張安俊

Engineering technique 工程技術(shù)

淺談高鐵大斷面軟弱圍巖隧道變形處理技術(shù)

張安俊

（中鐵六局集團(tuán)廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000）

我國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜多變，隨著國家高鐵建設(shè)的深入，在丘陵、山嶺地帶，隧道成為貫通線路不可缺少的組成部分。受地質(zhì)、埋深等各方面的影響，大斷面軟弱圍巖隧道極易在雨季發(fā)生變形，造成沉降過大，甚至初支侵線，造成極大安全、質(zhì)量隱患，及工期、成本的增加。如何妥善處理隧道變形，盡快恢復(fù)正常掘進(jìn)，一直是軟弱圍巖隧道施工重難點(diǎn)。本文結(jié)合贛深鐵路廣東段林寨隧道施工實(shí)例，介紹了軟弱圍巖變形隧道地表、洞內(nèi)、基底、換拱處理的施工控制要點(diǎn)，為同類工程施工提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

隧道；軟弱圍巖；變形；處理

1 工程概況

林寨隧道全長6236km，位于廣東省和平縣境內(nèi)，DK188+915～DK189+490段為Ⅳ級圍巖，段落總長575m，采用Ⅰ型小導(dǎo)管超前注漿預(yù)支護(hù)，Ⅳb型復(fù)合式襯砌，三臺階法施工，開挖斷面達(dá)150㎡。洞身主要位于泥盆系砂巖、粉砂巖地層，砂巖呈弱風(fēng)化，青灰色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎；粉砂巖，紅褐色，鈣質(zhì)泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水主要為基巖裂隙水及第四系孔隙潛水，一般不發(fā)育。

2 施工經(jīng)過及原因分析

2.1 施工經(jīng)過

2019年11月28日、12月16日、12月25日林寨隧道掌子面先后開挖至DK188+982、DK189+002、DK189+022，現(xiàn)場揭示圍巖均為全風(fēng)化粉砂巖，紅褐色，結(jié)構(gòu)松散，呈土狀，遇水易軟化，掌子面易掉塊，地下水較發(fā)育，自穩(wěn)性較差。經(jīng)方現(xiàn)場勘察并共同研究后，將林寨隧道DK188+982～DK189+002、DK189+002～DK189+022、DK189+022～DK189+042段圍巖級別由Ⅳ級圍巖調(diào)整為Ⅴ級圍巖，超前預(yù)支護(hù)采用Ф89洞身長管棚，Ⅴc型復(fù)合式襯砌，初支鋼架采用HW175型鋼，間距0.6m/榀，開挖工法調(diào)整為三臺階七步開挖法，核心土預(yù)留3～5m。

2020年1月5日林寨隧道掌子面開挖至DK189+035，左中臺階為DK189+029，右中臺階DK189+025；左下臺階DK189+022，右下臺階DK189+017；仰拱施工至DK189+015，二襯里程為DK189+000。

現(xiàn)場揭示地質(zhì)基底為粉砂質(zhì)泥巖，呈土夾碎石，泥質(zhì)含量高，遇水軟化，地下水較發(fā)育；中臺階揭示為W3粉砂巖，風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度低，塊狀；拱頂揭示為泥巖，呈土狀，未見地下水。2020年1月5日監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示DK189+000～DK189+035段單日沉降值在15～31mm，超過10mm/d?，F(xiàn)場立即暫停掌子面開挖，增加中臺階臨時仰拱支撐。至2020年1月7日19時，DK189+003～DK189+035段多處初支混凝土剝落，累計沉降值在38cm～66cm，收斂值在11～27cm，已嚴(yán)重侵限。

2.2 原因分析

經(jīng)現(xiàn)場地表調(diào)查，DK189+000～DK189+193段地表被人為開挖種植果樹，地表裸露，實(shí)測隧道DK188+992～DK189+070段埋深為15～20m，較原設(shè)計低9～12m，該段多處出現(xiàn)地面下陷，20余處地表開裂現(xiàn)象，并有發(fā)展趨勢。此段隧道地質(zhì)為粉砂質(zhì)泥巖，呈土夾碎石，泥質(zhì)含量高，遇水易軟化，埋深較淺且地表多處開裂，與地表水聯(lián)系極為緊密，受大氣降水影響大。

2019年12月底至2020年1月初連續(xù)多天出現(xiàn)降雨，地表水入滲后軟化巖土體，導(dǎo)致巖土體自重增大，強(qiáng)度降低，圍巖自穩(wěn)能力下降，造成圍巖變形下沉。

