解雄越

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 山西太原030024）

1 沉降變形洞段地質(zhì)情況描述

山西省小浪底引黃工程2# 隧洞土洞段56+259至56+279 區(qū)間開挖地質(zhì)揭示：拱部上部為粉細(xì)砂層，砂層顆粒松散，無自穩(wěn)能力，開挖時易發(fā)生滑塌，砂層下方為薄層粉質(zhì)黏土，土層位于拱部下部起拱線附近，厚度約1 m，土體松軟、破碎、粘結(jié)力差，開挖時易坍塌掉塊，超前探孔揭示土層沿開挖方向2 m 后尖沒；薄層粉質(zhì)黏土下方為粉細(xì)砂層，砂層位于隧洞側(cè)墻附近，目前揭露厚度約4 m；隧洞底部地下水豐富，呈股狀流出，側(cè)墻及底部墊層在受擾動時易發(fā)生涌砂、流塌現(xiàn)象；拱部及側(cè)墻圍巖極不穩(wěn)定，易發(fā)生收斂及沉降變形。地質(zhì)橫斷情況見圖1。

圖1 地質(zhì)橫斷圖

2 變形概況

根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，初期支護沉降變形及其影響洞段為56+259 至56+282，侵限洞段為56+259 至56+279，其中56+259 至56+274 段拱部平均侵限值為22 cm，56+274 至56+279 段初支侵限值為0～10 cm，該段在混凝土底板墊層封閉后仍有下沉跡象，其中56+259 及56+267 兩處初支侵限值接近40 cm（含加固套拱）。

由于砂層段施工已考慮到圍巖沉降收斂變形的影響，施工中開挖斷面尺寸已在原設(shè)計斷面半徑的基礎(chǔ)上擴大了15 cm，綜合判斷，56+259 至56+274 段初支沉降值為35～40 cm，56+274 至56+279 段初支沉降值為15～25 cm。

研究分析初期支護沉降是由于底板附近的富水含泥粉細(xì)砂層基底承載力不足，富水含泥粉細(xì)砂層在動載擾動的作用下極易形成液化，進而沿裂隙形成管涌造成整體沉降。經(jīng)觀察，在底板墊層施工過程中以及載重車輛行駛作用下初支會發(fā)生明顯沉降。

3 處理方案

3.1 拆換前的初期支護及沉降變形處理

3.1.1 原初期支護方案

56+259 至56+279 段隧洞一次支護采用鋼拱架網(wǎng)噴支護，開挖面鋪設(shè)Φ8 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，架設(shè)I16 型鋼鋼拱架，鋼拱架間距1.0 m，一次支護噴射C20 混凝土，厚度15 cm，二襯混凝土厚度40 cm，采用C25 鋼筋混凝土；底板墊層采用I16 鋼橫撐連接成環(huán)，并澆筑C25 混凝土封閉，厚度20 cm。

3.1.2 變形初支面的加固

為保證現(xiàn)場施工安全，防止初期支護變形擴大，現(xiàn)場采取洞內(nèi)架設(shè)臨時鋼支撐加固措施，56+259 至56+279 段設(shè)臨時支撐鋼拱架，鋼拱架采用I16 工字鋼，縱向間距為1.0 m，原初支面鋼拱架設(shè)十字形支撐，采用電焊與原初支鋼拱架焊接；臨時鋼支撐架設(shè)完成后于洞底鋪設(shè)1 m 厚塊石。

3.1.3 沉降變形處置

為控制圍巖沉降變形繼續(xù)擴大，對已沉降洞段底板采取小導(dǎo)管注漿加固等控制措施。

56+259 至56+274 沉降變形段為已完成底板混凝土墊層洞段，為防止該段初支繼續(xù)沉降，對底板部位進行小導(dǎo)管固結(jié)注漿，小導(dǎo)管環(huán)向間距20～40 cm，單根長度3.0 m，縱向間距1.0～2.0 m，向下水平傾角45°，小導(dǎo)管灌注水泥+水玻璃雙液漿。加固結(jié)束后經(jīng)觀測沉降變形已經(jīng)基本穩(wěn)定，滿足對初支侵限進行處理的條件。

3.2 拆換前的管棚支護施工

因該段地質(zhì)條件極為惡劣，為確保變形處理施工安全，處理前須對該變形段附近圍巖進行超前支護處理，此次加固采用Φ108 密排超前大管棚支護，僅布置于拱部侵限部位。

