羅 江,陳 柱,楊建超,王壽武,何玉瓊

(1.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650051)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路隧道建設(shè)越來越多，隧道位置地質(zhì)復(fù)雜，隧道斷面向特大斷面發(fā)展。隨著隧道地質(zhì)復(fù)雜和開挖斷面面積的增加，隧道施工的技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步增加。目前，許多學(xué)者針對特大斷面隧道軟弱圍巖大變形處治做了大量研究。朱朝佐等研究認(rèn)為在軟巖大斷面隧道施工中，可采取縱向連接加固措施提高整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向整體性[1]。鮑先凱等研究認(rèn)為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法適用于軟巖隧道施工[2-5]。吳小萍等研究認(rèn)為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法圍巖應(yīng)力的影響小于全斷面法[6]。邢軍等研究認(rèn)為破碎巖體進(jìn)水后，破碎巖體的物理力學(xué)性質(zhì)降低，巖體破碎的隧道穩(wěn)定性降低[7]。潘家升等認(rèn)為隧道環(huán)形預(yù)留核心土法施工的沉降變形比CD法的沉降變形小[8]。陳忠球研究認(rèn)為短臺階法適用于大跨度軟巖公路隧道施工[9]。賀勝義研究認(rèn)為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法適用于軟弱破碎風(fēng)化巖的特大斷面隧道施工[10]。賈存興研究認(rèn)為軟弱圍巖施工應(yīng)該是短臺階、緊仰拱、快襯砌、弱爆破、短進(jìn)尺、快噴錨、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、控變形的指導(dǎo)原則[11]。隋修志等研究認(rèn)為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法適用于大跨度軟巖公路隧道施工[12-17]。以上研究都取得了較理想的成果，但隧道個體在地質(zhì)結(jié)構(gòu)、圍巖及大小方面存在差異，在處治方法、施工技術(shù)上不盡相同。本研究在前人研究和取得成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以玉楚高速齊云隧道為例，對軟弱鈣質(zhì)板巖大變形處治進(jìn)行研究并成功處治了軟弱鈣質(zhì)板巖大變形問題，供類似工程借鑒。

1 工程概況

齊云隧道為玉楚高速勘察試驗(yàn)段中的特長隧道，雙向六車道，左幅隧道起止里程為K32+097～K36+630，總長4 533 m，右幅隧道起止里程為K32+055～K36+585，長4 530 m，齊云隧道設(shè)計(jì)為Ⅴ級和Ⅳ級圍巖，其中Ⅴ級圍巖占比36.8%， Ⅳ級圍巖占比63.2% 。開挖斷面163.99 m2，屬特大斷面。左幅K32+126～K32+320段和右幅K32+098～K32+340段隧道圍巖為灰、深灰色板巖, 鈣質(zhì)棉布，薄～中層狀,中風(fēng)化，局部含硅質(zhì),巖質(zhì)不均勻，裂隙發(fā)育,巖體較破碎,層間結(jié)合差，視電阻率>1 000 Ω·m，地下水類型為基巖裂隙水，開挖時呈點(diǎn)滴狀出水，圍巖級別Ⅴ1級。碎屑巖裂隙含水層正常涌水量233 m3/d，雨季涌水量823 m3/d。該段隧道斷面大，隧道圍巖軟弱，因此該隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最高、施工難度最大，施工過程中左幅K32+126～K32+210段和右幅K32+140～K32+176段出現(xiàn)了大變形。文章以左幅K32+126～K32+210段介紹該段隧道大變形處治研究。地質(zhì)縱斷面圖見圖1，隧道圍巖概況表見表1，初期支架變形照片見圖2。

圖1 地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Geological profile

2 處治方案

2.1 原設(shè)計(jì)初期支護(hù)及施工方案

2.1.1原初期支護(hù)設(shè)計(jì)

