磨萬鐵路炭質(zhì)板巖大變形隧道初期支護侵限換拱技術(shù)

孫強

摘 要：針對中老鐵路普亞村二號隧道施工期間初期支護大變形問題，詳細分析了大變形產(chǎn)生的原因，提出了鋼花管徑向注漿加固圍巖、未侵限段打設(shè)鎖腳錨管加固拱架以及仰拱開挖、初支、二襯和仰拱填充完成后再進行拱架拆換。給出了詳細的換拱施工工藝及其要求和安全措施，確保了換拱期間的施工安全?？偨Y(jié)了磨萬鐵路炭質(zhì)板巖大變形隧初期支護侵限換拱施工方法，為我國隧道技術(shù)走出國門服務“一帶一路”國家戰(zhàn)略提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：磨萬鐵路;碳質(zhì)板巖大變形隧道;初期支護;大變形;侵限;換拱

中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A

0 前言

在我國西部地區(qū)修建鐵路中遇到了大量的炭質(zhì)板巖隧道，因圍巖破碎特別是地下水作用下炭質(zhì)板巖隧道施工初期支護變形大，導致初期支護開裂、侵限甚至塌方事故，嚴重威脅到現(xiàn)場施工人員及其設(shè)備的安全，隧道工程質(zhì)量問題凸顯及其處理繁瑣，施工工期嚴重滯后，大幅增加了工程造價和運營維護工作量。

炭質(zhì)板巖鐵路隧道施工中初支大變形多，如蘭渝鐵路29座高地應力軟巖隧道施工中有近4 km長出現(xiàn)了初期支護侵限，需要拆換鋼架，給現(xiàn)場施工安全和工期影響極大，張民慶等人提出了“高地應力軟巖隧道釋放-約束平衡法”的加強初支、強化鎖腳、及時閉合以及注漿加固圍巖和增設(shè)套拱動態(tài)補強控制變形技術(shù)[1]。本文結(jié)合中老鐵路普亞村二號隧道大變形主要講述了炭質(zhì)板巖大變形隧道初期支護侵限換拱技術(shù)。

1 普亞村二號隧道大變形特點及其原因

1.1 普亞村二號隧道概況

新建磨丁至萬象段第Ⅳ標段普亞村二號隧道位于相嫩站～班普亞區(qū)間，設(shè)計行車速度為160 km/h，為單線鐵路隧道。隧道進口里程DK191+155，出口里程DK195+390，全長4 235 m，最大埋深約345 m。地質(zhì)以炭質(zhì)板巖為主，呈黑色和薄層狀、巖質(zhì)較軟，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面雜亂無章，構(gòu)造面平整光滑，圍巖穩(wěn)定性極差，巖體破碎，有機物含量較高，用手易掰碎。施工期間現(xiàn)場局部有線狀出水，出現(xiàn)不間斷掉塊現(xiàn)象，圍巖整體性及自穩(wěn)性極差，導致圍巖軟化以及受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的作用明顯。

1.2 初支大變形特點

普亞村二號隧道2020年5月13日至7月23日施工期間橫洞大里程及出口現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示初期支護變形如下：

（1）DK194+039-033段線路右側(cè)初期支護局部發(fā)生局部侵限變形，侵限4.6 cm;DK194+090～+030段初支監(jiān)控量測持續(xù)紅色黃色預警。DK194+085處監(jiān)控量測，最大日收斂43.17 mm，累計收斂482.62 mm，日均收斂11.48 mm，拱頂累計沉降31.50 mm。

DK193+810～+820段、DK193+840～+868段初支監(jiān)控量測持續(xù)紅色黃色預警。DK193+810處監(jiān)控量測，最大日收斂23.61 mm，累計收斂159.55 mm，日均收斂4.99 mm，拱頂累計沉降105.3 mm。DK193+840處監(jiān)控量測，最大日收斂26.93 mm，累計收斂125.11 mm，日均收斂6.94 mm，拱頂累計沉降39.6 mm。

