埔頭隧道初支換拱技術應用

范立峰

（三明市公路事業發展中心，福建三明365000）

1 工程概況

1.1 項目簡介

埔頭隧道位于國道G356 線永安曹遠樟林至泥坪公路工程，起訖樁號K4+053—K4+378,隧道處于東西走向展布的丘陵地貌，山體最大高程約310m，設計長325m，進口設計高程242.63m，出口設計高程241.66m；最大埋深60m；為單洞雙向短隧道。

埔頭隧道出口地勢平緩，開挖方案決定從出口向進口開挖，隧道出口地質為強風化凝灰質砂礫巖及殘坡積粉質黏性土，巖石強分化、巖體破碎，為極軟巖，無自穩能力，側壁和拱部易發生較大的坍塌，隧道洞口施工采用經專家論證的三臺階預留核心土法施工，進洞段V 級圍巖設計支護參數：長30mφ108mm 超前長管棚，L=4.5m、φ42mm 超前小導管，I20b 工字鋼拱架縱向間距0.6m，C25 噴射混凝土厚26cm。二次襯砌采用厚50cm 的C30 鋼筋混凝土。

1.2 拱頂下沉情況

洞身施工嚴格按照安全專項施工方案的挖掘方式，當上臺階掌子面施工至K4+333、進洞35m 時，第三方監控量測報告K4+338—K4+360 段拱頂連續3d存在異常下沉，其中K4+348 下沉量達到110mm，且噴射混凝土存在三條明顯裂縫，有嚴重的安全隱患。參建各方研究決定暫時封閉掌子面，同時第三方監控量測單位加密對隧道監測。經過七天的觀測，洞內拱頂還在持續下沉，現場最后監測點（K4+348）最大的下沉量達到345mm，鋼拱架已經嚴重變形，裂縫縫寬持續加大、裂縫數量增加，隧道存在重大危險。K4+348和K4+348 初支拱頂下沉-時間曲線圖見圖1。

圖1 K4+348 和K4+348 初支拱頂下沉-時間曲線圖

2 拱頂下沉原因分析

根據隧道地質水文資料和隧道施工圍巖情況，結合現場監控量測數據，分析拱頂下沉有以下主要原因。

2.1 施工擾動

通過分析數據發現，洞口段圍巖在上臺階開挖支護后有一定的自穩能力，自穩時間在10d 左右,當下臺階及仰拱開挖支護（即10d）后圍巖變形加大，下臺階至仰拱的施工步距加大、仰拱未及時閉合和掌子面的施工對圍巖的擾動加快了前期初支的變形。

2.2 圍巖等級差

掌子面開挖后，實際揭露圍巖比設計圍巖等級更差，洞口段勘探地質為強風化凝灰質砂礫巖及殘坡積粉質黏性土，巖石強分化，隧道開挖后發現實際圍巖呈砂土狀黏性土結構，巖芯破碎，巖體力學強度極低，圍巖的自承力僅為顆粒之間的摩擦力，開挖擾動后自穩能力差，變形大，易坍塌。

2.3 地表水作用

因持續的下雨，洞頂截水溝排水不暢，雨水滲入山體，山體水飽和，增加拱上荷載，洞口段圍巖在水和施工機械的振動作用下易發生液化現象，加劇了圍巖的變形。

2.4 支撐不足

K4+338—K4+360 段按照設計應該處于超前長管棚和超前小導管的交叉支護范圍內，發生拱頂下沉可能是管棚不足以支撐上部圍巖土體荷載，而使洞身受壓嚴重變形。無論何種進洞開挖方式，洞口段軟弱圍巖段的超前支護都是長管棚，發生拱頂下沉是隧道基底過于軟弱，地基承載力不足以支撐上部圍巖和土體荷載，隧道整體下沉，洞身嚴重變形。隧道進洞前應該加強對洞體周圍及洞基的加固處理，防止地表水下滲，提高基底的承載力。

綜上分析，該地段的軟弱圍巖在施工擾動、洞口地質差異和地表水作用下發生液化現象并增加拱上荷載是導致隧道拱頂下沉的主要原因。

3 處理方案

因拱頂還在持續下沉，極易發生隧道整體坍塌，為了防止坍塌造成質量安全事故，對設計單位提出的加固方案經專家論證，決定立即采取“掌子面封閉、洞內回填、山頂卸載、地表注漿、重新開挖、加強監控量測”的處理方案。