左幅K32+126～K32+210段襯砌類型SF5e,襯砌斷面見圖3。隧道超前支護(hù)采用小導(dǎo)管，小導(dǎo)管

表1 隧道圍巖Tab.1 Tunnel surrounding rock

圖2 初期支架變形照片F(xiàn)ig.2 Deformation of the initial support

采用φ42 mm×4 mm的熱軋鋼管,長4.5 m，環(huán)向間距30 cm，設(shè)置于襯砌拱部120°范圍。隧道初期支護(hù)為厚度29 cm 的C25噴射混凝土，間距15 cm×15 cm 的φ8雙層鋼筋網(wǎng)，鋼支撐采用I22b工字鋼，間距50 cm。在徑向，用φ42×4 mm，長4.5 m的小導(dǎo)管對圍巖進(jìn)行注漿加固，小導(dǎo)管間距100 cm×50 cm。在初期支護(hù)鋼支撐的B接頭處設(shè)置2根6 m長的φ89×6 mm鎖腳鋼管，在隧道兩側(cè)邊墻底部設(shè)2排φ108×6 mm的注漿鋼管樁，縱向間距100 cm，長9 m,鋼管樁孔內(nèi)設(shè)4根φ22HPB300的鋼筋籠。鋼管樁端頭采用鋼筋連接，且植入二襯50 cm。鋼支撐及鎖腳鋼管布置圖見圖4。

圖3 SF5e襯砌斷面圖(單位:cm)Fig.3 Cross-Section Diagram of SF5e Lining(unit:cm)

圖4 鋼支撐及鎖腳鋼管圖Fig.4 The Drawing of Steel Support and Locking Pin Steel Tube

2.1.2施工方案

開挖采用環(huán)形開挖留核心土法。先開挖上臺階弧形導(dǎo)坑，并進(jìn)行初期支護(hù)。在上臺階弧形導(dǎo)坑開挖達(dá)到5～9 m后，開挖中臺階，并完成初期支護(hù)。在中臺階開挖支護(hù)完成5～9 m后，開挖下臺階，完成初期支護(hù)，依次循環(huán)進(jìn)行，并及時進(jìn)行仰拱施工。橫斷面施工順序見圖5，圖中希臘字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示支護(hù)襯砌順序，阿拉伯?dāng)?shù)字①,②,③等表示開挖順序?？v斷面開挖順序見圖6。隧道微爆破后采用挖掘機(jī)清理巖面，利用風(fēng)鉆人工修邊，每次開挖進(jìn)尺控制在0.5～0.7 m。隧道開挖采用挖機(jī)挖，人工用風(fēng)鉆修邊，每次開挖進(jìn)尺1 m。隧道施工遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則；施工中及時封閉隧道初期支護(hù)，加強(qiáng)隧道排水措施，保持洞內(nèi)干燥，洞內(nèi)排水溝采取防滲處理，防止水流浸泡基底，控制墻角變形和底鼓。

圖5 隧道分步開挖橫斷面圖Fig.5 A Cross-Sectional View of a Tunnel be Excavated Step by Step

圖6 隧道分步開挖縱斷面圖Fig.6 Longitudinal section View of tunnel excavation step by step

2.2 套拱設(shè)計(jì)、初期支護(hù)變更及換拱

左幅K32+126～K32+210侵限段初期支護(hù)臨空側(cè)增設(shè)I18工字鋼套拱，間距60 cm，左右側(cè)拱腰部位各打設(shè)3根6 m長φ42 mm×4 mm的注漿小導(dǎo)管，掛間距15 cm×15 cm的雙層φ8鋼筋網(wǎng)片，噴射25cm厚的C25混凝土進(jìn)行封閉，護(hù)拱斷面圖見圖7。套拱作為臨時支護(hù)，圍巖穩(wěn)定后，將套拱及初期支護(hù)A，B，C單元拆除后進(jìn)行換拱。未施工段落初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，支護(hù)工字鋼由I22b調(diào)整為I25a。為了檢測隧道圍巖與初期支護(hù)之間的壓力，在隧道圍巖與初期支護(hù)之間埋設(shè)層間接觸壓力盒，利用頻率讀數(shù)儀進(jìn)行讀數(shù)。

圖7 套拱斷面圖(單位：cm)Fig.7 Cover arch profile(unit:cm)

2.3 監(jiān)控量測

在隧道施工過程中，根據(jù)監(jiān)控量測的信息，對施工開挖方法、支護(hù)參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，實(shí)行動態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工[18]。該隧道軟弱圍巖大變形處治采用新奧法支護(hù)設(shè)計(jì)中以現(xiàn)場量測為主的信息反饋法[19]。

