王賓

摘要：某山區(qū)高速公路隧道洞口段位于炭質(zhì)板巖地段，隧道在進(jìn)洞80m后在初期支護(hù)中陸續(xù)產(chǎn)生裂縫、大變形等病害，本文描述了該隧道的病害特征，分析了該隧道的病害成因，并對(duì)病害處治措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

Abstract： The tunnel section of a mountainous highway tunnel is located in the carbonaceous slate section. After 80m of the tunnel， the tunnel will cause cracks and large deformations in the initial support. This paper describes the disease characteristics of the tunnel， analyzes the causes of the disease in the tunnel， and introduces the treatment measures.

關(guān)鍵詞：山區(qū)高速公路;炭質(zhì)板巖;隧道;大變形;換拱

Key words： mountainous highway;carbonaceous slate;tunnel;large deformation;change the arch

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0141-04

0? 引言

炭質(zhì)板巖具有遇水軟化的特性，由于其干燥狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較高，因此在勘察設(shè)計(jì)階段常常不能得到足夠的重視，而實(shí)際上炭質(zhì)板巖屬于軟巖的范疇。炭質(zhì)板巖在我國(guó)西南地區(qū)分布較廣泛，近年來(lái)，隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，西南地區(qū)的鐵路、公路隧道工程不斷增多，炭質(zhì)板巖帶來(lái)的隧道大變形問(wèn)題越來(lái)越凸顯，也越來(lái)越得到工程界和學(xué)術(shù)界的重視。在蘭渝鐵路、成蘭鐵路、長(zhǎng)昆高鐵、臨合高速公路等工程的修筑過(guò)程中，多座隧道遇到了炭質(zhì)板巖的問(wèn)題，工程界圍繞炭質(zhì)板巖的工程特性、炭質(zhì)板巖隧道大變形的成因、施工處治措施等問(wèn)題開(kāi)展了初步的探索和研究。本文以西部某高速公路炭質(zhì)板巖隧道工程初期支護(hù)的大變形病害處治技術(shù)為例，進(jìn)一步分析大變形病害成因、特征及其處治措施，以期為今后類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

1? 隧道病害情況描述

1.1 工程概況

某山區(qū)高速公路隧道是一座分離式隧道，左線隧道全長(zhǎng)1350m，右線隧道全長(zhǎng)1356m，隧道進(jìn)口端原設(shè)計(jì)采用SF4a襯砌支護(hù)類(lèi)型，在施工過(guò)程中進(jìn)行了支護(hù)類(lèi)型變更，按照不同位置分別變更變?yōu)镾F5a和SF5b支護(hù)型式。該隧道進(jìn)口段施工開(kāi)挖到左線80m、右線120m時(shí)，由于連續(xù)下雨導(dǎo)致左線及右線隧道內(nèi)發(fā)生初期支護(hù)開(kāi)裂、下沉等病害。觀測(cè)到病害時(shí)，隧道累計(jì)開(kāi)展洞內(nèi)施工65天，左線隧道累計(jì)施工進(jìn)尺：80m，仰拱施作65m，二次襯砌施作10m;右線隧道累計(jì)進(jìn)尺100m，仰拱施作80m，二次襯砌施作42m。

1.2 工程地質(zhì)概況

原勘察設(shè)計(jì)文件將進(jìn)口段圍巖定為Ⅳ級(jí)圍巖，強(qiáng)風(fēng)化板巖;呈松散結(jié)構(gòu)，圍巖易坍。實(shí)際地質(zhì)情況為灰黑色板巖、頁(yè)巖、泥灰?guī)r，圍巖產(chǎn)狀混亂，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，結(jié)構(gòu)為碎裂狀、散體狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育。結(jié)構(gòu)面錯(cuò)綜復(fù)雜，多填充軟弱夾層，遇水后易軟化，層間結(jié)合差，自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖過(guò)程中拱頂易坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)，滲、滴水現(xiàn)象嚴(yán)重，見(jiàn)圖1所示。

