■黃俊平

(福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福州 350001)

初支換拱是隧道工程中最為常見的情形。由于復(fù)雜地質(zhì)條件以及一些不可預(yù)測(cè)的外部因素，如氣候等條件，致使隧道初期支護(hù)后的變形量較大，達(dá)到或超過了其預(yù)留值，縮小了二襯空間，嚴(yán)重影響支護(hù)體與圍巖共支體系的穩(wěn)定性。因此，在變形侵限的條件下，為了確保足夠的二襯空間，需要破壞初支受力體系，使圍巖的壓力得到一定程度的釋放再進(jìn)行支護(hù)施工，即換拱施工。換拱的施工難度大，且有較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，在不同的復(fù)雜地質(zhì)條件下，需考慮不同的方法和措施來保證換拱的施工安全及質(zhì)量。為此，以新塘隧道換拱施工為例，結(jié)合已有的研究和換拱施工經(jīng)驗(yàn)，探討幾種不同地質(zhì)條件下隧道的換拱施工工藝。

1 隧道換拱的地質(zhì)條件類型

由于我國(guó)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，很多隧道工程因?yàn)槌踔ё冃芜^大，需要進(jìn)行換拱處理，以保證足夠的二襯空間。結(jié)合已有的研究和施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)幾種比較常見的幾種復(fù)雜地質(zhì)條件下的換拱施工工藝，從而為本次新塘隧道換拱施工提供有效的參考。

1.1 軟巖地質(zhì)

軟巖，除了強(qiáng)度低的特性外，還有許多其他特點(diǎn)，如在一定條件下發(fā)生顯著的塑性變形等。對(duì)于隧道施工主要位于地表淺層，因此本文體積的軟巖，主要針對(duì)節(jié)理性軟巖。即巖體的節(jié)理比較發(fā)育，在一定的地質(zhì)條件下極易發(fā)生顯著的塑性變形，巖體自承能力較低，在加上地表水和裂隙水的影響，巖體的自承能力進(jìn)一步降低。對(duì)于這種巖體中的隧道換拱施工，在已有的換拱監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系下，很多研究者根據(jù)具體條件提出不同的施工方案。

李崇威等人[1]闡述了風(fēng)化強(qiáng)烈和裂隙發(fā)育的V級(jí)圍巖(BQ≤250)的特性，側(cè)重分析隧道初支變形的原因，提出合理的換拱施工過程及控制方法，成功完成了換拱施工。馬志國(guó)[2]分析了裂隙發(fā)育以及強(qiáng)風(fēng)化的V級(jí)圍巖的特性，結(jié)合工程實(shí)例針對(duì)淺埋公路隧道的換拱提出可行的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)隧道工程的安全換拱。周大鵬等人[3]等人在詳細(xì)勘察隧道V級(jí)圍巖的變形后，通過及時(shí)合理的處理變形段位以及塌方地段，及時(shí)制定相關(guān)的決策方案，從而完成對(duì)圍巖變形區(qū)段的換拱處理。秦海東等人[4]也討論了軟巖隧道初支換拱的施工技術(shù)。通過以上對(duì)軟巖隧道初支換拱的施工技術(shù)闡述，軟巖隧道初支換拱施工技術(shù)的總結(jié)如下：

(1)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，分析初支變形的主要原因；

(2)提供完整的換拱監(jiān)控測(cè)量體系，為換拱施工提供可靠的工藝參數(shù)；

(3)制定合理的換拱施工方案，針對(duì)軟巖隧道而言，主要的工藝過程如圖1所示。

1.2 黃土地質(zhì)

圖1 工藝流程圖

基于黃土的特殊性質(zhì)，一些工程人員對(duì)黃土隧道的換拱處理作了響應(yīng)的研究和闡述[5-7]。對(duì)于在含黃土的地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道換拱處理，其整個(gè)工藝流程與圖1相近。其主要區(qū)別在于黃土的特殊性質(zhì)不同，在換拱處理前需深入分析其侵限原因，以及地下水的發(fā)育情況，做好防水排水處理工作。其次是注漿環(huán)節(jié)的差異，由于黃土松散且雨水易膨脹軟化。因此，在注漿前需要測(cè)試黃土的一些相關(guān)性質(zhì)，以確定注漿管管長(zhǎng)和注漿壓力的控制。為了防止注漿過程中水對(duì)黃土的軟化，需在注漿漿液中添加速凝劑-水玻璃，以加快漿體凝固起到良好的固結(jié)作用。詳細(xì)的工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

1.3 高應(yīng)力地質(zhì)

