隧道仰拱翹起的原因分析及處治方法

陳軍社，李 凱

(中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016)

0 引 言

在公路隧道施工過程中，存在地質(zhì)復(fù)雜、圍巖軟弱、巖體破碎、穩(wěn)定性差[1-2]以及施工人員對仰拱基底的處理不到位等問題，從而導(dǎo)致仰拱與仰拱填充分離、仰拱單側(cè)或雙側(cè)翹起甚至仰拱開裂的現(xiàn)象[3-5]，引發(fā)質(zhì)量問題或事故，造成經(jīng)濟損失和不良影響。因此，在施工過程中，提高管理人員和施工人員的質(zhì)量意識，重視仰拱基底開挖后的承載力檢測，做好事前預(yù)防、事中控制、事后檢查，及早發(fā)現(xiàn)問題并及早采取有效措施處治，是消除隧道仰拱翹起質(zhì)量問題的有效手段。同時，作為施工管理人員，有必要對隧道施工過程中出現(xiàn)此類病害進行研究，尋找有效的處治途徑和方法[6-7]。本文以某隧道施工中出現(xiàn)的仰拱翹起現(xiàn)象為例，通過查找產(chǎn)生原因，確定采取在二襯邊墻底部用注漿鋼管鎖腳、在側(cè)式暗溝及仰拱頂面打設(shè)小導(dǎo)管注漿加固[8-10]等措施，達到保證施工質(zhì)量、降低安全風(fēng)險、提高施工效率[11-12]的目的。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某隧道左線ZK79+875～ZK80+414，長539 m；右線K79+860～K80+417，長557 m。洞底設(shè)計高程130.9～153.0 m，最大埋深100.2 m。洞內(nèi)輪廓尺寸為：凈寬11.77 m，凈高7.20 m(圖1)。采用燈光照明，自然通風(fēng)。隧道設(shè)計使用年限為100年，防水等級為二級，進口端采用端墻式洞門，出口端采用削竹式洞門。

1.2 自然條件

如圖2所示，隧道沿線為山坡，地勢較高，徑流條件好，地表水不發(fā)育，地下水主要有松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水，隧道最大涌水量約為271.6 m3·d-1。

K79+860～K79+934、ZK79+870～ZK79+924為進口段，位于緩坡,坡角20°～30°。上覆硬塑粉質(zhì)黏土，圍巖自穩(wěn)能力差,地下水為堆積層孔隙水、基巖裂隙水,水量貧乏。該段隧道軸線與坡向斜交,存在偏壓現(xiàn)象。隧道進口段圍巖級別為Ⅴ級，圍巖自穩(wěn)能力差，震動過大時側(cè)壁易失穩(wěn)。

圖1 隧道凈空斷面

K79+934～K80+295、ZK79+924～ZK80+295為洞身段，位于山脊，最大埋深約106.6 m。覆蓋層較薄，圍巖主要為中風(fēng)化絹云母片巖。巖層走向與隧道軸線正交，傾角較緩。節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)合一般，中薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整,巖石較堅硬。圍巖自穩(wěn)能力一般,地下水為基巖裂隙水,隧道開挖會有點狀出水,雨季可能有淋雨狀出水。圍巖分級為Ⅳ級。

K80+295～K80+415、ZK80+295～ZK80+415為出口段，位于緩坡,坡角15° ～30° 。上覆薄層硬塑粉質(zhì)黏土,結(jié)構(gòu)松散，圍巖為云母片巖，原巖構(gòu)造已風(fēng)化破壞，巖芯呈砂土狀，結(jié)構(gòu)松散，易沖刷, 節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)合差，碎裂狀結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力差,地下水為堆積層孔隙水、基巖裂隙水，水量貧乏。圍巖分級為Ⅴ級。

隧道進口交通不便，通行困難；出口距離縣道約500 m，通行條件較好。施工采用從出口端向進口端方向單端掘進。

圖2 隧道沿線地形

圖3 隧道S-IVc型襯砌結(jié)構(gòu)斷面

2 現(xiàn)場情況

從該隧道右線出口端向進口端掘進，原設(shè)計K80+282～K79+944段為IV級圍巖，采用S-IVc型支護參數(shù)(圖3)。當施工至K80+186時，掌子面圍巖發(fā)生突變，左側(cè)為強～中風(fēng)化絹云母片巖，完整性和自穩(wěn)能力較好，需放炮爆破開挖；右側(cè)為細粒狀黃色土質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散，呈堆積狀，且夾有孤石，可用挖機直接挖除，同時往掘進方向夾有強風(fēng)化破碎帶。從K80+153起，經(jīng)參建各方現(xiàn)場察看，逐段對支護參數(shù)進行了加強調(diào)整，其中K80+153～K80+133段鋼拱架由I16工字鋼改為I20a工字鋼，間距由1 m改為0.6 m，仰拱型鋼閉合，噴射混凝土厚度由22 cm改為26 cm，二次襯砌按S-Va形式支護。K80+133～K80+123段的襯砌結(jié)構(gòu)類型由S-IVc型改為S-Va型，K80+123～K80+113段的襯砌結(jié)構(gòu)類型由S-IVc型改為S-Vc型，如圖4、5所示。