3 施工處理方案

林寨隧道DK189+000～DK189+490段，按照分級分部施工原則，此段施工主要分為兩大方面：一是大變形段的換拱處理；二是后續(xù)的開挖掘進(jìn)。具體如下：

3.1 設(shè)置警戒線

在隧道山體地表開裂范圍及未施作二村地段設(shè)置警戒線，嚴(yán)禁人員及機(jī)械進(jìn)出，確保施工安全。

3.2 完善地表排水系統(tǒng)

沿地表高側(cè)設(shè)置截水天溝將地表水引排至低側(cè)隧道范圍以外，減少地表水下滲。橫向設(shè)置截水溝將高側(cè)地表水引排至線路兩側(cè)自然溝內(nèi)，截水溝采用C25混凝土現(xiàn)澆，減少地表水下滲。

3.3 地表裂縫處理

地表裂縫采用水泥砂漿灌漿封閉，粘土夯填，防止地表水下滲，并加強(qiáng)裂縫觀測。

3.4 超前地質(zhì)預(yù)報

按照超前水平鉆孔位置在掌子面DK189+035及中、下臺階相應(yīng)位置打設(shè)4孔30m超前水平鉆孔，探測前方地質(zhì)情況和涌水量，并利用該孔對洞內(nèi)地表滲水及地下水進(jìn)行引流至小里程已施作的中心水溝后排至洞外。水平鉆探循環(huán)鉆進(jìn)30m，連續(xù)預(yù)報時前后兩循環(huán)搭接不應(yīng)小于5m。

圖3-1 超前水平孔位置布置圖

3.5 掌子面反壓回填

對中臺階變形段進(jìn)行加強(qiáng)，即DK189+022～DK189+029段增加雙層臨時仰拱，同時在該段變形較大的左側(cè)采用WH175型鋼斜撐加強(qiáng)，間距0.6m。第一層臨時仰拱設(shè)置在中臺階底部，第一層臨時仰拱及斜撐施工完成后，中下臺階采用反壓回填至上臺階高度再設(shè)置一道臨時仰拱。回填土從棄渣場運(yùn)至洞內(nèi)，分層填筑，每層厚度不大于30cm，采用挖機(jī)夯實(shí)。

臨時仰拱采用I18輕型工字鋼，間距0.6m，工廠化加工并試拼合格后才能安裝。仰拱間噴射25cm厚C25混凝土，連接件采用Φ22鋼筋，間距1m，與臨時仰拱鋼架八字形連接。

3.6 變形段初支加固

3.6.1徑向注漿及初支拱架加固

對DK189+003～DK189+035洞內(nèi)拱墻變形嚴(yán)重處進(jìn)行徑向注漿。注漿范圍超出變形處2m。該段注漿完成后，以及套拱施工完成后才可以施工DK189+015～DK189+018段仰拱。變形處徑向注漿施工完成后，再對（DK189+003～DK189+035）其他部位進(jìn)行徑向注漿加固。充分考慮到后續(xù)換拱施工，5m圍巖徑向注漿時需對已施工鋼架進(jìn)行加固，孔口縱、環(huán)向間距可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行部分調(diào)整。注漿完成后，判斷注漿效果，決定是否補(bǔ)注漿。

圖3-2 DK189+003～DK189+035段5m徑向注漿正面圖

3.6.2鋼纖維噴射混凝土加固

為確保圍巖穩(wěn)定，對DK189+003～DK189+035段初支變形嚴(yán)重初期支護(hù)采用濕噴機(jī)械手噴射15cm鋼纖維噴射混凝土，鋼纖維為III類鋼纖維，單絲長度30mm，參量50kg/m3。

3.6.3套拱施工

為加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，在仰拱端頭DK189+012～DK189+015段采用套拱支護(hù)，套拱采用I18型鋼鋼架連接成環(huán)，鋼架間距1m，合計4榀鋼架，鋼架間通過φ22螺紋鋼筋進(jìn)行連接成一個整體，套拱鋼架落底至仰拱邊墻頂面，支墊密實(shí)，并采用鎖腳鋼管加固，鎖腳鋼管每組2根φ50mm鋼管，壁厚3.5mm，L=5m，支護(hù)噴射25cm厚C25混凝土。利用防水板施工臺架安裝套拱拱架，安裝尺寸和鎖腳鋼管的施做如圖3-3所示。

