城市隧道初支侵限處治技術(shù)研究

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市地鐵建設(shè)大幅增多，城市隧道多穿越復(fù)雜地質(zhì)，作業(yè)班組素質(zhì)參差不齊，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)大的沉降及變形使得初支侵限問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮，當(dāng)侵限問(wèn)題影響隧道二襯設(shè)計(jì)厚度時(shí)，需進(jìn)一步對(duì)隧道進(jìn)行換拱處治，而換拱過(guò)程實(shí)則為隧道又一次應(yīng)力重分布，稍有不慎將導(dǎo)致塌方災(zāi)害。

針對(duì)隧道侵限處治技術(shù)，國(guó)內(nèi)諸多工程師對(duì)此進(jìn)行了研究，王君順［1］以甘肅大頭峴隧道為依托，采取有限元對(duì)淺埋黃土隧道不同厚度二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而針對(duì)不同侵限尺寸采取三個(gè)等級(jí)的處理措施，避免了大范圍換拱引起安全隱患；覃維［2］以梅州山子頂隧道為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS數(shù)值分析軟件對(duì)換拱過(guò)程圍巖位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，得出在此過(guò)程隧道受力狀態(tài)最不利位置位于右側(cè)拱腳及邊墻位置；張林［3］以云南銃卡隧道為背景，針對(duì)隧道穿越粉砂質(zhì)泥巖初支結(jié)構(gòu)變形過(guò)大進(jìn)行分析，提出徑向管棚注漿，提高初支參數(shù)，上挑換拱的綜合處治措施和上述研究主要集中于山嶺隧道換拱的處理，對(duì)城市地鐵隧道而言，其多穿越城市繁華地帶，施工環(huán)境復(fù)雜，在換拱過(guò)程中為了保證隧道凈空及二次襯砌厚度，對(duì)拱頂及地表的沉降控制更為嚴(yán)格，施工過(guò)程稍有不慎易引起較大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。鑒于此，本文結(jié)合某地鐵隧道初支侵限處治案例，分析事故原因，并對(duì)初支換拱技術(shù)措施進(jìn)行闡述，欲為同類(lèi)工程施工提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

某城市地鐵隧道采用礦山法暗挖施工，左右中心線(xiàn)相距13～15 m，隧道圍巖綜合分級(jí)為Ⅲ～Ⅵ級(jí)，隧道上覆第四系土層主要為人工填土層，第四系上更新統(tǒng)卵石層、殘積土層，下伏基巖主要為侏羅系凝灰?guī)r和燕山期中細(xì)?；◢弾r，地下水位較高，埋深為1.85～3.70 m，沿線(xiàn)地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水，卵石層為主要含水層，富水性較好。該地鐵隧道路面交通路況繁忙，附近地面管線(xiàn)主要有污水管、電力管、燃?xì)夤芤约坝晁堋?/p>

隧道侵限段處于Ⅵ級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)斷面為馬蹄形，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

初支變形段位置位于DK47+130.5—DK47+148，共17.5 m，隧道頂板為粉質(zhì)黏土，側(cè)壁為全風(fēng)化花崗巖和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，底板為中風(fēng)化花崗巖，該區(qū)間地質(zhì)起伏變化較大，見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)縱斷面圖

2 事故概況

2017年11月28日凌晨1∶00左右，右線(xiàn)上臺(tái)階已停止開(kāi)挖，下臺(tái)階左邊墻拱架?chē)娡昊炷?；凌?∶30，上臺(tái)階拱腳出現(xiàn)涌泥、突水現(xiàn)象；凌晨4∶00，距離掌子面4 m處左邊墻出現(xiàn)拱腳變形裂縫。發(fā)生險(xiǎn)情后，現(xiàn)場(chǎng)管理人員立即組織工人開(kāi)始反壓掛網(wǎng)初噴。

右線(xiàn)DK46+116.7—DK47+199.6地段隧道位于塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖和中等風(fēng)化巖中，涌水量較大。初支出現(xiàn)明顯變形，現(xiàn)場(chǎng)管理人員立即組織作業(yè)人員在變形部位掛設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土，及時(shí)封閉掌子面。但在掌子面封閉完成2 h后，掌子面后方3 m范圍內(nèi)已經(jīng)完成初期支護(hù)的邊墻存在變形趨勢(shì)，出現(xiàn)了細(xì)微的環(huán)向裂縫，并出現(xiàn)線(xiàn)狀泥水滲漏情況。監(jiān)測(cè)到斷面DK46+134.6左拱肩處侵限最大超400 mm，嚴(yán)重侵入二襯范圍。據(jù)調(diào)查，右線(xiàn)掌子面對(duì)應(yīng)地面3 m左右有一根南北走向橫穿公路的DN100給水管，水務(wù)施工圖上無(wú)此水管，為居民小產(chǎn)權(quán)管，管線(xiàn)于埋深1.2 m處發(fā)生破裂，斷裂處距離隧道掌子面較近，水流直接涌入隧道造成涌水，并發(fā)生大變形。