圖4 隧道S-Va型襯砌結(jié)構(gòu)斷面

圖5 隧道S-Vc型襯砌結(jié)構(gòu)斷面

施工過程中，當該洞掌子面掘進至K79+957時，發(fā)現(xiàn)K80+178～K80+113段路線前進方向的左側(cè)有仰拱翹起現(xiàn)象，從側(cè)式暗溝的底部可以明顯看到，仰拱與仰拱填充分離，分離高度達50 mm(圖6)。

圖6 仰拱翹起量測

測量人員在仰拱頂面、拱墻等位置埋設(shè)觀測點，觀測仰拱和二襯的沉降、收斂變形情況。對異常段落埋點進行了連續(xù)15 d的監(jiān)測，在此期間，仰拱和二襯變形趨于穩(wěn)定，拱頂下沉的最大累計變化量為29.0 mm，周邊位移的最大累計變化量為14.0 mm，仰拱下沉的最大累計變化量為13.0 mm。對應(yīng)段落山坡坡面未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

3 原因分析

經(jīng)分析認為，出現(xiàn)上述問題的原因主要有以下幾點。

(1)隧道經(jīng)過地段處于2座山頭相交處的埡口部位，地質(zhì)狀況復(fù)雜多變，且多為坡積體，整體性和自穩(wěn)能力均較差。

(2)該段隧道開挖時暴露的圍巖為松散的強～全風(fēng)化絹云母片巖，圍巖軟弱，巖體破碎，穩(wěn)定性差。同一開挖斷面上圍巖軟硬交替，沿掘進方向夾有斷裂破碎帶，斷裂構(gòu)造在施工開挖中遭到擾動后，堆積的渣體重新排列組合，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，引起應(yīng)力釋放，促使巖體應(yīng)力重新分布。隧道開挖后，重平衡過程復(fù)雜，時間漫長，導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)暫時穩(wěn)定的假象。隨著時間的推移，應(yīng)力可能慢慢釋放，從而引起仰拱翹起變形。

(3)當隧道同一斷面的地基處于軟巖與硬巖交界處時，隧道仰拱及填充混凝土施工完畢后，地基受力可能產(chǎn)生不均勻沉降，隨著軟弱圍巖一側(cè)二襯邊墻的沉降，會使仰拱中部受到向上的頂推力，從而導(dǎo)致軟弱圍巖一側(cè)仰拱填充翹起，在二襯邊墻沉降和仰拱填充翹起的共同作用下，表現(xiàn)為軟弱圍巖一側(cè)仰拱與填充分離。

(4)隧道施工工序繁雜，隧道圍巖受到多次施工擾動，周邊圍巖巖體受力體系發(fā)生變化。

4 處理方案

根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析，該段變形已趨于穩(wěn)定，擬定的處理措施如下(圖7)。

圖7 仰拱處治加固示意

(1)采用縱向間距 1.0 m、長6.0 m的Φ76 mm注漿鋼花管對K80+178～K80+113段二襯邊墻底部進行鎖腳，鎖腳鋼管設(shè)圍巖注漿孔，注漿材料采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿至飽滿密實為止。

(2)在K80+178～K80+113段兩側(cè)側(cè)式暗溝中，按1.0 m的縱向間距，垂直向下設(shè)置2排長6.0 m的Φ42 mm注漿鋼花管，加固仰拱底部圍巖。

(3)對K80+178～K80+113段，按徑向、縱向間距1.5 m垂直于仰拱頂面打設(shè)長6.0 m的Φ42 mm注漿鋼花管，增強仰拱基底承載能力。注漿材料采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿至飽滿密實為止。

5 施工過程

5.1 二襯鋼管鎖腳

為控制二次襯砌及仰拱結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形，并綜合考慮隧底整治時二襯兩側(cè)邊墻的穩(wěn)定，減少其橫向、豎向變形和位移，在拱墻襯砌兩側(cè)邊墻底部，垂直于路線前進方向，斜向下45° 各設(shè)置1排Φ76 mm鋼花管鎖腳(圖8)，縱向間距為 1.0 m，每根長6 m，鋼花管孔壁每隔15 cm鉆1個直徑為1 cm的注漿孔，呈梅花形布設(shè)，注漿材料采用水泥漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿至飽滿密實為止。