圖3-3 DK189+012～DK189+015套拱安裝示意圖

3.6.4仰拱施工

DK189+015～DK189+022左右兩側(cè)拱腰變形大處進(jìn)行徑向注漿完成，且DK189+012～DK189+015套拱施工完成后。為了穩(wěn)固變形段，掌子面開挖前，先進(jìn)行DK189+015～DK189+018段3m仰拱施工，縮短仰拱與掌子面之間步距。

仰拱開挖前，先對中臺階臨時仰拱進(jìn)行支護(hù)，采用I18工字鋼豎向支撐臨時仰拱中間部位，支撐上部與臨時仰拱焊接牢靠，下端與隧道基底密貼，必要時采用型鋼或鋼板墊實(shí)。中、下兩臺階間垂直面采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用Φ22鋼筋，長5m，間距2*2m；鋼筋網(wǎng)采用ф6鋼筋，間距25*25cm。

仰拱開挖后，安排試驗(yàn)員對隧底進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)，及時清除虛渣、雜物、泥漿、積水，立即初噴4cm混凝土封閉巖面，按照設(shè)計要求安裝仰拱鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度，使初期支護(hù)及時封閉成環(huán)。若地基承載力小于200KPa，仰拱施工時按2*2m的間距預(yù)留φ110PVC管，后續(xù)對隧底進(jìn)行注漿加固。

過程中，要加強(qiáng)監(jiān)控量測，若沉降大于10mm/d，人員及設(shè)備立即撤離。待DK189+015～DK189+018仰拱完成后，回填施工便道至掌子面，為超前支護(hù)和掌子面開挖準(zhǔn)備。

3.7 開挖掘進(jìn)

3.7.1地表預(yù)加固

為改善圍巖物理力學(xué)性能，對掌子面前方地表已發(fā)生土體擾動的DK189+035～DK189+085段采取地表袖閥管注漿加固處理，加固寬25m；加固深度均從隧道拱頂5-8m開始，隧道中部加固至隧道輪廓線以外50cm，兩側(cè)加固至W2基巖面以下0.5m。注漿孔鉆孔孔徑不小于90mm，間距2m*2m，梅花形布置。以水泥漿液為注漿材料，水灰比0.8:1～1:1，注漿壓力0.5～3.0MPa，漿液擴(kuò)散半徑1.5m。注漿前進(jìn)行現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿參數(shù)。

袖閥管材料采用φ60mmPVC塑料管，袖閥管全長設(shè)置，袖閥管與孔壁之間采用套殼料添堵密實(shí)，套殼料配合比為水：灰：土=1.6:1:1。地表往下挖20cm，施做長寬高為1*1*0.2m的C20混凝土塊止?jié){盤。按照先小里程再大里程，先周邊后中間，由內(nèi)向外，間隔跳孔的順序注漿。

DK189+035～DK189+085段地表注漿于2020年3月22日開始，截止2020年3月28日完成30孔，施工過程中注漿壓力上限1.5MPa左右，無法達(dá)到3MPa的設(shè)計注漿壓力要求，漿液擴(kuò)散效果不佳，且注漿過程中存在竄孔現(xiàn)象，經(jīng)過多次調(diào)整仍未能達(dá)到設(shè)計注漿加固要求。現(xiàn)場鉆孔勘探得知DK189+035～DK189+047段拱頂5～11m為富水層，采用普通單液漿注漿，造成漿液大部分流失，漿液用量大且固結(jié)速度慢，加固土體效果較差。通過現(xiàn)場研究進(jìn)行了以下兩項(xiàng)調(diào)整：

①采用剛性袖閥管，用以增強(qiáng)注漿壓力，提升注漿效果。

②隧道邊墻兩側(cè)采用水泥+水玻璃雙液漿，減少漿液流失，加快土體固結(jié)，提升地表注漿加固土體效果。

3.7.2超前支護(hù)

初支采用鋼管壁厚5mm的φ89管棚進(jìn)行超前支護(hù)，單根長10m；支護(hù)范圍為拱部140°范圍，環(huán)向間距0.4m，外插角≯10°；利用HW175型鋼拱架腹部穿孔作為導(dǎo)向架，縱向搭接長度不小于3m。

3.7.3開挖

林寨隧道DK189+035～DK189+085段圍巖級別由Ⅳ級調(diào)整為Ⅴ級，采用三臺階臨時仰拱開挖法，間距0.6m/榀HW175型鋼初支鋼架，Ⅴc型復(fù)合式襯砌。嚴(yán)格控制每循環(huán)開挖進(jìn)尺及臺階長度，初支及時封閉成環(huán)，仰拱至掌子面距離控制在30m以內(nèi)，二次襯砌緊跟。