1.3 工程病害情況

受連續(xù)降雨影響，在隧道進(jìn)洞后2個(gè)月左右發(fā)現(xiàn)隧道左、右幅初期支護(hù)均發(fā)生了不同程度的變形開(kāi)裂現(xiàn)象。左洞邊墻局部出現(xiàn)裂縫;右洞出現(xiàn)環(huán)向裂縫;已施作完成仰拱段落，初期支護(hù)裂縫仍繼續(xù)產(chǎn)生，并在拱腳位置出現(xiàn)縱向裂縫;已支護(hù)完成的上斷面、邊墻鋼拱架局部出現(xiàn)變形，局部位置初期支護(hù)滲水嚴(yán)重。在發(fā)現(xiàn)隧道病害后施工單位及組織洞內(nèi)機(jī)械人員全部調(diào)離，停止施工作業(yè)，搭設(shè)臨時(shí)支撐，防止惡化，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了進(jìn)一步的監(jiān)控量測(cè)。經(jīng)第三方檢測(cè)單位測(cè)量，獲得隧道的病害情況如下：

1.3.1 初期支護(hù)變形情況

左線隧道洞口段0-25m范圍內(nèi)左側(cè)初期支護(hù)斷面侵限，右側(cè)略有富余，初期支護(hù)左側(cè)局部最大侵限17cm;25-35m范圍內(nèi)斷面左側(cè)侵限較為嚴(yán)重，右側(cè)略有富余，初期支護(hù)左側(cè)最大侵限28cm;35-45m范圍內(nèi)斷面左側(cè)侵限，右側(cè)略有富余，個(gè)別斷面初期支護(hù)左側(cè)最大侵限16cm;45-80m范圍內(nèi)斷面左側(cè)侵限嚴(yán)重，右側(cè)略有富余，斷面左側(cè)最大侵限20cm。

右線隧道洞口段0-40m范圍內(nèi)隧道整體侵限，左側(cè)相對(duì)較為嚴(yán)重在8-15cm之間，局部最大22cm，右側(cè)在5-12cm之間，局部最大18cm;進(jìn)洞40-70m范圍內(nèi)侵限較小，最大侵限5cm左右。

1.3.2 初期支護(hù)混凝土裂縫

左線隧道進(jìn)口洞內(nèi)20-30mm處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長(zhǎng)約3.6m，寬約3-6mm;左線隧道進(jìn)洞40-50m處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長(zhǎng)約4.8m，縫寬約4-7mm。右線隧道進(jìn)洞20m處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長(zhǎng)約3.2m，縫寬約4-8mm;右線隧道進(jìn)洞30-40m之間有6處裂縫沿隧道左側(cè)拱腰延伸至拱頂，長(zhǎng)約4.1m，縫寬約3-6mm。

1.3.3 拱頂沉降

2016年7月17日觀測(cè)ZK94+460、ZK94+465拱頂下沉發(fā)生突變，單日沉降速率達(dá)到2.1mm/d-3.1mm/d（累計(jì)沉降量已達(dá)到115.7mm-121.6mm，Ⅳ及圍巖已超出原設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量，Ⅴ級(jí)圍巖已超出原設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量的2/3）;2016年7月18日觀測(cè)YK94+470、YK94+480、YK94+490拱頂下沉發(fā)生突變，單日沉降速率達(dá)到7.5mm/d-11.8mm/d（累計(jì)沉降量已達(dá)到88.6mm-121.5mm，Ⅳ及圍巖已超出原設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量，Ⅴ級(jí)圍巖已超出原設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量的2/3）。

1.3.4 周邊位移

據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，左線隧道周邊位移單日位移速率達(dá)到2.3mm/d-3.6mm/d（累計(jì)位移量已達(dá)到110mm-120.4mm）;右線隧道周邊位移單日位移速率達(dá)到8.2mm/d-9.1mm/d（累計(jì)位移量已達(dá)到85.3mm-105.6mm）。

