍巖技術,避免大變形的發生。葉康慨[3]為解決極高地應力作用下的隧道大變形問題,應用圍巖徑向注漿加固等措施,對擠壓變形開裂的襯砌予以拆除,重做施作二次襯砌。徐松[4]研究了薄層狀炭質泥巖夾砂巖隧道產生的大變形問題,采用工字鋼、管棚和長鎖腳,增加縱向型鋼支護及全環徑向注漿加固等措施,有效控制了圍巖變形。目前控制軟巖變形的措施中,采用臨時橫支撐者較少,本文以木寨嶺隧道大坪正洞控制大變形實例,介紹雙根H175型鋼臨時橫支撐施工技術。

1 工程概況

新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處,起于漳縣大草灘鄉酒店子村漳河西岸,止于岷縣梅川鎮素子溝內楊家臺村。木寨嶺隧道設計為雙洞單線分離式特長隧道,隧道全長為19 050 m,木寨嶺隧道洞身穿越木寨嶺高山區,最大埋深約715 m,最小埋深約30 m。主要以二疊系下統的板巖為主,砂巖及炭質板巖多呈互層或夾層分布,隧道通過地段主要存在褶皺、斷層、高地應力、地溫等不良地質體[5],實測隧道水平地應力最大為27.16 MPa ,其巖石強度應力比為0.49,處于極高地應力狀態[1]。地下水屬弱富水和中等富水,木寨嶺隧道在設計階段經風險評定為極高風險隧道,施工難度大，風險性高,是本標段控制性重難點工程。

2 原設計及變更情況

2.1 原設計支護參數

木寨嶺隧道大坪斜井正洞右線蘭州方向DyK178+040～DyK178+020段原設計為Ⅳ級圍巖,炭質板巖,節理發育,巖體較破碎。主要支護參數為：拱墻噴射混凝土C25厚230 mm；拱墻設Φ6鋼筋網,網格間距200 mm×200 mm；拱部采用Φ22中空錨桿,邊墻采用Φ22砂漿錨桿,錨桿長3.0 m,環縱向間距1.2 m×1.2 m。襯砌采用C30混凝土,厚度為400 mm。

2.2 變更調整后支護參數

現場開挖揭示木寨嶺隧道大坪斜井正洞右線蘭州方向DyK178+040～DyK178+020段圍巖以二疊系下統板巖為主,局部夾有炭質板巖,板巖和炭質板巖為變余泥質結構,巖層走向與洞軸線大角度斜交,受地質構造影響嚴重,節理發育很明顯,巖體破碎—極破碎,呈片狀、碎石狀散體結構,石質極軟,下臺階有少量滲水,綜合判定為Ⅴ級圍巖(圖1)。

圖1 右線蘭州方向掌子面DyK178+035圍巖

變更為Ⅴ級圍巖的支護參數為：斷面曲率采用Ⅴ級軟巖襯砌斷面,開挖預留變形量300 mm；拱部120°范圍設Φ42超前注漿小導管,長3.5 m,環向間距0.3 m,縱向間距1環/1.8 m。全環噴C30混凝土,厚度300 mm；全環設H175型鋼鋼架,間距為1榀/0.6 m；取消拱部組合中空錨桿,拱墻采用Φ22砂漿錨桿,錨桿長4.5 m,間距1.0 m×1.0 m,砂漿錨桿可作為鋼架鎖固錨桿進行位置調整；拱部范圍設置Φ8雙層鋼筋網片,邊墻范圍設置Φ8單層鋼筋網片,網格間距200 mm×200 mm；拱墻增設徑向注漿,采用Φ42小導管,長度為4.0 m,間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。

3 現場變形情況

DyK178+040～DyK178+020段裂隙水發育,拱部大面積線狀滴水,圍巖極其破碎,用手捏成粉末狀。另外,中、下臺階落底接長時,也對拱架的受力產生不利影響；加上仰供及拱墻襯砌距開挖面較遠,導致該段自施工以來,變形量一直較大(圖2),開挖過程中圍巖極不穩定,支護變形明顯,出現初期支護侵限,二次襯砌開裂現象[6],因變形導致拱部及邊墻多處出現噴混凝土面開裂、掉塊,鋼架扭曲變形等現象,平均收斂變形速率達58 mm/d,存在一定的安全隱患。