3.8 換拱施工

DK189+012～DK189+060段仰拱施工完成后，先施工DK189+036～DK189+048段二襯，再進(jìn)行DK189+003～DK189+035段進(jìn)行換拱施工。根據(jù)實(shí)際情況，提前用鎖腳鋼管加固初支拱架，每榀拱架分段切割拆除，換合格拱架后噴射混凝土，施工期間加強(qiáng)監(jiān)控量測，并進(jìn)行初支檢測。從DK189+003開始往大里程方向進(jìn)行換拱，為保證施工安全，每次拆除換拱距離為1榀（0.6m）。

工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→插打鎖腳加固單元拱架→鑿除初支混凝土→分段拆除拱架→安裝新拱架→預(yù)留連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片→噴射初支混凝土

3.8.1換拱措施

換拱施工前DK189+003～DK189+035段初支已閉合成環(huán)，仰拱已施作，依據(jù)測量結(jié)果，為局部拱架置換，僅處理上臺階A單元。

3.8.2加固已施工鋼架

在拆除A單元前，必須對A2、A3、B1、B2、C1、C2單元進(jìn)行加固，每單元增加1組φ50*3.5mm鎖腳鋼管進(jìn)行鋼架加固，2根/1組，長度5m。增設(shè)鎖腳鋼管打設(shè)在A1與A2、A1與A3、A2與B1、A3與B2、B1與C1、B2與C2單元連接板以下0.5m處，向下15°，與鋼架用Φ22鋼筋“L”型焊接牢固，注1:1水泥漿，注漿壓力1.0～1.5MPa，具體詳見圖3-4。

圖3-4 DK189+003～DK189+035段鋼架加固布置圖

3.8.3拆除初期支護(hù)混凝土

在拱架A1、A2、A3單元的兩側(cè)，人工用風(fēng)鎬配合破碎錘從上往下鑿出寬度25cm左右凹槽，拆除至鋼筋網(wǎng)或連接筋混凝土面時，切斷鋼筋網(wǎng)及連接筋，全部切斷后才能進(jìn)行剩余混凝土進(jìn)鑿除。按預(yù)留沉降15cm鑿除至開挖輪廓線后，為封閉開挖面防止拱部掉塊，初噴一層4cm厚C25噴射混凝土。

圖3-5 DK189+003～DK189+035段初期支護(hù)拆除圖

3.8.4架設(shè)型鋼拱架

初噴封閉后，打開接頭②、⑤處連接板，將已變形A單元拆除?，F(xiàn)場測量后，在鋼筋加工場制作相應(yīng)弧度的鋼拱架并試拼，然后把加工好的鋼拱架安裝至打開的接頭位置。此時A、B單元間的連接法蘭盤將會錯位，為確保鋼架整體安全牢固，將A、B單元間連接法蘭盤焊接牢固，并在②、⑤接頭以上0.5m處打設(shè)1組鎖腳鋼管固定拱架，并施作Φ22mm縱向連接鋼筋與相鄰鋼架牢固連接。

3.8.5初支掛網(wǎng)錨噴

型鋼架設(shè)后按設(shè)計進(jìn)行初支掛網(wǎng)錨噴施作。采用網(wǎng)格尺寸為20cm×20cm的Φ6鋼筋網(wǎng)，在鋼筋加工場內(nèi)集中加工，鋼筋網(wǎng)必須與初噴砼密貼。錨桿均采用HRB400直徑22砂漿錨桿，錨桿長度4.0米，環(huán)×縱間距為1.5×1.5m，且錨桿尾板與鋼筋網(wǎng)固定牢固。

林寨隧道DK189+035處掌子面2020年4月22日恢復(fù)正常掘進(jìn)，7月15日掘進(jìn)至DK189+085處，歷時84天，平均每天0.6m（1榀），進(jìn)展順利，監(jiān)控量測觀測變形最大值小于15cm。DK189+003～DK189+035段初支換拱從2020年7月21日開始，至9月13日結(jié)束，歷時55天，平均每天0.6m（1榀），進(jìn)展順利，監(jiān)控量測觀測變形最大值小于5cm。