根據(jù)斷面侵限情況，于拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)Φ108 密排管棚（鋼管壁厚6 mm），每斷面共布設(shè)59 根（施工過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整），單根長度12 m，管棚搭接長度為4 m，管棚外插角5°～8°，管棚內(nèi)設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠主筋采用Ф20 螺紋鋼，每根管棚內(nèi)設(shè)3 根，長度等同管棚長度，管棚內(nèi)灌注M30水泥砂漿，管棚分兩次施工，施工里程為56+259 至56+271 及56+267 至56+279。

開孔鉆頭透過原有初支混凝土面進入其背后圍巖，對初支背后圍巖進行加固；為保證超前支護的效果，超前Φ108 密排管棚在變形段的設(shè)計開挖面外側(cè)進行開孔，因此后續(xù)鋼拱架拆換過程中無需破壞管棚體，使得該變形段的處理在Φ108 超前大管棚的支護下進行，從而確保施工安全。變形段超前大管棚布置圖詳見圖2。

圖2 侵限段處理管棚布置示意圖

管棚采用跟管鉆進法進行施工，采用一次全鉆孔注漿。

施工前將Φ108 無縫鋼管前端加工成削竹式鉆頭，便于將鋼管鉆入砂層，利用鋼管自身作為鉆桿，使用地質(zhì)鉆機將鋼管逐根鉆入砂層中，在鉆進過程中隨時對鉆入角度進行糾偏，保證設(shè)計和施工要求，管棚安裝全部結(jié)束后，依次對管棚進行注漿處理。

管棚灌注水泥砂漿，按照自下而上、間隔跳孔順序進行，管棚注漿壓力一般控制在1～2 MPa，并根據(jù)孔底返漿、孔口周邊流出的水泥漿、注漿壓力等情況判斷是否繼續(xù)注漿。如遇特殊情況，可對注漿壓力進行適當(dāng)調(diào)整。

3.3 初期支護鋼拱架拆換

換拱工藝流程如圖3 所示。

圖3 換拱施工流程簡圖

3.3.2 施工步驟

對56+259 至56+274 段從小里程逐環(huán)開始鑿除換拱，換拱按上下臺階分步進行，順序為先拱部后側(cè)墻，并按照自下而上的順序進行鑿除，逐步對每環(huán)侵限的初支拱架進行分段分部拆除進行置換。

1）測量放樣

對隧洞變形洞段的初支斷面進行量測，確定變形侵限范圍，標(biāo)記侵限處理深度。

2）鑿除混凝土、割除鋼筋

根據(jù)測量結(jié)果，人工依次破除侵限部分的初支噴射混凝土以及背后的圍巖土，按照鋼拱架間距逐榀鑿除并及時支護，直至換拱全部完成。

為確保施工安全，采用人工風(fēng)鎬鑿除，以減少對圍巖的擾動；開挖圍巖預(yù)留變形量設(shè)為10 cm。同時依次割除侵限部分的鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架及連接筋。

3）鋼拱架網(wǎng)噴支護

比較兩組患兒客觀噪聲值與信噪比，差異不大（P＞0.05），左心室強化CT值與對比噪聲比數(shù)據(jù)顯示差異顯著，具備統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。詳見表2。

破除結(jié)束并檢查開挖斷面尺寸滿足要求后，按照設(shè)計參數(shù)及時完成網(wǎng)噴支護。

首先清理開挖面浮土，然后緊貼開挖面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，采用Φ8 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，之后按設(shè)計要求架立I16 初支鋼拱架，鋼拱架間距1 m。

鋼拱架間采用Φ25 螺紋鋼進行連接，環(huán)向間距1 m，與鋼拱架焊接牢固；為減少鋼拱架收縮及沉降變形，鋼拱架左右側(cè)腿部設(shè)Φ25 鎖腳錨桿，鎖腳錨桿傾斜向下45°，施做長度3 m，每榀鋼拱架共設(shè)8 根，鎖腳錨桿與鋼拱架焊接牢固；最后進行噴射混凝土施工，厚度15 cm，完成一次換拱循環(huán)。

3.3.3 更換鋼拱架施作要點

1）在噴射混凝土鑿除后，將外露的鋼筋及鋼拱架逐步割除，清除開挖面松動浮土，檢查開挖斷面符合設(shè)計要求后開始掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片搭接長度為1～2 個網(wǎng)格。