（2）DK194+085段水平收斂累計值為482.62 mm，拱頂沉降累計值為31.50 mm。

（3）DK194+090段水平收斂累計值為439.37 mm，拱頂沉降累計值為32.90 mm。

（4）DK193+820段水平收斂累計值為115.49 mm，拱頂沉降累計值為40.4 mm。

（5）DK193+840段水平收斂累計值為125.11 mm，拱頂沉降累計值為39.60 mm。

普亞村二號隧道橫洞大里程及出口段初期支護變形破壞，其大變形的特點如下：

（1）最大的拱頂沉降累計值為58.0 mm，而最大水平收斂累計值為482.62 mm。

（2）水平收斂比拱頂沉降大10～20倍左右，相差一個數(shù)量級，即初期支護的變形以水平收斂為主。

（3）按設(shè)計要求，初期支護的拱頂下沉預留變形量僅為60 mm，監(jiān)測所得拱頂下沉均未侵限。

（4）而水平收斂的預留值為100 mm，監(jiān)測所得的水平收斂最小值為115.49 mm，表明均侵限。

（5）經(jīng)檢測該段侵限量值為63mm～466 mm，需要對初期支護進行換拱處理。

1.3 初支侵限原因

普亞村二號隧道初期支護大變形的原因如下：施工開挖揭示及現(xiàn)場察看，該段洞身揭示巖性以板巖為主，灰、深灰色，局部為炭質(zhì)板巖，薄層狀，質(zhì)軟，層厚0.1 cm～5 cm不等。巖層走向與線路小角度相交，傾向線路右側(cè)，傾角30°～50°不等，受區(qū)域構(gòu)造影響，層間擠壓現(xiàn)象明顯，產(chǎn)狀有扭曲，層間可見灰白色方解石脈充填。隧道開挖后圍巖應力重新分布，原有的巖體平衡狀態(tài)遭到破壞，同時巖性以薄層狀的軟質(zhì)巖為主，層間結(jié)合力差，隧道開挖后圍巖易沿周邊出現(xiàn)松動圈，整體穩(wěn)定性變差，易松動掉塊，開挖輪廓難以控制，造成鋼架無法與圍巖密貼等因素造成圍巖松動圈進一步加大，洞周荷載增大，致使初期支護難以長時間抵抗圍巖壓力而產(chǎn)生變形。

隧道開挖改變了地下水徑流方向，洞內(nèi)圍巖剛開挖時，掌子面潮濕，局部僅有滲水，初支完成后地下水向隧周匯集，水量由滲水發(fā)展為滴水、小股狀水，逐漸變大，薄層狀板巖及炭質(zhì)板巖遇水軟化，進一步降低了層間結(jié)合力，圍巖自穩(wěn)性變差，洞周圍巖壓力增大，致使初期支護變形，局部侵限。

2 換拱技術(shù)要求及工藝流程

2.1 換拱技術(shù)要求

換拱作業(yè)要注重施工安全，換拱前先對變形侵限段換拱部位采用φ42鋼花管注漿加固圍巖，對未侵限拱架節(jié)段增加鎖腳錨管加固，待此段仰拱及仰拱填充完成后，再進行拱架拆換，拱架拆換遵循先上后下、一次一榀的原則進行處理。其次，換拱欠挖一次處理到位，并及時施作二襯，防止換拱完成后仍然出現(xiàn)初支二次侵入二襯凈空。

2.2 換拱工藝流程

換拱工藝流程為：監(jiān)控量測變形收斂穩(wěn)定→換拱地段徑向注漿→注漿效果檢測→對未侵限初支拱架節(jié)段增加鎖腳錨管→分榀鑿除侵限段初期支護→開挖并安裝型鋼鋼架→噴射凝土→循環(huán)拆換下一榀拱架。

3 安全快速換拱技術(shù)

3.1 徑向注漿及拱架鎖腳

為了換拱作業(yè)的安全，換拱之前先進行徑向注漿加固圍巖，同時對隧道不侵限段拱架加多排設(shè)鎖腳鋼花管。鎖腳錨管采用φ42鋼管（壁厚3.5 mm），每節(jié)點2根、每根長4.5 m。鋼花管徑向注漿參數(shù)如下：

（1）注漿范圍為線路兩側(cè)邊墻及拱部開挖輪廓線范圍內(nèi)。

（2）DK193+840～+868段、DK194+090～+030段線路右側(cè)拱部及邊墻變形侵限部位采用縱環(huán)向間距0.8 m*0.8 m。

（3）注漿管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長4.5 m，孔口管應埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){措施。

（4）鋼花管四周按間距15 cm呈梅花形設(shè)置6 mm～8 mm注漿孔，鋼花管尾部50 cm不鉆孔作為止?jié){段。

（5）注漿材料采用水泥漿（水灰比0.8～1：1），注漿壓力0.5 MPa～1.0 MPa，注漿量按加固體積5%進行控制。

注漿效果檢查與評定如下：

（1）檢查孔數(shù)量為鉆孔數(shù)量的3%～5%，且不小于3個。

（2）通過檢查孔進行觀察，檢查孔應成孔完整，涌水量應小于0.2 L/（m.min）。

（3）檢查孔取芯率應達到70%以上，并觀察漿液在地層空隙中的充填和膠結(jié)情況，以了解漿液擴散范圍和評價注漿效果。

3.2 快速換拱

徑向注漿加固和鎖腳錨桿施工完成后報監(jiān)理工程師確認合格后方可進行換拱作業(yè)，其詳細步驟如下：

（1）逐榀切除分割需換拱的該榀初期支護混凝土及鋼筋網(wǎng)片防止對不鑿除部分混凝土有損傷。

（2）人工手持風鎬分段鑿除剝離拱架節(jié)段的噴射混凝土，拆除拱架節(jié)段連接板處的連接螺栓。

（3）每榀拱架拆除后，測量檢查開挖尺寸是否滿足要求，滿足要求后及時對開挖面采用噴射C25混凝土封閉，再行按原設(shè)計設(shè)計參數(shù)施作初期支護。