通過施工現(xiàn)場監(jiān)控量測，掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)狀態(tài)和穩(wěn)定程度，確定二次襯砌施作時間。周邊位移用收斂計(jì)，拱頂下沉用水平儀、水平尺及鋼尺量測。在初期支護(hù)混凝土內(nèi)埋設(shè)壓力盒，對荷載進(jìn)行監(jiān)控。壓力盒與周邊收斂及拱頂下沉共同布置在一個斷面上。

增加套護(hù)拱后開始拱頂下沉監(jiān)控量測，沉監(jiān)控量測到拱頂下沉速率小于0.2 mm/d時停止。監(jiān)測至第8 d后拱頂下沉基本都停止。增加套拱后監(jiān)控量測斷面拱頂累計(jì)下沉最大值見圖8。選擇ZK32+150,ZK32+175和ZK32+180斷面拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)繪圖見圖9。

圖8 增加套拱后監(jiān)控量測斷面累計(jì)下沉量圖Fig.8 Add the graph of the cumulative subsidence of the monitored section after cover arch

圖9 拱頂下沉監(jiān)控量測變化圖(ZK32+150,+175,+180)Fig.9 Variation diagram of vault subsidence monitoring measurement(ZK32+150,+175,+180)

從圖8和圖9看出，增加套拱后，隧道已穩(wěn)定，套拱阻止了圍巖繼續(xù)變形。

初期支護(hù)參數(shù)變更后，隧道繼續(xù)施工。隧道開挖采用環(huán)形開挖留核心土法，循環(huán)進(jìn)尺0.5～0.7 m。對拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)控量測，監(jiān)控量測從上臺階支期支護(hù)完成開始到仰拱施工完成時結(jié)束。在ZK32+220和ZK32+230兩斷面的拱頂和左右拱腰的初期支護(hù)與圍巖間監(jiān)測圍巖壓力。選擇ZK32+220和ZK32+230斷面拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)見圖10，圍巖與初期之護(hù)間的最大壓力見圖11。從圖10看出，隧道初期支護(hù)已穩(wěn)定，從圖11看出，初期支護(hù)與圍巖間的壓力最大值為0.05 MPa，初期支護(hù)與圍巖間的壓力小，表明隧道初期支護(hù)參數(shù)的變更和施工方法符合該類隧道圍巖。

圖10 拱頂下沉監(jiān)控量測變化圖(ZK32+220,+230)Fig.10 Variation diagram of vault subsidence monitoring measurement(ZK32+220，+230)

圖11 圍巖與初期之護(hù)間的最大壓力變化圖Fig.11 Maximum pressure change diagram between the surrounding rock and the initial support stage

2.4 換拱

2.4.1換拱方案

換拱段仰拱已施工完成。換拱時隧道停止掌子面掘進(jìn)施工，仰拱與掌子面的距離控制在5 m范圍內(nèi)，二次襯砌與掌子面的距離控制在10 m范圍內(nèi)。掌子面噴8～10 cm的C25混凝土封閉，防止在換拱期間，掌子面因暴露時間過長垮塌。換拱前滿足凈空要求段落完成全部二次襯砌施工。對換拱區(qū)域進(jìn)行反壓回填，以平衡隧道側(cè)面圍巖產(chǎn)生的壓力，回填高度控制在C單元上50 cm。完成A、B單元換拱后，采用左右邊墻開挖的方法拆換C單元。回填完成后對換拱段需換拱部位打設(shè)φ42×4 mm小導(dǎo)管并注漿加固，小導(dǎo)管單根長4.5 m，按0.5 m×0.5 m梅花形布置，與原有徑向錨桿錯孔布置。注漿采用二次注漿，注漿壓力應(yīng)控制在2～3 MPa，注漿漿液采用水灰比為0.5∶1的水泥漿液。將原設(shè)計(jì)SF5e型襯砌支護(hù)參數(shù)中的鋼支撐由I22b調(diào)整為I25a。鋼支撐間連接由直徑20 mm鋼筋調(diào)整為I16工字鋼，環(huán)向間距100 cm，交錯布置，并形成“八”字形，I25a鋼支撐和I16連接工字鋼的布置圖見圖12。C25噴射混凝土厚度調(diào)整為31 cm，將二次襯砌支護(hù)參數(shù)中的環(huán)向主筋由直徑25 mm的鋼筋調(diào)整為直徑28 mm 的鋼筋，C30防水混凝土調(diào)整為C35防水混凝土。