2）將制作好的鋼拱架運至作業(yè)平臺上，按照鋼拱架編號拼裝鋼拱架，拼裝完成后，檢查調(diào)整鋼拱架安裝位置及高程，符合設(shè)計要求后，將鋼拱架固定；鋼拱架與圍巖的接觸處設(shè)混凝土墊塊，穩(wěn)固鋼拱架。鋼拱架間采用縱向連接鋼筋進行連接，連接筋與鋼拱架焊接牢固，并預(yù)留搭接長度。

3）鋼拱架安裝施工允許偏差應(yīng)符合規(guī)范要求，鋼拱架應(yīng)垂直于水平面，鋼拱架傾斜度不得大于2°；鋼拱架中線應(yīng)與隧洞中線重合，鋼拱架安裝高程、左右允許偏差小于5 cm。

4）鋼拱架拱腳應(yīng)立于堅實基礎(chǔ)之上，不得懸空或立于松動軟土之上，有困難時可在拱腳用型鋼將支護完畢的鋼拱架作縱向連接。

3.4 澆筑二襯混凝土

變形段拱部鋼拱架全部拆換完成后及時進行底板二襯C25 混凝土澆筑施工，底板襯砌混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度70%后緊跟二襯邊頂拱C25 混凝土施工，及時封閉成環(huán)，二襯混凝土澆筑厚度為40 cm。

4 監(jiān)控量測

1）在隧洞換拱全過程至二襯施工前，要求連續(xù)進行拱頂下沉量測及鋼拱架水平凈空收斂量測，以判斷圍巖變形動態(tài)并指導(dǎo)施工安全進行。

2）侵限處理之前，在侵限及影響部位布設(shè)監(jiān)測點，用以監(jiān)測圍巖的沉降及收斂變形。監(jiān)測點入巖深度不小于10 cm，外露初支混凝土面5 cm，監(jiān)測點每2 m 一個斷面進行布設(shè)，每個斷面共布設(shè)3 處，布設(shè)位置分別位于拱頂，以及左右側(cè)墻，以觀測圍巖及初期支護結(jié)構(gòu)的變化，在布設(shè)完成后及時初測。

3）換拱作業(yè)需在圍巖量測數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后，進行逐榀更換。

4）在侵限鑿除之后，初期支護前，設(shè)置圍巖監(jiān)測點，每2 m 設(shè)置一組觀測點，每個斷面共布設(shè)3 處，布設(shè)位置分別位于拱頂，以及左右側(cè)墻。換拱施工完成2 h 內(nèi)先進行第一次觀測，以后按每天的觀測頻率為2 至3 次，直到二襯施工作業(yè)完成。

5 拆換施工安全保證措施

1）安排專職人員對變形洞段附近進行全天巡視，觀察初支噴射混凝土面是否出現(xiàn)裂縫、掉塊、鼓包等異常情況，作好施工記錄。

2）為了確保人員安全，除施工人員外，不允許其他人員進入拆換施工洞段。

3）侵限部位的處理不得使用爆破或大型機械振動破除，應(yīng)采用人工風(fēng)鎬逐步鑿除。在鑿除以及換拱的過程中，應(yīng)隨時注意周邊圍巖變化情況，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即停止作業(yè)，必要時將施工人員撤離現(xiàn)場。

4）鑿除作業(yè)、鋼筋割除作業(yè)時，下方嚴(yán)禁站人，作業(yè)臺車下嚴(yán)禁人員行走。

5）架立鋼拱架時，應(yīng)隨時觀察圍巖變化以及初噴射混凝土面的變化情況，防止圍巖坍塌引起傷人事故。

6）對初支結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)常檢查，如發(fā)現(xiàn)初支鋼拱架彎曲變形或初支混凝土面開裂等現(xiàn)象時，應(yīng)分析原因，并及時采取加固措施。緊急和必要時應(yīng)迅速撤離人員到安全地帶，防止因坍塌造成安全事故。

6 結(jié)語

隧洞變形觀測數(shù)據(jù)表明，拆換后的隧洞初支結(jié)構(gòu)，變形穩(wěn)定，滿足了對后續(xù)隧洞二次襯砌混凝土的施工要求，同時說明，通過對隧洞軟基底進行小導(dǎo)管注漿加固，對拱部進行密排管棚超前支護，能夠滿足隧洞在地下水條件下粉細(xì)砂地層對變形初支進行拆換的強度要求，保證了初支鋼拱架拆換的施工安全，節(jié)省了施工時間，取得了良好的經(jīng)濟效益，該方案可對粉細(xì)砂地層類似地質(zhì)條件下的隧洞沉降變形處置提供借鑒。