3 初支變形原因分析

隧道發(fā)生涌水事故后，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一根南北走向橫穿公路給水管破裂是導(dǎo)致初支發(fā)生大變形的主因，水滲漏至隧道周邊圍巖，造成圍巖軟化，引起初支變形過(guò)大，進(jìn)一步分析如下：

3.1 管線(xiàn)破壞原因

隧道掘進(jìn)過(guò)程中的施工擾動(dòng)會(huì)使管線(xiàn)發(fā)生不均勻沉降，產(chǎn)生附加應(yīng)力，此外，管線(xiàn)的剛度遠(yuǎn)大于土體，對(duì)周?chē)馏w移動(dòng)產(chǎn)生抵抗作用。在兩種形式共同作用下，臨近隧道的管線(xiàn)易發(fā)生破裂［4］，滲漏水造成圍巖軟化，并與正在開(kāi)挖的隧道之間形成涌水通道，掏空管線(xiàn)下部土體，加劇管線(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，致使隧道發(fā)生涌水、大變形等災(zāi)害。

3.2 圍巖原因

隧道穿越全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，對(duì)于干燥無(wú)水的全風(fēng)化花崗巖，其具有一定的自穩(wěn)能力，對(duì)于富水的全風(fēng)化花崗巖，受水的影響，易于崩解，主要原因是全風(fēng)化花崗巖的微觀結(jié)構(gòu)具有孔隙比大，膠結(jié)物質(zhì)少，結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn)，接觸的形式以面-面接觸為主，在水的作用下，此結(jié)構(gòu)易發(fā)生相對(duì)滑移，以及高嶺石黏土礦物吸水膨脹不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。在宏觀上表現(xiàn)出易軟化及易崩解，土的強(qiáng)度降低，圍巖的自穩(wěn)時(shí)間短的性質(zhì)，無(wú)法形成預(yù)加固，而且改良地層的難度較大［5］。隧道涌水夾帶粉細(xì)砂顆粒，會(huì)進(jìn)一步造成地層損失，如不及時(shí)采取相應(yīng)措施，易發(fā)生隧道坍塌、地表塌陷等災(zāi)害事故。

4 初支變形控制措施

為防止隧道圍巖變形過(guò)大引起隧道坍塌，在對(duì)侵限初支進(jìn)行換拱處理前應(yīng)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，提升圍巖自穩(wěn)能力，在這一過(guò)程中遵循“穩(wěn)固掌子面，內(nèi)外共處治”的步驟：

4.1 洞內(nèi)控制處理

1）為防止掌子面進(jìn)一步滲水軟化圍巖，在掌子面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土，及時(shí)封閉掌子面。

2）初支變形段上臺(tái)階及掌子面碼放沙袋進(jìn)行反壓，防止掌子面擠出變形過(guò)大引起隧道坍塌。

3）I22工字鋼橫撐+“V”型架設(shè)斜撐支撐拱頂，支撐之間使用縱向連接筋進(jìn)行連接，確保洞內(nèi)初期支護(hù)穩(wěn)定。見(jiàn)圖3。

但老馬很欣賞我對(duì)詩(shī)歌的悟性。他有一個(gè)小本本，放在田頭，休息的時(shí)候，他會(huì)在本子上寫(xiě)上兩句。我有一次偷偷地翻了下那個(gè)小本子，發(fā)現(xiàn)老馬寫(xiě)的每一首詩(shī)，都離不開(kāi)稻草。

圖3 橫撐+“V”型斜撐

4.2 洞外控制處理

1）路面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，找出地下空洞或土體不密實(shí)區(qū)域，指導(dǎo)地面注漿作業(yè)，同時(shí)對(duì)地下管線(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)。

2）在洞內(nèi)的臨時(shí)支護(hù)完成并基本穩(wěn)定之后，立即在初支變形段對(duì)應(yīng)地表處路面采用后退式鉆注一體機(jī)進(jìn)行鉆孔注漿，根據(jù)隧道埋深、隧道位置及地面管線(xiàn)位置，布設(shè)注漿孔位和孔深，使用水泥漿+水玻璃雙液漿對(duì)隧道上部土體進(jìn)行加固。

5 換拱措施

初支格柵鋼架侵限里程為DK47+130.5—DK47+148?？?長(zhǎng)17.5 m，侵限的范圍較大，經(jīng)斷面測(cè)量，需進(jìn)行換拱處理的環(huán)向范圍為3.3 m范圍（1個(gè)拱架單元）。在處理初期支護(hù)的過(guò)程中必須要遵循“加固先導(dǎo)、先撐后破”的原則，確保施工人員的安全。在這個(gè)過(guò)程中須遵循以下流程，見(jiàn)圖4。

圖4 換拱處理流程

確保注漿加固效果是換拱工作開(kāi)始的前提條件，開(kāi)挖前必須設(shè)置超前探孔確定注漿效果滿(mǎn)足要求（無(wú)水流出）后方可進(jìn)行破除施工。拱架破除施工時(shí)先少量破除，觀察地質(zhì)情況，確認(rèn)安全后再進(jìn)行大面積破除。