1.3.5 地表沉降速率

據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)底邊沉降速率未出現(xiàn)突變情況，單日沉降速率為0.1mm/d-0.11mm/d，無(wú)地表開(kāi)裂現(xiàn)象。

2? 病害成因分析

根據(jù)設(shè)計(jì)施工資料分析，本隧道產(chǎn)生開(kāi)裂、大變形病害的首要原因是勘察設(shè)計(jì)單位對(duì)于圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，在勘察設(shè)計(jì)階段將炭質(zhì)板巖當(dāng)成普通的強(qiáng)風(fēng)化板巖，圍巖類(lèi)別定為Ⅳ級(jí)圍巖，采取的施工支護(hù)措施明顯偏弱，未針對(duì)炭質(zhì)板巖遇水軟化易變形的特殊工程特性采取針對(duì)性的處治措施。在隧道開(kāi)挖后，未及時(shí)變更圍巖類(lèi)別，雖然將支護(hù)類(lèi)型從SF4a變更變?yōu)镾F5a和SF5b支護(hù)型式，但未針對(duì)炭質(zhì)板巖的特殊工程特性增加預(yù)留變形量、調(diào)整施工支護(hù)參數(shù)，因此導(dǎo)致病害的逐步積累發(fā)生。

另一方面，從現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息來(lái)看，洞口段開(kāi)挖采用臺(tái)階法施工，左線隧道掌子面距離仰拱15m，掌子面距離二次襯砌70m;右線隧道掌子面距離仰拱20m，掌子面距離二次襯砌60m。施工支護(hù)參數(shù)存在明顯不合理，二次襯砌到掌子面距離過(guò)長(zhǎng)，針對(duì)軟巖地段未做到二次襯砌緊跟、及時(shí)封閉仰拱，這也是導(dǎo)致初期支護(hù)變形開(kāi)裂的直接原因。

3? 病害處治方案與實(shí)施

3.1 病害處治方案

經(jīng)專(zhuān)題會(huì)議研究，制定了臨時(shí)支撐、換拱方案對(duì)病害地段進(jìn)行加固處理，臨時(shí)支撐采用扇形支撐方式;凡侵入二次襯砌凈空且二次襯砌厚度不能滿(mǎn)足40cm的部位采取換拱處理，并在隧道內(nèi)標(biāo)注換拱部位;二次襯砌厚度滿(mǎn)足40cm且小于設(shè)計(jì)厚度段落，二次襯砌采取加強(qiáng)處理。

3.1.1 左洞病害處治

對(duì)于能滿(mǎn)足40cm二襯厚度要求的地段，提前施作二次襯砌，并對(duì)二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理;對(duì)于初期支護(hù)由于侵限嚴(yán)重地段，需進(jìn)行換拱處理同時(shí)對(duì)該段二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理。對(duì)于仰拱還未施工地段，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，由于該段按照滿(mǎn)足40cm二襯厚度，也采取二次襯砌補(bǔ)強(qiáng)處理。

3.1.2 右洞病害處治

對(duì)整體侵限地段，進(jìn)行換拱處理;為防止初支繼續(xù)下沉，侵占二襯厚度，采用I18工字鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐。對(duì)于侵限較小且二襯厚度均滿(mǎn)足45cm及以上地段，由于不能滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)50cm二襯厚度要求，因此對(duì)該段落二襯厚度作加強(qiáng)處理。

二襯做加強(qiáng)處理具體實(shí)施為：原設(shè)計(jì)二襯砼厚度由45m變?yōu)?0cm，原環(huán)向主筋規(guī)格Φ22不變，間距由200mm加密為100mm，仰拱已施工段與仰拱預(yù)留鋼筋相接，加密鋼筋采用植筋與仰拱連接，未施工仰拱段鋼筋一并加密調(diào)整，其余鋼筋均不變。二襯加強(qiáng)地段采用打設(shè)Φ42×4小導(dǎo)管注水泥漿對(duì)初期支護(hù)周邊圍巖加固處理，小導(dǎo)管間距按設(shè)計(jì)徑向錨桿間距布設(shè)（Ⅳ級(jí)0.8m，Ⅴ級(jí)0.6m），長(zhǎng)度3.5m。