圖2 DyK178+040～DyK178+020段初支變形

4 變形后采取的加固措施

以二疊系下統板巖為主的圍巖,施工時變形相對較大,變形難以控制,局部有坍塌,最終通過注漿、臨時支撐等措施來控制變形的繼續發展[7]。

4.1 徑向注漿

DyK178+040～DyK178+030段累計凈空收斂變形值達到200 mm時,對該段采取拱部和邊墻范圍徑向注漿加固圍巖,改良地層,提高圍巖的整體性,阻止地下水的滲入,加強初支與圍巖的連接[8]。注漿采用Φ42普通焊管,長4.0 m,間距1.2 m×1.2 m,梅花形布置。注漿管前端加工成錐形,另一端焊上鐵箍,在距鐵箍端1.0 m處開始鉆孔,鉆孔沿管壁間隔100～200 mm呈梅花形布設,孔位互成90°,孔徑8 mm。注漿采用水泥單液漿,水灰比1∶1,注漿時從下排至上排依次進行。注漿壓力控制在0.5～0.8 MPa之間,當壓力達到終壓值后穩壓2 min暫停注漿,對實際注漿量和設計注漿量進行比較,偏差10%時可停止對該孔注漿。

施工中對量測數據及時進行分析和反饋,當變形量達到總量的60%或累計凈空收斂變形值超過200 mm時,采取拱部和邊墻徑向注漿加固。

4.2 橫支撐加固

DyK178+040～DyK178+030段累計凈空收斂變形值達到350 mm且仍沒有收斂趨勢時,為保證支護結構安全,對該段采取了臨時橫支撐加固措施[6],為初支仰拱施作提供安全保證。受開挖面的約束,圍巖不能立即釋放全部彈性位移的現象稱為“空間效應”,在空間效應范圍內采取緊跟開挖面支護的施工方法,以提高圍巖的穩定性,適時支護,約束空間,采用臨時橫支撐對隧道開挖斷面實施快速封閉,以實現“快挖、快支、快封閉”地控制圍巖變形[9]。

起初在DyK178+040～DyK178+035段采用Φ200鋼管橫向支撐,安裝位置為上臺階拱腳處,鋼管縱向間距同現有拱架間距。在DyK178+035～DyK178+030段采用單根H175型鋼橫向支撐,與工字鋼相比,H型鋼翼緣較寬,可明顯提高鋼架承載力和抗扭性能,能使鋼材更好地發揮效能[10]。在安裝后的一個星期內,通過監控量測數據反映DyK178+040～DyK178+030段變形仍持續增長，見表1,該段大部分Φ200鋼管橫支撐因變形發生彎曲(圖3),單根H175型鋼橫支撐不能有效抵抗變形(圖4)。

表1 DyK178+040～DyK178+030變形段量測數據(單根H175型鋼橫支撐)

圖3 DyK178+040～DyK178+035段鋼管橫支撐彎曲

圖4 DyK178+035～DyK178+030段單根H175型鋼彎曲

在DyK178+030～DyK178+020段采用雙根H175型鋼橫向支撐,即2根H175型鋼焊接在一起作橫向支撐,雙根H175型鋼剛度大,發揮作用快,架立后能夠直接承受荷載[11],在2榀型鋼之間縱向加設一道I20b工字鋼斜支撐,與橫向支撐型鋼成45°夾角；縱向采用Φ22鋼筋與H175型鋼連接,間距1 m/道,以增強其整體性。安裝位置為上臺階拱腳處,型鋼縱向間距同現有拱架間距。在安裝后的一個星期內,該段大部分型鋼正常,只有極少數型鋼有稍微彎曲現象(圖5),通過監控量測數據反映DyK178+030～DyK178+020段變形持續減小(表2),從圖4與圖5的對比也可直觀地看出雙根H175型鋼橫支撐的承受荷載效果較好。

