張 偉，劉艷青

(鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

隧道工程施工中，隧道開(kāi)挖引起坑道周圍圍巖應(yīng)力重分布，當(dāng)初期支護(hù)提供的抗力不足以抵抗圍巖變形需求時(shí)，初期支護(hù)將發(fā)生變形。初期支護(hù)變形速率過(guò)大容易引起隧道坍塌，產(chǎn)生安全事故;累計(jì)變形值過(guò)大容易引起初期支護(hù)侵限，造成二次襯砌厚度不足。因此，根據(jù)地質(zhì)和施工條件采取針對(duì)性的控制措施降低圍巖變形速率，從而達(dá)到控制初期支護(hù)變形的目的，對(duì)保證隧道施工和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

1 工程概況

福川隧道為新建客運(yùn)專線鐵路隧道，全長(zhǎng)10 649 m，起止里程為DK39+730—DK50+379，其3#橫洞承擔(dān)DK45+454—DK48+072的施工任務(wù)。3#橫洞小里程方向于2011年12月9日因冬休停工，掌子面里程DK46+115，2012年5月1日復(fù)工。復(fù)工后現(xiàn)場(chǎng)采用臺(tái)階法施工，開(kāi)挖采用周邊眼裝少量炸藥進(jìn)行起爆，中心土采用挖掘機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖。當(dāng)掌子面施工至DK46+074時(shí)，后方變形觀測(cè)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)斷面單日拱頂下沉最大值15mm/d、單日邊墻收斂最大值25mm/d，累計(jì)變形值均未超過(guò)100mm，現(xiàn)場(chǎng)采取了應(yīng)急措施。繼續(xù)施工發(fā)現(xiàn)拱頂下沉和邊墻收斂變形速率居高不下，且部分段落鋼架周圍出現(xiàn)程度不等的環(huán)向裂縫(如圖1)，鋼架噴射混凝土保護(hù)層局部剝落，上下臺(tái)階鋼架連接處噴射混凝土多處開(kāi)裂(如圖2)，鋼架連接處發(fā)生較大的收斂變形，裂縫及混凝土剝落發(fā)展均較快，現(xiàn)場(chǎng)于6月2日立即暫停施工。停工時(shí)掌子面里程DK46+072，下臺(tái)階里程DK46+102，仰拱里程DK46+113，二次襯砌里程DK46+141。

圖1 鋼架周圍混凝土裂縫

圖2 鋼架連接處混凝土開(kāi)裂

對(duì)觀測(cè)斷面進(jìn)行加密，持續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)各觀測(cè)斷面拱頂下沉和變形收斂變形速率均較大，且持續(xù)增長(zhǎng)。于6月4日觀測(cè)到DK46+105斷面拱頂累計(jì)下沉163 mm，邊墻累計(jì)收斂190mm;DK46+100斷面拱頂累計(jì)下沉152 mm，邊墻累計(jì)收斂179 mm。DK46+075—DK46+135各觀測(cè)斷面累計(jì)變形值已超過(guò)預(yù)留變形量，初期支護(hù)變形侵限，DK46+100和DK46+105觀測(cè)斷面觀測(cè)到的累計(jì)拱頂下沉和邊墻收斂值都較大。

2 隧道初期支護(hù)變形原因分析

2.1 地質(zhì)原因

該變形地段設(shè)計(jì)地質(zhì)類型為白堊系下統(tǒng)泥巖，局部夾砂巖，弱膨脹性。開(kāi)挖揭示掌子面為褐色泥巖、松軟潮濕、強(qiáng)度低、掌子面左側(cè)滲水。施工打鉆用水與掌子面滲水使泥巖強(qiáng)度及自穩(wěn)能力急劇下降，同時(shí)泥巖遇水發(fā)生膨脹，導(dǎo)致圍巖壓力增加，初期支護(hù)發(fā)生變形，變形時(shí)間長(zhǎng)且未得到有效控制，導(dǎo)致發(fā)生大變形。

2.2 施工原因

1)3#橫洞于2011年12月9日停工冬休，2012年5月1日復(fù)工，由于冬休停工，初期支護(hù)放置時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)5個(gè)月之久。復(fù)工后隧道采用爆破法施工，對(duì)周圍圍巖多次擾動(dòng)，塑性區(qū)范圍增大，產(chǎn)生較大的圍巖壓力，使初期支護(hù)產(chǎn)生變形。