5.1 打設(shè)泄壓孔

采用潛孔鉆在上臺(tái)階底部?jī)蓚?cè)拱腳土巖分界處各鉆一個(gè)泄水孔排水泄壓，見(jiàn)圖5。鉆孔角度沿隧道軸線(xiàn)方向外插5°～10°，深度5～10 m。

圖5 換拱示意

5.2 注漿加固

隧道針對(duì)初支侵限段不同區(qū)段采用了不同的加固方式，見(jiàn)圖6。

圖6 分段加固平面示意

1）未變形段注漿加固

掌子面變形段后方未變形段10 m范圍采用注漿小導(dǎo)管進(jìn)行初期支護(hù)背后注漿加固。小導(dǎo)管采用Φ42無(wú)縫鋼管，孔深0.5 m，環(huán)距、縱距均為5 m，梅花形布置。注漿材料采用水泥漿，水灰比控制在0.8∶1～1∶1，注漿壓力0.4～0.6 MPa。

2）變形段左側(cè)錨管注漿加固

變形段左側(cè)拱架未變形部位增設(shè)Φ25中空注漿錨桿，安裝托板后注漿，托板與格柵拱架密貼，上覆噴射混凝土進(jìn)行封閉。中空注漿錨桿梅花形布置，環(huán)距1 m，縱距0.5 m。

3）變形段右側(cè)小導(dǎo)管注漿加固

待左側(cè)加固處理完成后進(jìn)行右側(cè)小導(dǎo)管注漿加固作業(yè)。采用Φ42無(wú)縫鋼管注漿加固，鉆孔深3.5 m，1.0 m×1.0 m梅花形布置。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力0.8～1.2 MPa。

5.3 作業(yè)平臺(tái)

爆破石碴回填侵限區(qū)域至下臺(tái)階地面，并掛網(wǎng)噴射混凝土作為施工作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)平臺(tái)端部按30°放坡并網(wǎng)噴護(hù)面，見(jiàn)圖7。

圖7 作業(yè)平臺(tái)示意

5.4 臨時(shí)支撐施工

臨時(shí)支撐采用I16工字鋼支撐，支撐間距同隧道格柵鋼架，位置距拱頂正上方0.5 m，為保證支撐穩(wěn)定，在作業(yè)平臺(tái)的噴射混凝土面上設(shè)置20槽鋼固定于噴漿面上作為基礎(chǔ)，支撐型鋼與基礎(chǔ)采用焊接，在拱頂鋼架上焊接連接板，并與支撐型鋼滿(mǎn)焊，以確保支撐穩(wěn)固，可正常起到應(yīng)力轉(zhuǎn)換的作用。增加拱頂鎖角錨桿，見(jiàn)圖8。

圖8 臨時(shí)支撐示意

5.5 侵限拱架及噴混凝土破除

采用人工破除侵限混凝土面，每次拆除長(zhǎng)度0.5 m，初期支護(hù)每次支護(hù)長(zhǎng)度為0.5 m（單榀），對(duì)換拱段的鎖腳錨桿按每根4 m加長(zhǎng)設(shè)置，并將拱架封閉成環(huán)，每榀拱架均布設(shè)沉降及收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一循環(huán)的初期支護(hù)施工。

5.6 監(jiān)控量測(cè)

為檢驗(yàn)初支換拱處治效果，通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，選取掌子面所處地表位置為典型斷面，繪制地表累計(jì)沉降曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9。由典型斷面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析可知，通過(guò)“穩(wěn)固掌子面，內(nèi)外共處治”的加固措施，可有效控制隧道圍巖穩(wěn)定，降低地表沉降，同時(shí)在拆除侵限初支結(jié)構(gòu)的過(guò)程中掌子面所處地表沉降累計(jì)數(shù)值均在3 mm以?xún)?nèi)。

圖9 地表沉降變形曲線(xiàn)

6 結(jié)語(yǔ)

城市隧道施工受地質(zhì)條件及周邊地下各類(lèi)構(gòu)筑物復(fù)雜環(huán)境影響，易引起隧道大變形產(chǎn)生的初支侵限甚至塌方的災(zāi)害，為降低城市隧道初支侵限處治過(guò)程中的施工風(fēng)險(xiǎn)，本文對(duì)某地鐵隧道初支侵限案例進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）隧道穿越全風(fēng)化花崗巖地層，圍巖受水影響易軟化及崩解，導(dǎo)致自承能力降低，引起隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降。隧道施工前應(yīng)及時(shí)探明周邊管線(xiàn)情況，避免因施工擾動(dòng)對(duì)管道產(chǎn)生附加應(yīng)力引起滲漏現(xiàn)象。

2）通過(guò)及時(shí)封閉掌子面，掌子面反壓，設(shè)置橫撐+“V”型工字鋼及地表進(jìn)行雙液注漿等洞內(nèi)外綜合處治措施，可有效保證圍巖穩(wěn)定，防止進(jìn)一步加大變形及塌方災(zāi)害。

3）隧道侵限處治過(guò)程采用先加固，后支撐，逐榀換拱的原則，對(duì)不同區(qū)段進(jìn)行不同的加固方式，侵限段拱架拆除后及時(shí)加固拱腳。換拱工程實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋，防止二次侵限。