高應(yīng)力因素是影響巖土工程地質(zhì)工程的一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)于淺部隧道的圍巖體而言，其高應(yīng)力狀態(tài)與深部巖體的靜水壓力狀態(tài)有所不同。淺部地應(yīng)力是以構(gòu)造應(yīng)力為主，即水平應(yīng)力一般大于垂直應(yīng)力。因此，如果最大水平主應(yīng)力的方向與隧道軸線方向的夾角偏大時(shí)，則嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性。因此對(duì)于高應(yīng)力隧道變形換拱施工的工藝討論，主要是針對(duì)高應(yīng)力條件下破碎巖體的加固作用，即是對(duì)換拱前進(jìn)行加固圍巖，時(shí)期穩(wěn)定后在進(jìn)行作業(yè)。賀冠軍等人[8]在研究高應(yīng)力隧道的換拱施工時(shí)，著重強(qiáng)調(diào)對(duì)換拱出的圍巖進(jìn)行加固處理，使其確保穩(wěn)定后在進(jìn)行換拱作業(yè)。趙華[9]在應(yīng)對(duì)高應(yīng)力隧道換拱時(shí)，也強(qiáng)調(diào)首先觀測(cè)變形或垮塌狀況，然后進(jìn)行注漿加固處理，并嚴(yán)格控制注漿加固的相關(guān)參數(shù)，以確保圍巖體的穩(wěn)定后在進(jìn)行換拱作業(yè)。

(4)偏應(yīng)力地質(zhì)

在隧道的開挖支護(hù)過程中，嚴(yán)重的偏壓現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致隧道出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，甚至產(chǎn)生橫向裂縫和錯(cuò)臺(tái)。因此，對(duì)于因偏壓導(dǎo)致的初支侵限，需進(jìn)行換拱處理的隧道工程，李明耿[10]在研究中作了詳細(xì)的介紹，其主要是對(duì)偏壓的位置進(jìn)行減壓加固處理。然后按照設(shè)計(jì)的換拱施工工藝進(jìn)行施工。

根據(jù)以上對(duì)不同地質(zhì)類型隧道換拱施工的論述，隧道初支換拱總體思路基本是一致的，其不同點(diǎn)是在于對(duì)隧道變形的處理方式以及對(duì)不同地質(zhì)條件下圍巖的加固方式。因此，借鑒已有的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)永杭高速A1標(biāo)新塘隧道進(jìn)口左洞ZK17+914～ZK17+944.4段初支部分侵限的位置進(jìn)行初支拆換施工。

2 工程概況

2.1 水文地質(zhì)情況

該換拱段距離洞口71m，洞頂覆蓋層約30m，主要為坡積粉質(zhì)粘土、殘積粘性土及全風(fēng)化變粒巖，未見破碎帶、節(jié)理密集帶、滑坡、崩塌等不良地質(zhì)發(fā)育，無地表水系經(jīng)過，地下水主要為基巖裂隙水及構(gòu)造裂隙水。圍巖巖性主要為全風(fēng)變粒巖，以軟巖為主，風(fēng)化劇烈、無自穩(wěn)能力、巖體以砂土狀結(jié)構(gòu)為主、手捏易碎；圍巖水理性差，遇水易軟化、崩解、坍塌；地下水較發(fā)育，以滲滴狀-線流狀出水為主。

2.2 原設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)變更

原設(shè)計(jì)新塘隧道左洞ZK17+858～ZK18+156段設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，ZK17+858～ZK17+888支護(hù)型式為ZDK-1，初期支護(hù)為工20b鋼支撐，間距0.6m/榀，二襯厚度55cm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；ZK17+888～ZK18+023支護(hù)型式為Z5-1，初期支護(hù)為工18鋼支撐，間距0.5 m/榀，二襯厚度45cm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

因圍巖性質(zhì)較差，故經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查確認(rèn)后，自ZK17+898位置開始，初期支護(hù)變更為：初期支護(hù)Φ25中空注漿錨桿變更為注漿小導(dǎo)管 (Φ50×5 mm)，施工輔助措施由F2-1變更為F2-5，鎖腳砂漿錨桿變更為注漿小導(dǎo)管(Φ50×5 mm)；初期支護(hù)工 18 鋼支撐、間距 0.5m/榀保持不變。并每10m進(jìn)行一次圍巖追蹤確認(rèn)，直至追蹤至ZK18+023恢復(fù)原設(shè)計(jì)支護(hù)型式。