2)現(xiàn)場(chǎng)未根據(jù)特殊地質(zhì)條件采取有針對(duì)性的施工方法，上下臺(tái)階長(zhǎng)度均較長(zhǎng)，上下臺(tái)階預(yù)留高度不足。該施工段落泥巖具有一定的膨脹性，圍巖遇水膨脹產(chǎn)生較大的豎向和側(cè)向壓力，初期支護(hù)和上下臺(tái)階高度提供的抗力不足以抵抗圍巖產(chǎn)生的豎向和側(cè)向壓力，產(chǎn)生變形。

3)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隧道開(kāi)挖后各觀測(cè)斷面拱頂下沉和邊墻收斂速率以及累計(jì)變形值雖未超過(guò)警戒值，但變形速率并未隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，拱頂下沉和邊墻收斂觀測(cè)值持續(xù)增加，現(xiàn)場(chǎng)未采取有針對(duì)性的加固預(yù)防措施，導(dǎo)致初期支護(hù)發(fā)生大變形。

3 隧道初期支護(hù)變形的處理

3.1 應(yīng)急處理

初期支護(hù)變形速率急劇增加后，現(xiàn)場(chǎng)采取了如下應(yīng)急處理措施:

1)封閉掌子面。立即暫停施工，采用C25網(wǎng)噴混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉，掌子面封閉厚度不小于5 cm，防止掌子面因暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、圍巖強(qiáng)度過(guò)低而發(fā)生垮塌。

2)上臺(tái)階應(yīng)急處理。上臺(tái)階DK46+072—DK46+102段設(shè)置“I18+噴射混凝土”臨時(shí)仰拱支護(hù)。臨時(shí)仰拱I18對(duì)應(yīng)原初期支護(hù)I18布置，于鋼架連接處焊接牢固。臨時(shí)仰拱I18之間采用方木進(jìn)行橫向支撐，形成方格網(wǎng)狀布置，防止因側(cè)向擠壓力過(guò)大導(dǎo)致鋼架發(fā)生扭曲變形。臨時(shí)仰拱鋼架之間采用與初期支護(hù)噴射同級(jí)混凝土填充密實(shí)，為臨時(shí)仰拱鋼架提供側(cè)向抗力，噴射混凝土厚度以覆蓋鋼架為宜。由上臺(tái)階邊緣向掌子面方向加固施工。

3)下臺(tái)階應(yīng)急處理。DK46+102—DK46+113段上下臺(tái)階鋼架連接處采用I18對(duì)撐，鋼架與原初期支護(hù)鋼架焊接牢固;墻腳設(shè)置臨時(shí)仰拱進(jìn)行加固，臨時(shí)仰拱設(shè)置同上臺(tái)階。上下臺(tái)階鋼架連接處增加φ42鎖腳錨管進(jìn)行加固，錨管長(zhǎng)度不小于5m，每處接頭4根，相互錯(cuò)開(kāi)布置，錨管與鋼架焊接牢固，保證錨固效果(如圖3)。由二襯端頭向掌子面施工，先施作鎖腳錨管，然后進(jìn)行臨時(shí)仰拱和支撐施工。

圖3 鎖腳錨管布置(單位:m)

4)DK46+113—DK46+135段于上下臺(tái)階鋼架連接處增加鎖腳錨管進(jìn)行加固，鎖腳錨管設(shè)置同下臺(tái)階應(yīng)急處理。

5)初期支護(hù)變形應(yīng)急處理過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)變形觀測(cè)。DK46+072—DK46+135共計(jì)63 m存在初期支護(hù)變形侵限現(xiàn)象，DK46+100斷面拱頂累計(jì)沉降值最大，實(shí)際觀測(cè)值為278 mm，侵限178 mm(如圖4);DK46+105斷面邊墻累計(jì)收斂值最大，實(shí)際觀測(cè)值為320mm，侵限220mm(如圖5)。現(xiàn)場(chǎng)于6月5日進(jìn)行初期支護(hù)變形應(yīng)急處理，6月10日全部完成。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)急處理過(guò)程中，圍巖變形速率逐漸減小，應(yīng)急加固完成后，初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定，變形速率接近于0，支護(hù)變形得到有效控制。

圖4 DK46+100變形觀測(cè)值

3.2 變形侵限處理

圖5 DK46+105變形觀測(cè)值

在初期支護(hù)變形應(yīng)急處理完成且初期支護(hù)變形穩(wěn)定后，對(duì)侵限的初期支護(hù)進(jìn)行換拱處理。換拱處理遵循“少裝藥、弱爆破、逐榀更換、勤量測(cè)”的原則組織實(shí)施。鋼架拆除由二襯端頭向掌子面方向逐榀進(jìn)行，并采用縮小鋼架間距、增加噴射混凝土厚度等措施加強(qiáng)初期支護(hù)。置換拱架前復(fù)核開(kāi)挖斷面尺寸，須比設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線擴(kuò)大15 cm，即預(yù)留15 cm的變形量。