4 處理步驟

4.1 掌子面封閉

在拱頂下沉事件發生異常時，施工單位已經對掌子面進行10cm 厚C25 噴射混凝土封閉，同時對隧道口進行全封閉，以防安全事故發生。

4.2 洞內回填和山頂卸載

洞內回填和山頂卸載采用順序作業，為防止拱頂持續下沉，先對整個隧道進行回填，再按照設計卸載方案把隧道K4+330—K4+368 洞頂山體寬度26m 的土方挖除，保留覆土層5m，山頂卸載和洞內回填不能同時作業，防止隧道安全事故發生。洞內回填采用挖機和裝載機配合盡量回填充實。

4.3 地表注漿

4.3.1 完善平臺排水系統和邊坡防護

隧道上方山體平臺注漿前，按照設計完善洞頂平臺截水溝及排水溝的施工，防止水繼續滲入山體，同時二級仰坡采用錨桿、鋼筋網、噴射混凝土相結合的方法，及時安裝Φ22mm 砂漿錨桿，并掛上Φ6.5mm鋼筋網，濕噴10cm 厚C20 噴射混凝土進行防護[1]。

4.3.2 地表注漿

在平臺表面按設計間距梅花形布置，間距1m 標示出錨桿位置，長度延伸至洞口上方，鉆眼時按標示位置開鉆。采用風鉆鉆孔，嚴格控制鉆桿方向，鉆孔深度不小于設計長度的95%。

鉆眼完成后用高壓風清孔，并將錨桿邊旋邊送入眼孔，檢查眼孔是否平直暢通，不合格者重新鉆眼。

在合格的眼孔中安裝好錨頭的Φ42mm 熱軋無縫鋼花管錨桿，安裝止漿塞、墊板和螺母。

錨桿安設完畢后，注入水泥漿。采用42.5 級普通硅酸鹽水泥單漿液，水泥漿水灰比采用1∶1，注漿壓力0.5～1.0MPa，注漿時要注意將管中的氣體排出，確保漿液注滿孔體，并向周圍土體擴散。水泥漿宜邊拌邊用，停留時間不多于0.5h，注漿方式采用分段注漿，開泵前旋轉壓力調節旋鈕將油壓調到要求的油壓刻度上，隨注漿阻力的增大，泵壓隨之升高，當達到調定值時，會自動停機，不至于產生超壓注漿的危險[2]。

4.4 地表監控量測

地表下沉量測在隧道洞口和隧道通過淺埋段時應作為監控量測的必測項目。在洞室中心線上，每5m 設一個測點，橫斷面沿襯砌中線隧道拱頂范圍設定每2～3m 一個測點，其他每3～5m 一個測點。注漿完成后，通過每天的地表監控量測數據繪制每一橫斷面沉降槽、最大沉降量隨時間的變化關系圖，并進行回歸分析，當發現洞口段地表下沉速度具有穩定趨勢時，方可進行洞身重新挖掘工作。通過分析變化關系圖，發現在注漿完成后第三天埔頭隧道洞口段地表下沉具有穩定趨勢。

4.5 實施換拱施工步驟和工藝流程圖

《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2017）中隧道洞身開挖和混凝土襯砌應符合的基本要求為：應嚴格控制欠挖，拱腳、墻角以上1m 范圍內嚴禁欠挖；當石質堅硬時，巖石個別凸出部分可突入襯砌斷面，但凸入不得大于30mm，襯砌時欠挖值不得大于50mm；襯砌施工前初期支護斷面嚴重侵限時應及時處理；90%的檢查點的襯砌厚度≥設計厚度，且最小厚度≥0.5 設計厚度[3]。

利用全站儀測出初期支護斷面侵限的起點，更換到隧道的初支斷面符合設計要求為止。K4+360 初支變形橫斷面、K4+338 初支變形橫斷面見圖2 和圖3。

圖2 K4+360 初支變形橫斷面

圖3 K4+338 初支變形橫斷面

按照隧道洞口換拱安全專項施工方案的專家論證和洞內回填土的實際狀況，決定拱架更換采用三臺階預留核心土法開挖施工，施工過程中嚴格遵循“管超前、漿嚴注、短進尺、弱爆破、強支護、早成環、勤量測”的原則。在進行K4+360 上臺階挖掘前，先對K4+360—K4+368 初支穩定段施作仰拱和仰拱回填，保證隧道洞口處穩定，然后按照三臺階法開挖施工順序進行初支換拱。三臺階法開挖施工工序示意圖見圖4。