表明通過地表袖閥管注漿加固以及洞內(nèi)徑向注漿、套拱加固、鋼纖維噴射混凝土加固等一系列措施，確保林寨隧道正常掘進(jìn)的盡快恢復(fù)及嚴(yán)重變形段換拱施工的順利完成。

3.9 監(jiān)控量測

（1）設(shè)置地表監(jiān)測網(wǎng)： DK189+003往大里程方向按縱向間距10m布設(shè)地表觀測樁，觀測斷面左側(cè)寬25m，右側(cè)寬25m，測點(diǎn)橫向間距2～5m，拱頂適當(dāng)加密。

（2）洞內(nèi)監(jiān)控量測斷面按間距5m布置，每個量測斷面至少布置一個拱頂下沉測點(diǎn)和三條凈空水平收斂量測線。

（3）施工過程中應(yīng)加密測量頻次，量測頻率不小于2次/天，并嚴(yán)格按監(jiān)控量測規(guī)范執(zhí)行。

（4）加強(qiáng)量測成果的回歸分析工作，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即停止施工，并及時報相關(guān)單位處理。

4 軟弱圍巖隧道大變形的預(yù)防

軟弱圍巖隧道掘進(jìn)過程中發(fā)生大變形，實(shí)際施工中均按文中前面講述的地表、洞內(nèi)及基底相同或相近方法進(jìn)行巖土體加固處理后換拱，成本極高、風(fēng)險極大，且嚴(yán)重影響施工工期。后續(xù)施工中為防止軟弱圍巖隧道大變形的發(fā)生，并避免發(fā)生更嚴(yán)重的不可逆轉(zhuǎn)的大塌方，建議采取以下預(yù)防措施：

（1）將隧道超前地質(zhì)預(yù)報納入施工工序管理，充分利用超前地質(zhì)預(yù)報探明隧道掌子面前方土體狀態(tài)，為施工工法、預(yù)支護(hù)措施的選擇提供依據(jù)。

（2）將隧道圍巖監(jiān)控量測納入施工工序管理，通過洞頂及洞內(nèi)圍巖監(jiān)控量測監(jiān)控地表、洞內(nèi)土體變形情況，及時反饋施工。發(fā)現(xiàn)異?；蚓o急情況，及時停止作業(yè)，撤離人員、設(shè)備，避免出現(xiàn)人員傷亡及設(shè)備損失。

（3）做好圖紙審核，查看設(shè)計是否給齊了土體預(yù)加固措施，特別是淺埋偏壓軟弱圍巖段查看是否有地表預(yù)注漿加固、預(yù)反壓等措施。若設(shè)計所給措施充足，嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工；若不足，需及時與設(shè)計溝通，補(bǔ)齊相關(guān)措施。

（4）在工期許可的情況下，軟弱圍巖隧道段盡量避開雨季施工，一定比例的軟弱圍巖隧道均是雨期地表水入滲后導(dǎo)致巖土體自重增大，巖體軟化，圍巖自穩(wěn)能力下降，造成圍巖下沉、變形，甚至大面積塌方、冒頂。

（5）施工時嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺及臺階長度，初期支護(hù)及時封閉成環(huán)，仰拱至掌子面距離控制在20～25m，二襯緊跟。

5 結(jié)語

隨著國家“十四五”規(guī)劃的展開，我國鐵路、公路等各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)即將進(jìn)入一個飛速發(fā)展期，將遇見層出不窮的各類復(fù)雜地形隧道及隧道失穩(wěn)變形，特別是南方多雨地區(qū)大斷面軟弱圍巖隧道失穩(wěn)變形將越來越常見，那么怎樣安全、快速的恢復(fù)隧道的正常掘進(jìn)及完成嚴(yán)重變形段的換拱施工成為施工技術(shù)人員需要認(rèn)真討論的問題。

[1]《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9604～2015）

[2]《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10753～2018）

[3]孫春森.隧道軟弱圍巖初期支護(hù)大變形的處理[J].西部探礦工程，1004～5716（2006）11～0147～02

[4]李西亞，尹路寧.軟弱圍巖隧道變形應(yīng)急處理技術(shù)[J].云桂鐵路建設(shè)專題，1009～4539（2012）08～0081～03

[5]徐雪飛.隧道初支侵限段換拱的施工技術(shù)探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，1009～2374（2016）16～0116～02

張安俊(1987.11- )，男，湖北麻城，大學(xué)本科，中級工程師，主要從事道路橋梁隧道施工技術(shù)研究。

TU723

A

1007-6344（2021）01-0187-03