圖12 鋼支撐與連接工字鋼的布置圖(單位：mm)Fig.12 Layout of steel support and connection I-beams(unit:mm)

2.4.2施工方案

對侵限段落鋼支撐逐榀進(jìn)行復(fù)測，將侵限數(shù)值在施工現(xiàn)場用紅油漆標(biāo)識出來。按照每三榀鋼支撐施作一次超前支護(hù)，利用破碎錘逐榀拆除套拱，套拱拆除超前于作業(yè)面不超過兩榀鋼支撐的距離。利用回填洞渣平臺和臺車對侵限段鋼支撐逐榀拆換，拆換后立即進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)拆換距離達(dá)到一模二襯長度12 m時施工二次襯砌。換拱工藝流程為：回填反壓→加固注漿→拆除護(hù)拱→拆換A、B單元→拆換C單元→拆換循環(huán)作業(yè)→拆換累計(jì)一模二次襯砌長度時停止拆換，施工二次襯砌→直到侵限段拆換完成，二次襯砌施工完成。各斷面開挖完成后利用挖掘機(jī)或者人工手持器物對拱頂及邊墻開挖面觸碰，將可能存在的危石排除。換拱支護(hù)工藝如下。

(1)初噴混凝土施工。初噴2～4 cm厚C25混凝土，噴射混凝土前用壓縮空氣或壓力水將待噴面吹凈，噴射混凝土采用濕噴工藝，以減少回彈，改善施工環(huán)境。

(2)鋼筋網(wǎng)施工。外層鋼筋網(wǎng)待初噴混凝土后立即進(jìn)行設(shè)置，并緊貼混凝土面掛設(shè)，內(nèi)層鋼筋網(wǎng)待工字鋼架施工后緊貼鋼架內(nèi)側(cè)布設(shè)，搭接長度應(yīng)為2 個網(wǎng)格，且最少搭接不少于24 cm,采用點(diǎn)焊。

(3)鋼支撐施工。在B單元底部墊設(shè)I32a槽鋼與原C單元I22b鋼支撐連接成一個整體。施工中各鋼支撐用φ16鋼筋進(jìn)行定位。其中每一A單元、B單元設(shè)定定位鋼筋2處，每處定位筋為兩根，分別在鋼支撐兩側(cè)，各長800 mm，接頭處的焊縫高度7 mm。相鄰工字鋼之間采用縱向I16工字鋼連接成整體，其環(huán)向間距1.0 m。在A單元落地端設(shè)兩個根長4.5 m的φ42×4 mm鎖腳小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間通過鎖腳固定筋進(jìn)行加固；在B單元腳板處施工兩根長4.5 m 的鎖腳小導(dǎo)管，施作時將鎖腳小導(dǎo)管從兩鎖腳固定筋之間穿過，將其尾端固定在鎖腳固定筋上，固定筋與工字鋼之間采用雙面焊。鎖腳小導(dǎo)管采用1∶1水泥漿液進(jìn)行注漿，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa, 終壓為2 MPa，注漿順序?yàn)閺南峦稀?/p>

(4)系統(tǒng)φ42×4 mm注漿小導(dǎo)管施工：①測設(shè)鉆孔位；②鉆孔；③安設(shè)小導(dǎo)管；④注漿。

(5)超前支護(hù)施工。超前支護(hù)為φ42×4 mm單層小導(dǎo)管，3榀鋼支撐一循環(huán)。每循環(huán)62根，每根長4.5 m，設(shè)置拱部范圍內(nèi)，環(huán)向間距為30 cm，搭接長度為3 m，從鋼支撐腹部穿過，仰角為5°～15°。超前小導(dǎo)管安裝完成后及時注漿。水灰比為1∶1，注漿壓力為初壓0.5～1 MPa，終壓為2 MPa，采用現(xiàn)場鉆孔取芯抽查檢驗(yàn)注漿效果，滿足要求后方可進(jìn)入下道工序。