1)拱架置換從二襯端頭變形侵限第二榀拱架間向掌子面方向進(jìn)行。采用少裝藥、弱爆破方式鑿除寬為25～40 cm、深度為侵限值并加大15 cm預(yù)留變形量的拱槽，拱槽鑿除完成后，進(jìn)行拱架安裝。

在拆除第二榀拱架前，在已置換第一榀拱架拱部上方施作超前注漿小導(dǎo)管對(duì)初期支護(hù)背后已松動(dòng)圍巖進(jìn)行加固。小導(dǎo)管尾部與拱架焊接牢固，超前小導(dǎo)管注漿漿液采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.5～1.2 MPa，注漿過(guò)程中加強(qiáng)觀察，謹(jǐn)防壓裂原初支面。注漿完成12 h后圍巖形成一定的自穩(wěn)能力，然后拆除下一榀拱架，如此循環(huán)進(jìn)行換拱。

2)拱架拆除前首先檢查拆除拱架的錨桿、連接筋、網(wǎng)片與拱架是否徹底斷開(kāi)，未斷開(kāi)的先行斷開(kāi)后再拆除。然后，對(duì)已置換的拱架之間的初支及突出的圍巖進(jìn)行鑿除，再進(jìn)行拱架連接筋的焊接，網(wǎng)片掛設(shè)，噴混凝土封閉，以此進(jìn)行下一榀拱架置換。

3)DK46+135—DK46+102段由邊墻開(kāi)始進(jìn)行拱架的置換，然后進(jìn)行拱部拱架置換。亦即先進(jìn)行邊墻拱架的鑿槽，然后支立邊墻的鋼架，鎖腳錨管的施作，再進(jìn)行拱部拱架的鑿槽、拱架置換、鎖腳錨管的施作，相鄰一榀拱架同樣順序置換完成后，進(jìn)行拱架間的初支、圍巖處理。換拱處理達(dá)到一環(huán)二襯長(zhǎng)度立即進(jìn)行二襯施工。

4)DK46+102—DK46+072段拱架置換逐榀進(jìn)行。置換時(shí)，先弱爆破拆除原變形鋼架，再鑿槽安裝鋼架，相鄰拱架拆除完成后，立即進(jìn)行拱架間初期支護(hù)的施作。

5)按上述步驟逐榀向前拆除鋼架，直至完成全部換拱作業(yè)。在仰拱已施工完成段，若達(dá)到12 m，滿足一環(huán)二襯長(zhǎng)度，則立即進(jìn)行二襯施工;下臺(tái)階換拱完成后，進(jìn)行上臺(tái)階換拱施工，下臺(tái)階開(kāi)挖按照一榀鋼架步距進(jìn)行，鎖腳錨管加強(qiáng)，達(dá)到3榀步距，則立即完成初支成環(huán)的仰拱施工。

福川隧道3#橫洞于6月15日開(kāi)始初期支護(hù)變形侵限段的換拱施工，7月25日完成全部換拱施工，歷時(shí)40 d，平均1.6 m/d，換拱期間初期支護(hù)變形穩(wěn)定，無(wú)大變形發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

福川隧道因地質(zhì)和施工因素導(dǎo)致圍巖變形速率長(zhǎng)期不能趨于穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)初期支護(hù)采取臨時(shí)仰拱和鎖腳錨管等應(yīng)急處理措施，有效地控制了圍巖變形，保證了后續(xù)變形侵限處理的順利進(jìn)行，在工程進(jìn)度和施工安全上取得了理想效果。

1)隧道施工應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況采取有針對(duì)性的施工措施和方法，施工過(guò)程中應(yīng)切實(shí)重視變形觀測(cè)的指導(dǎo)作用，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行施工方法和支護(hù)措施的動(dòng)態(tài)調(diào)整，真正做到以變形觀測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。

2)隧道支護(hù)變形處理方式多樣，施工現(xiàn)場(chǎng)需根據(jù)地質(zhì)因素和變形特點(diǎn)采取有針對(duì)性的控制措施。臨時(shí)仰拱和鎖腳錨管聯(lián)合加固措施能夠有效地降低初期支護(hù)變形速率，控制圍巖變形，同時(shí)能夠?yàn)楹笃谧冃翁幚硖峁┮欢ǖ陌踩Ｕ稀?/p>

3)隧道換拱作業(yè)方式較多，采取有效的加固措施后，“少裝藥、弱爆破”換拱方式具有進(jìn)度快、效果優(yōu)的特點(diǎn)，在換拱施工中不失為一種合理選擇。

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