3.2 換拱施工方案

3.2.1 換拱施工工藝流程

侵限段落臨時(shí)支護(hù)→打設(shè)徑向注漿管注漿→打設(shè)超前注漿管注漿→逐榀進(jìn)行換拱→澆筑二次襯砌。

3.2.2 換拱段進(jìn)行臨時(shí)支撐

①環(huán)向支撐采用I18工字鋼鋼架進(jìn)行支撐，間距1.6m，鋼拱架與初支面空隙采用木屑進(jìn)行卡縫，鋼拱架底腳直接支撐在已澆筑的仰拱填充混凝土上，支墊牢靠;

②中間拱頂位置、兩邊拱腰位置豎向立支撐及拱頂縱向連接均采用I18工字鋼支撐，間距為兩榀環(huán)向支撐間距，即為3.2m;

③臨時(shí)支撐長(zhǎng)度10m，循環(huán)使用，并超前于換拱位置3m。

3.2.3 換拱前注漿處理

換拱前先在侵限每榀鋼拱架拱部按120°內(nèi)范圍內(nèi)按環(huán)向間距50（30）cm打設(shè)4.5m長(zhǎng)？準(zhǔn)42×4mm超前小導(dǎo)管并注漿，水泥漿達(dá)到終凝后開(kāi)始換拱。

3.2.4 換拱步驟

利用鋼筋臺(tái)車(chē)進(jìn)行換拱，原有初期支護(hù)主要采用人工持風(fēng)鎬或機(jī)械配套，禁止采用爆破作業(yè)，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)及對(duì)已有鋼架的破壞。為避免換拱后沉降侵入凈空，新拱架考慮20cm預(yù)留變形量。

對(duì)變形段初支加固完成后，根據(jù)注漿前與注漿后的量測(cè)資料分析，圍巖穩(wěn)定，無(wú)變形，則開(kāi)始對(duì)變形段拱架進(jìn)行更換，換拱時(shí)由外向里進(jìn)行，每次一榀，每榀拱分3-4段換完，先換左側(cè)邊拱，再換拱頂，當(dāng)圍巖較差、出現(xiàn)掉塊、變形速率增大時(shí)，拱頂分兩段換拱，最后換右側(cè)邊拱，見(jiàn)圖4所示。

拱架拆除與安裝：

①左側(cè)B單元拆除與安裝。人工鑿除線路左側(cè)B單元與C單元和A單元的拱架接頭環(huán)向1m范圍內(nèi)初支砼，露出拱架接頭后用乙炔將接頭螺栓割除，使左側(cè)B單元與拱架分離，割除鋼架連接鋼筋及鋼筋網(wǎng)，并用風(fēng)鎬對(duì)拱架位置進(jìn)行修整，達(dá)到設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線后，先初噴一層混凝土封閉開(kāi)挖面防止掉塊，再將加工好的鋼拱架安裝進(jìn)去，當(dāng)左側(cè)B、C單元連接好后，施作拱架定位鋼筋，打設(shè)鎖腳錨桿、掛網(wǎng)噴砼、打超前小導(dǎo)管。由于新?lián)Q拱架考慮了20cm的預(yù)留變形量，為了保證B、C單元的連接，新加工的B單元與C單元連接端的連接板要加大，寬度較設(shè)計(jì)加寬10cm，長(zhǎng)度靠?jī)?nèi)弧一側(cè)要加長(zhǎng)20cm。為了換拱拱架連接，噴射砼時(shí)在先換拱架接頭處采用水泥袋包裹。