2.3 初支侵限分析

2017年11月中上旬連續(xù)降雨天氣較多，11月14日突降暴雨，監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)15日當(dāng)天ZK17+911位置沉降量達(dá)-10.1mm，經(jīng)檢查該位置洞頂山體出現(xiàn)多條橫向裂縫，延伸長(zhǎng)度達(dá)30m，寬度達(dá)3～7cm，深度達(dá)1m。當(dāng)即下達(dá)了停工指令停止掌子面掘進(jìn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查后，決定進(jìn)行小導(dǎo)管注漿加強(qiáng)，并持續(xù)監(jiān)測(cè)沉降變形。經(jīng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)未施工仰拱段變形量扔在持續(xù)，完成仰拱段變形趨于穩(wěn)定，且因掌子面圍巖性質(zhì)較差、上臺(tái)階拱腳位置受水浸泡更加受力不足，故經(jīng)再次討論，在變形段加強(qiáng)持續(xù)觀測(cè)的同時(shí)，掌子面繼續(xù)向前開挖，仰拱向前推進(jìn)，盡快將初支封閉成環(huán)。

2017年11月28日中午，ZK17+936～ZK17+937段右側(cè)壁中臺(tái)階開挖準(zhǔn)備架立鋼拱架時(shí)發(fā)生土體小塌方，長(zhǎng)度約1.5m，高約3m，深度約1.5m，當(dāng)即停工進(jìn)行了反壓回填。受此影響，ZK17+915～ZK17+940段中、下臺(tái)階連接位置變形加大，見明顯“鼓包”，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查后，決定對(duì)該段連接板位置上下各增設(shè)一排注漿小導(dǎo)管，并牢焊于拱架上。至2018年1月準(zhǔn)備進(jìn)行二襯施工前，項(xiàng)目部采用激光斷面儀對(duì)該段初支斷面進(jìn)行了全面掃描，發(fā)現(xiàn)ZK17+914～ZK17+944.4段內(nèi)已多處侵限超過設(shè)計(jì)及規(guī)范限值，左側(cè)侵限5～28 cm，右側(cè)變形較大，其中ZK17+929～ZK17+937段右側(cè)侵限達(dá)到 33～50 cm，故需對(duì)ZK17+914～ZK17+944.4段初支進(jìn)行換拱處理，支護(hù)型式為Z5-1，初期支護(hù)為工18鋼支撐，間距0.5 m/榀，二襯厚度45 cm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。另檢查發(fā)現(xiàn)，ZK17+892～ZK17+914段已施作二襯段拱頂中線偏右側(cè)約2 m位置出現(xiàn)一條縱向裂縫，延伸長(zhǎng)度約22 m，寬度約2 mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查后決定，沿裂縫位置布設(shè)蓋玻片監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展情況。

截至2018年5月9日，掌子面已施工至ZK18+113.5位置，ZK17+944.4～ZK17+992段二襯已施工，掌子面圍巖為Ⅴ級(jí)，巖性主要為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變粒巖，以軟巖-較硬巖為主，巖體呈碎裂狀、裂隙狀結(jié)構(gòu)，地下水較發(fā)育、以滲滴狀、線流狀為主。換拱段落監(jiān)控量測(cè)變形已趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。原二襯開裂位置未發(fā)展、未出現(xiàn)新增裂縫，具備換拱作業(yè)條件。

圖3 新塘隧道進(jìn)口周邊位移測(cè)點(diǎn)布置圖

3 換拱施工方案

3.1 總體思路

換拱作業(yè)要注重施工安全，換拱作業(yè)期間掌子面開挖暫停、噴混封閉，總體思路是“先加固、后拆換”“跳四挖二”，其次換拱后，欠挖一次處理到位，防止換拱完成后出現(xiàn)二次侵限。

3.2 變形開裂段初支斷面超欠挖檢查

(1)測(cè)量組對(duì)初支變形地段每榀拱架進(jìn)行斷面凈空檢查，繪出超欠挖斷面圖；

(2)測(cè)量組根據(jù)技術(shù)交底在現(xiàn)場(chǎng)用油漆標(biāo)出換拱的起止里程、部位，方便現(xiàn)場(chǎng)換拱施工。

3.3 換拱施工流程

換拱段兩端先施作二次襯砌，確認(rèn)換拱段落初期支護(hù)封閉、完成仰拱及仰拱填充施作、變形收斂穩(wěn)定→施作臨時(shí)支撐→換拱地段徑向注漿→注漿效果檢測(cè)→換拱部位施作超前小導(dǎo)管→施作保留初支 (上側(cè))端頭鎖腳導(dǎo)管→分單元鑿除侵限段初期支護(hù)→開挖并安裝型鋼鋼架→噴射混凝土→下一循環(huán)處理。換拱施工工藝流程如圖4所示。