5 雙根H175型鋼橫支撐施作工藝

5.1 雙根H175型鋼橫支撐安裝方法

施工中對量測數據及時進行分析和反饋,當變形量達到總量的 70 % 或累計凈空收斂變形值超過

350 mm時,應采取雙根H175型鋼橫支撐加固措施(圖6),增強結構穩定性。首先由測量組用紅油漆標出橫支撐安裝位置(上臺階拱腳),安裝時要確保橫支撐在同一高度和里程。用風鎬將上臺階拱腳初支噴射混凝土鑿除后,將I20工字鋼焊接在拱腳鋼架上作為橫支撐的托梁,I20工字鋼長度100 mm。用挖掘機或裝載機托起H175型鋼,再將H175型鋼放入工字鋼內,型鋼與初支鋼架和工字鋼托梁密貼滿焊,在2榀型鋼之間縱向加設一道I20b工字鋼斜支撐,與橫向支撐型鋼成45°夾角,以增強其整體性。由于初期支護已變形,型鋼具體長度視該里程變形情況確定。

圖6 橫支撐安設示意圖

5.2 雙根H175型鋼橫支撐拆除方法

當拱墻初支變形已趨于穩定,拱頂下沉小于0.15 mm/d,凈空收斂小于0.2 mm/d時,且二次襯砌仰拱施作完成后,根據二次襯砌施作長度,方可拆除相應長度的雙根H175型鋼橫支撐。拆除雙根H175型鋼橫支撐前需對邊墻范圍進行徑向Φ42小導管注漿加固,小導管長3 m,間距1.2 m×1.2 m,梅花形布置。注入水泥單液漿,漿液采用水灰比1∶1。注漿時從下排至上排依次進行,注漿結束6～8 h后進行橫支撐拆除。

橫支撐拆除時用挖掘機或裝載機托住H175型鋼,用氧焊將型鋼與初支拱架焊接部位割除[2],拆除長度達到1～2個襯砌臺車長度后,及時施作防水層和二次襯砌,以保證二襯緊跟。

6 施工注意事項

1)施工中應加強監控量測,并對監控量測資料及時進行分析,如發現異常應及時采取應急預警措施,以確保施工安全。

2)加固時應確保支撐各節點可靠連接,兩榀型鋼間連接工字鋼上下可用鋼筋焊接固定,防止滑動。

3)加強超前地質預報工作和鎖腳錨管及鋼架接頭的施工工藝的管理,防止初期支護失穩變形,掌子面開挖后立即進行初噴,及時封閉巖面。

4)注漿過程中隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化,分析注漿情況,防止堵管、跑漿、漏漿,并做好注漿記錄[2]。

5)必須在變形段前襯砌混凝土施作并達到強度后,才開始橫支撐拆除施工。

6)隧道施工嚴格遵循“短進尺、強支護、勤量測、緊襯砌”的原則進行,確保施工安全。

7) 配制漿液時,操作工人戴橡膠手套、護目鏡、防護帽,穿長筒膠鞋；注漿時,作業工人不準站在注漿口附近,發現壓力表有異常情況時,停止注漿,查找故障。

7 結 語

1)H175型鋼臨時橫支撐起到了比臨時仰拱更臨時的過渡性措施的作用[9],既能快速施加,又可快速拆除,充分利用空間效應提供的安全空間,增加了施工安全性,實現開挖斷面的快速封閉,有利于控制圍巖變形。

2)H型鋼翼緣較寬,使鋼材高效地發揮承載力和抗扭性能,H175型鋼剛度大,發揮作用快,架立后能夠直接承受荷載。

3)采用雙根H175型鋼橫支撐對比單根H175型鋼橫支撐的施工效果,其抗扭截面增大,圍巖變形值明顯減小,從而有效地遏制了圍巖變形,為圍巖應力重分布和二次襯砌的施作爭取了時間。