②拱頂A單元拆除與安裝。鑿除線路右側(cè)B單元與A單元的拱架接頭，右側(cè)A單元與拱架分離，拆除拱架、擴(kuò)挖及初噴，安裝拱架，A單元左側(cè)拱架采用連接螺栓與換好的左側(cè)B單元連接，A單元右側(cè)落在未換的右側(cè)B單元上;當(dāng)A單元長(zhǎng)度不足，A、B單元拱架連接處縫隙較大時(shí)，加墊木板并用木楔楔緊，當(dāng)A單元長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸，割除B單元接頭。當(dāng)圍巖較差、出現(xiàn)掉塊、變形速率增大時(shí)，拱頂（A單元）分2段換拱，其它方法同上。見(jiàn)圖5所示。

③右側(cè)B單元拆除與安裝。鑿除線路右側(cè)B單元與C單元的拱架接頭，使拱架分離，拱架拆除后，按設(shè)計(jì)安裝新拱，為了便于與B單元、C單元連接，在加工右側(cè)B單元時(shí)，要比設(shè)計(jì)加長(zhǎng)50cm，且與C單元連接的一端不焊接連接鋼板，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸量取，對(duì)右側(cè)B單元進(jìn)行切割，將預(yù)留連接板與C單元的連接板連接后，再將B單元焊在已連接好的鋼板上，見(jiàn)“拱架接頭處理圖”。最后施作鎖腳錨桿、掛網(wǎng)噴砼、打超前小導(dǎo)管。為保證邊墻及仰拱的穩(wěn)定，對(duì)C單元換拱后增加鎖腳小導(dǎo)管。其它拱架參照第一榀拱架處理，新處理的初期支護(hù)封閉成環(huán)后，及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

④換拱時(shí)按設(shè)計(jì)要求重新打設(shè)徑向Φ22砂漿錨桿注漿（Ⅳ級(jí)圍巖）及Φ25中空注漿錨桿加固（Ⅴ級(jí)圍巖）。砂漿錨桿與鋼拱架焊接在一起，鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土施工與設(shè)計(jì)相同。

3.2.5 換拱期間的監(jiān)控量測(cè)

換拱地段每一榀拱架更換完成后，及時(shí)布設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行拱頂下沉、周邊收斂。之后每完成3m布一組量測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)設(shè)置5個(gè)點(diǎn)，即拱頂下沉點(diǎn)1個(gè)，徑向收斂點(diǎn)4個(gè)（中臺(tái)階2個(gè)，下臺(tái)階2個(gè)），每組點(diǎn)均要在同一斷面上。量測(cè)頻率每天3次，當(dāng)變形速率大于3mm時(shí)要增加量測(cè)頻率。每次量測(cè)完后1h內(nèi)計(jì)算出量測(cè)結(jié)果，對(duì)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，用以指導(dǎo)施工，量測(cè)布點(diǎn)見(jiàn)圖6所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程案例介紹了炭質(zhì)板巖隧道大變形病害的特征，并對(duì)病害產(chǎn)生的原因及病害處治措施進(jìn)行了分析，后續(xù)結(jié)果證明本工程的病害處治措施是有效的，在換拱以后，隧道大變形病害基本得到了控制。論文的研究得出以下主要結(jié)論：

①本隧道產(chǎn)生病害的主要原因在于設(shè)計(jì)單位、施工單位對(duì)于炭質(zhì)板巖的工程性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，而施工支護(hù)參數(shù)選擇不合理是導(dǎo)致病害產(chǎn)生的直接原因。

②炭質(zhì)板巖隧道施工處治措施的關(guān)鍵在于：一方面，要預(yù)留足夠的變形量，釋放圍巖的應(yīng)力;另一方面要加強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，二次襯砌緊跟，及時(shí)封閉仰拱，將圍巖的變形限制在合理的范圍內(nèi)，形成圍巖變形與結(jié)構(gòu)約束之間的動(dòng)態(tài)平衡。

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