圖4 三臺階法開挖施工工序示意圖

施工換拱步驟：

第一步，拱部超前小導管注漿預支護。超前小導管采用外徑φ42mm、壁厚4mm，長度4.5m 的熱軋無縫鋼管加工制成，環向間距40cm，縱向間距為300cm；

第二步，環形開挖上臺階I-1。為減少對圍巖的擾動，采用風鎬鑿除初期支護噴射混凝土，并按順序切斷原有的鋼筋網、連接筋和鋼拱架；

第三步，施作上臺階初期支護①(包括安裝鋼拱架、掛鋼筋網、安裝系統錨管、鎖腳錨管、噴混凝土)；

第四步，開挖中臺階兩側Ⅱ、Ⅲ；

第五步，施作中臺階初期支護②、③(包括安裝鋼拱架、掛鋼筋網、安裝鎖腳錨管、噴混凝土)；

第六步，開挖下臺階兩側Ⅳ、Ⅴ；

第七步，施作下臺階初期支護④、⑤(包括安裝鋼拱架、掛鋼筋網、安裝鎖腳錨管、噴混凝土)；

第八步，封閉仰拱初期支護；

第九步，施作仰拱和仰拱回填。

5 更換拱架技術要點

要點一，地表注漿水泥漿進漿量很大，壓力長時間不升高，則應調整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，進行小泵量低壓力注漿或間歇式注漿，使漿液在裂隙中有相對停留時間，以便凝膠，但停留時間不能超過混合漿的凝膠時間。

要點二，超前小導管在鉆眼過程中，如碰到長管棚鋼管，需重新定位鉆眼，嚴格按照設計圖紙要求做好超前支護，防止隧道拱頂坍塌及掉塊；超前小導管以緊靠開挖面的鋼架為支點，小導管尾段與鋼架焊聯，打入鋼管后注漿，形成管柵支護環，施工中必須保證注漿質量。

要點三，進行上臺階換拱作業時，每循環僅能一榀一榀進行更換作業，中下臺階左右兩側必須跳槽開挖并及時施作初期支護，雙側交錯落底，避免上臺階兩側拱腳同時懸空，在事故段落單側每次落底長度不大于1 榀拱架；在正常圍巖單側每次落底長度不大于2 榀拱架。

要點四，仰拱要及時跟進。在初期支護形成“閉合”結構前，為減少初支下沉量，每個臺階安裝鋼拱架時，嚴格按照設計要求做好鎖腳錨管，并在鋼拱架基底設一塊鋼質“托板”，以增大受力面積，減少下沉量；鋼拱架安裝時注意鋼架的垂直度，防止出現左前右后或前傾后倒現象，并與錨桿及縱向連接鋼筋焊接，使之成為整體。

要點五，加強對已支護地段的量測，不僅能掌握圍巖變形特征，也是直接判斷初期支護是否安全可靠的一個重要方法，對預防塌方有著不可估量的作用。加強洞內拱頂下沉監控觀測頻率和地表裂縫發展情況，并結合地表下沉量測數據，決定是否進行下一道工序，保證隧道的穩定安全。如果發現量測數據有異常趨勢時暫停施工，對監測數據進行分析并及時調整開挖方式和修正支護參數再組織施工作業。

要點六，隧道主洞開挖按設計要求預留變形量，根據圍巖監控量測結果及時調整預留變形量。當隧道水平位移收斂速度為0.1～0.2mm/d，拱頂下沉位移速度為0.1mm/d 時，可以認為圍巖已基本穩定，及時施作二次襯砌。

要點七，在作業區域設置逃生通道、急救箱等救援物質。

6 結語

目前埔頭隧道已經貫通，結合該項目工程實例，對軟弱圍巖隧道施工有如下幾點經驗。一是隧道進洞開挖前，應做好洞口截排水措施，防止地表水下滲，降低隧道基底地基承載力；二是對于洞口地質處于殘坡積或全風化砂土狀地層，地表地下水較為豐富情況下，隧道進洞前可采用井點降水結合地表注漿等措施，降低地下水位，加固洞體周圍土體，提高隧道的整體穩定性；三是軟弱圍巖段落施工應盡量采用短進尺，預留核心土分步開挖，下臺階及時跟進，二襯及時跟進，并盡量早施工閉合成環，提高隧道整體的剛度和穩定性；四是軟弱圍巖段落隧道開挖，可加大隧道預留變形量，防止隧道開挖后變形侵限。