（4）噴射砼之前再次檢查尺寸是否正確，確保不造成二次處理。

（5）噴射砼完成后重復以上步驟對下一榀鋼架進行拱架拆除、安裝。

（6）隧道換拱地段監(jiān)控量測每隔2 m進行布點監(jiān)測，同一斷面上、中、下導各設(shè)置兩測點用于圍巖收斂量測，拱頂設(shè)置一沉降觀測點，測量后及時處理量測數(shù)據(jù)，及時作出評價，優(yōu)化欠挖段初期支護參數(shù)，實施動態(tài)管理。

（7）對原設(shè)計襯砌斷面，為了控制大變形加強了支護參數(shù)，均加大襯砌斷面曲率施工，由Ⅳa襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為Ⅴ級加強（調(diào)整曲率）。不同襯砌斷面支護參數(shù)列于表1中。

3.3 換拱作業(yè)安全措施

（1）換拱期間應加強監(jiān)控量測，加強監(jiān)測頻率，當總變形值超過10 cm或變形大于2 cm/天時，立即停止換拱作業(yè)，必須采用I18鋼架施作斜撐或以抑制變形，必要時二次徑向注漿加固。（2）必須在臨近無侵入二襯襯砌混凝土段達到強度后才開始拆除施工。（3）換拱作業(yè)前，必須對拱墻進行注漿加固處理。 （4）換拱前應量測斷面輪廓，并與設(shè)計斷面輪廓對比，確定換拱范圍，嚴禁因操作失誤造成誤換拱或二次換拱。（5）換拱前應核實監(jiān)控量測，當沉降及凈空收斂穩(wěn)定后方可進行換拱作業(yè)。 （6）換拱前應先進行隧底開挖、仰拱及填充施作。初期支護封閉成環(huán)，仰拱及填充施作形成對隧底周邊巖體的反壓。（7）拆除拱架時要隨時注意圍巖情況，如發(fā)現(xiàn)圍巖破碎及掉塊現(xiàn)象，應立即停止拆除，用噴射混凝土封閉拆除面后再次進行徑向注漿加固，以穩(wěn)固圍巖。（8）拆換拱架時，拆完一個單元或一榀鋼拱架后，應立即安裝新的拱架上去，待全環(huán)初期支護完成后，才可進行下一榀鋼拱架的拆除置換工作。（9）換拱時嚴禁一次拆除兩榀及兩榀以上鋼架，每次拆除一榀，待新鋼架閉合，且噴射混凝土達到一定強度時后方可拆除下一榀鋼架。（10）嚴格按設(shè)計弧度要求加工鋼架，確保換拱后初期支護封閉成環(huán)。（11）換拱時應設(shè)有專人負責觀測圍巖變化情況，如有異常應立即哨聲通知施工人員撤離或采取加固措施。（12）施工前做好技術(shù)交底及應急救援預案，保證應急救援物資。

3.4 換拱效果

DK194+090～+030段換拱完成后，最大收斂0.2 mm/d，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

針對中老鐵路普亞村二號隧道DK193+810～+820、DK193+840～+868段、DK194+090～+030段施工期間初期支護水平收斂位移累計最大值達到了482.62 mm、水平收斂比拱頂沉降大10～20倍左右、侵限量值為63 mm～466 mm這一大變形特點，經(jīng)分析因隧道開挖后圍巖應力重新分布造成圍巖松動圈進一步加大、炭質(zhì)板巖遇水軟化導致了初期支護大變形。提出了拱墻鋼花管徑向注漿加固圍巖、未侵限段打設(shè)鎖腳錨管加固拱架以及仰拱開挖、初支、二襯和仰拱填充完成后再進行拱架拆換，拱架拆換遵循先上后下、一次一榀、換拱欠挖一次到位、及時施作二襯的原則，并將原設(shè)計的襯砌斷面加大曲率，增加了預留變形量，防止換拱后二次侵限，建立了“磨萬鐵路炭質(zhì)板巖大變形隧道初期支護侵限換拱技術(shù)”，確保了隧道施工安全，為圓滿完成隧道施工任務提供了“技術(shù)保障”。

參考文獻：

[1]張民慶，黃鴻健，何志軍，等.高地應力軟巖隧道釋放-約束平衡法控制變形技術(shù)[J].鐵道工程學報，2013，30（03）：50-57+76.

[2]中國水電建設(shè)集團國際工程有限公司第Ⅳ標項目經(jīng)理部，楠名河大橋2#、3#水中墩鋼圍堰專項施工方案[Z].2019.