圖4 換拱施工工藝流程圖

(1)施作徑向小導(dǎo)管

因初支施工過程中超前小導(dǎo)管已進(jìn)行注漿處理，故換拱實(shí)施過程中需根據(jù)開挖情況及監(jiān)控量測(cè)情況，有針對(duì)性地進(jìn)行注漿處理。初步注漿段落為ZK17+927～ZK17+935段。

首先對(duì)該段初期支護(hù)打設(shè)L=5m、Φ50mm注漿小導(dǎo)管，沿隧道拱墻周壁進(jìn)行圍巖徑向注漿加固。注漿鋼管間距為 1m(環(huán)向)×1m(縱向)。 注漿采用 1∶1 水泥漿，采用 P.042.5普通硅酸鹽水泥，，注漿壓力1.2～1.4MPa，具體注漿壓力根據(jù)施工過程中圍巖變化、注漿情況適當(dāng)調(diào)整。注漿前要對(duì)注漿設(shè)備及壓力表進(jìn)行檢驗(yàn)，每次注漿前要確保壓力表歸零，安排專人觀察注漿壓力值。待漿液凝固后，結(jié)合凈空測(cè)量數(shù)據(jù)，變形穩(wěn)定后方可進(jìn)行換拱處理。換拱前進(jìn)行注漿效果效果檢查評(píng)定：檢查孔數(shù)量為鉆孔數(shù)量的3%～5%，且不小于3個(gè)。

①檢查孔法：通過檢查孔進(jìn)行觀察，檢查孔應(yīng)成孔完整，涌水量應(yīng)小于0.2L/(m·min)；

②檢查孔取芯法：檢查孔取芯率應(yīng)達(dá)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(kuò)散范圍和評(píng)價(jià)注漿效果。

(2)拆除初期支護(hù)混凝土

拆除時(shí)首先采用風(fēng)鎬對(duì)初支混凝土分塊破除，然后拱部(含拱腳)人工風(fēng)稿配合機(jī)械方式拆除，氣割割除原拱架及拱架連接筋，確保不破壞既有拱架受力。原初支拆除后人工與機(jī)械相結(jié)合擴(kuò)挖至要求輪廓，重新支護(hù)預(yù)留變形量調(diào)整為15cm，擴(kuò)挖后對(duì)巖面進(jìn)行混凝土初噴。

初支拆換施工過程中，派專人加強(qiáng)安全防護(hù)、監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取應(yīng)急措施并上報(bào)。

4 監(jiān)控量測(cè)

施工中的監(jiān)控量測(cè)是施工安全的保障，隧道換拱地段將監(jiān)控量測(cè)作為工序引入作業(yè)循環(huán)，測(cè)量后及時(shí)處理量測(cè)數(shù)據(jù)，并與工程類比法相結(jié)合，及時(shí)作出評(píng)價(jià)，優(yōu)化欠挖段初期支護(hù)參數(shù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)管理。隧道換拱地段監(jiān)控量測(cè)每隔2 m進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并建立測(cè)量臺(tái)賬，同一斷面上、中、下導(dǎo)各設(shè)置兩測(cè)點(diǎn)用于圍巖收斂量測(cè)，拱頂設(shè)置一沉降觀測(cè)點(diǎn)。監(jiān)控量測(cè)工作由項(xiàng)目部測(cè)量小組及同濟(jì)大學(xué)監(jiān)測(cè)小組共同監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步了解和觀察欠挖段換拱時(shí)圍巖動(dòng)態(tài)發(fā)展情況。正常情況下監(jiān)測(cè)頻次2次/d，出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，及時(shí)與項(xiàng)目部工程部聯(lián)系，必要時(shí)增加監(jiān)測(cè)頻次。

5 結(jié)論

本文從四種不同的地質(zhì)類型討論隧道初支換拱施工方法。其主要從初支變形監(jiān)測(cè)分析入手，強(qiáng)調(diào)初支變形監(jiān)測(cè)分析和初支圍巖加固的重要性。在對(duì)不同地質(zhì)條件下隧道初支換拱過程中，其主要的不同體現(xiàn)在初支變形的原因和圍巖體加固的方式不同。因此在對(duì)新塘隧道制定換拱方案時(shí)，主要從初支變形分析和變形圍巖的注漿加固兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，為該隧道換拱施工提供有力的參考。同時(shí)，該方案的實(shí)施完工后，工程質(zhì)量安全滿足設(shè)計(jì)要求和相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為其他隧道工程處理同類事件提供可靠經(jīng)驗(yàn)參考。