(6)復(fù)噴混凝土施工。噴射混凝土覆蓋鋼架厚度超過3.5 cm。噴射混凝土采用先下后上S形噴射方式分層噴射，噴嘴指向與受噴面應(yīng)保持90°夾角。噴射混凝土直接噴射在巖面上。噴槍頭到噴射面距離為0.6～1.2 m，不超過1.5 m。噴射機(jī)工作壓力應(yīng)控制在0.1～0.15 MPa。復(fù)噴一次噴射厚度拱頂不得大于100 mm，邊墻不得大于150 mm。噴射混凝土采用濕噴工藝，以減少回彈，改善施工環(huán)境。噴射混凝土中的骨料應(yīng)采用堅(jiān)硬耐久的碎石或卵石，不得使用堿活性骨料；噴射混凝土中的骨料徑不宜大于15 mm；骨料宜采用連續(xù)級配，細(xì)骨料應(yīng)采用堅(jiān)硬耐久的中砂或粗砂，細(xì)度模數(shù)宜大于2.5。

(7)二次襯砌施工。當(dāng)換拱距離滿足一模二次襯砌的距離時停止拆換，施工二次襯砌混凝土。

換拱施工過程中對隧道拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)控量測。換拱后，各樁號拱頂累計(jì)下沉值見圖13。對ZK32+165，ZK32+170和ZK32+195斷面拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)控量測，監(jiān)控量測從換拱完成開始到二襯施工開始時結(jié)束，拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)見圖14。從圖13看出，累計(jì)最大下沉量是ZK32+170樁號，累計(jì)最大下沉量9.5 mm。從圖14看出，從第7 d開始，拱頂下沉已停止。從拱頂累計(jì)下沉量監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和拱頂下沉速率看，換拱施工完成后，隧道圍巖已穩(wěn)定，表明隧道換拱設(shè)計(jì)和施工方法符合該類隧道圍巖。

圖13 換拱后拱頂下沉累計(jì)下沉量監(jiān)控值Fig.13 Monitoring value of the cumulative subsidence of the vault after arch replacement

圖14 拱頂下沉監(jiān)控量測變化圖(ZK32+165,+170,+195)Fig.14 Variation diagram of vault subsidence monitoring measurement(ZK32+165,+170,+195)

3 結(jié)論

(1)通過在已發(fā)生大變形段的初期支護(hù)外側(cè)增設(shè)間距60 cm 的I18工字鋼，在左右側(cè)拱腰部位各打設(shè)3根6 m長φ42 mm×4 mm的注漿小導(dǎo)管，掛設(shè)間距15 cm×15 cm的雙層φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，噴25 cm 厚的C25混凝土進(jìn)行封閉的護(hù)拱，阻止了初期支護(hù)大變形的發(fā)展。

(2)將未施工段落初期支護(hù)參數(shù)中工字鋼由I22b調(diào)整為I25a工字鋼，開挖采用環(huán)形開挖留核心土法，對隧道圍巖與初期支護(hù)之間接觸壓力、拱頂下沉和周邊收斂進(jìn)行監(jiān)控量測。監(jiān)控量測結(jié)果表明，隧道初期支護(hù)的變更、施工方法和初期支護(hù)時間選擇適合軟弱的灰色、深灰色鈣質(zhì)板巖隧道圍巖，可以指導(dǎo)后期同類圍巖施工。

(3)換拱時對換拱部位打設(shè)φ42 mm×4 mm小導(dǎo)管并注漿加固，小導(dǎo)管單根長4.5 m，按0.5×0.5 m間距梅花形布置，與原有徑向錨桿錯孔布置，注漿壓力應(yīng)控制在2～3 MPa，將原設(shè)計(jì)初期支護(hù)參數(shù)中的工字鋼由I22b調(diào)整為I25a，鋼支撐間的連接由φ20 mm鋼筋變成I16工字鋼，工字鋼環(huán)向間距100 cm，交錯布置并形成八字形，噴射混凝土厚度由29 cm調(diào)整為31 cm，將2次襯砌支護(hù)參數(shù)中的環(huán)向主筋由直徑25 mm調(diào)整為28 mm，防水混凝土由C30調(diào)整為C35，每次拆換一榀鋼支撐，對隧道拱頂下沉和周邊收斂進(jìn)行監(jiān)控量測。監(jiān)控量測結(jié)果表明，隧道換拱設(shè)計(jì)和施工方法適合已經(jīng)產(chǎn)生大變形的軟弱灰色、深灰色鈣質(zhì)板巖隧道圍巖換拱。