圖8 二襯邊墻底部鎖腳打孔

鉆孔采用潛孔鉆，鉆頭直徑為10 cm，現(xiàn)場準確測放孔位，固定鉆機，采用干鉆方式，確保施工不至于使巖土工程地質(zhì)條件惡化，并保證孔壁的黏結(jié)性能。根據(jù)鉆機性能和地層嚴格控制鉆孔速度，防止鉆孔扭曲和變徑，鉆進過程中記錄每個孔的地層變化、鉆進狀態(tài)(鉆壓、鉆速)、地下水及一些特殊情況。如遇塌孔、縮孔等現(xiàn)象時，立即停鉆，及時進行孔道固壁灌漿處理(灌漿壓力為0.1～0.2 MPa)，待水泥砂漿初凝后，重新掃孔鉆進。

在鉆孔完成后，使用高壓風(fēng)(風(fēng)壓0.2～0.4 MPa)將孔內(nèi)巖粉及水體全部清除，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體的黏結(jié)強度。不得采用高壓水沖洗鉆孔。

Φ76 mm鋼管前端設(shè)長為10 cm的錐頭，尾部焊Φ10 mm加強箍，注漿端設(shè)置止?jié){環(huán)(圖9)。管身1.0 m以外設(shè)置Φ10 mm散漿孔，間距15 cm，呈梅花形布置。鋼花管采用潛孔鉆逐節(jié)送入孔內(nèi)，接頭處用套管焊接。

圖9 Φ76 mm鎖腳鋼管加工

注漿材料采用水泥漿，注漿水泥為PO 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1。注漿初始壓力為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0～2.5 MPa。注漿過程中隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，注漿結(jié)束后及時用M30水泥砂漿緊密填充注漿管，增強鋼管的剛度和強度。施工完成后如圖10所示。

圖10 施工完成后二襯邊墻底部鎖腳鋼管

5.2 仰拱加固

在仰拱填充面上，采用潛孔鉆從兩側(cè)預(yù)留的側(cè)式暗溝溝槽垂直向下設(shè)置2排注漿鋼花管，鋼花管直徑為42 mm，長6.0 m，縱向間距為1.5 m。通過鋼花管注漿加固仰拱底部圍巖，注漿材料為水泥漿。

對于兩側(cè)側(cè)式暗溝之間的仰拱，在其全寬范圍內(nèi)，按照橫向設(shè)5根、間距1.5 m、縱向間距1.5 m，呈梅花形布設(shè)Φ42 mm注漿鋼花管，采用潛孔鉆垂直于仰拱頂面打設(shè)，鋼花管長6 m。通過鋼花管注漿加固仰拱底部圍巖，并填充因仰拱翹起而留下的縫隙，注漿材料為水泥漿。施工完成后如圖11所示。

圖11 側(cè)式暗溝預(yù)留槽中的注漿鋼花管

注漿水泥采用PO 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。為加快注漿速度和發(fā)揮設(shè)備效率，采用群管注漿(每次3～5根)。注漿過程中隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，以便分析注漿效果。當注漿量達到設(shè)計注漿量、注漿壓力達到設(shè)計壓力時，可結(jié)束注漿。

處治加固工作完成后，經(jīng)過1個月的觀察和監(jiān)測，仰拱變形不再發(fā)展，開始施作隧道內(nèi)側(cè)式暗溝、電纜溝及仰拱填充以上的路面結(jié)構(gòu)層等路面及附屬工程。

6 結(jié) 語

(1)隧道施工中，存在不可預(yù)見的地質(zhì)因素，因此，在尊重并執(zhí)行設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上，還應(yīng)結(jié)合開挖后的圍巖實際情況進行預(yù)判，提前調(diào)整軟弱圍巖段支護參數(shù)，將可能發(fā)生的質(zhì)量隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

(2)按照新奧法原理，初期支護在施工完成后與周邊圍巖共同受力、共同變形，待初期支護變形穩(wěn)定后方可開始二次襯砌的施工。因此，初期支護結(jié)構(gòu)是隧道的主要承力結(jié)構(gòu)，應(yīng)重視其施工質(zhì)量，特別是鎖腳錨桿和拱架落地，以防后期變形使仰拱承受較大的內(nèi)力，產(chǎn)生翹起變形。

(3)嚴格按照規(guī)范進行施工，加強過程控制。當仰拱基底承載力不滿足設(shè)計要求時，須采取換填夯實或注漿加固等措施處理，確保仰拱基底承載力均勻。嚴禁用虛渣回填超挖的仰拱基底，嚴格區(qū)分仰拱與仰拱填充，仰拱澆筑時應(yīng)用弧形模板，確保仰拱與二襯成環(huán)后共同受力，維護隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性。

(4)當施工完成的仰拱出現(xiàn)單側(cè)或雙側(cè)翹起變形時，應(yīng)認真分析、查找原因，制定具有針對性的處治方法和加固措施，并嚴格執(zhí)行處治方案，做好事后的補救處治工作。