老黄土隧道拱腰初支大变形破坏与处理技术

2019-07-19王洪坤

四川建筑 2019年3期

王洪坤

(中铁二十局集团有限公司, 陕西西安 710016)

由于黄土本身的特殊性质，黄土在干湿循环变化间产生力学差异巨大[1]，导致黄土隧道初期支护拱腰处喷射混凝土开裂、剥落，钢架变形、扭曲甚至剪断，形成安全隐患，引起工人恐慌，造成巨大经济损失，给设计和施工带来严重困扰。因此探寻黄土隧道初期支护变形破坏规律与合理的支护参数及开挖工法，对提高隧道设计的合理性和施工的安全性具有一定的指导意义。

1 工程实例

工程案例均为初期支护完成，喷射混凝土强度达到设计值，监控量测信息反馈拱顶沉降和洞身收敛接近完成，回归分析判定围岩、初支稳定，在停止监控量测的情况下，由于黄土含水率增大而发生大变形[11]。变形由围岩应力调整挤压初支结构，引起钢架间喷射混凝土在张拉力作用下隆起鼓包，在台阶分界处结构薄弱面纵向开裂，裂缝不断向钢架延伸扩展，最终以应力集中形式剪切作用在钢架上，钢架受力发生变形挠曲将荷载传递至锁脚锚管端部，锁脚锚管再将端部荷载扩散到围岩中。力在传递过程中任何一个环节抵抗能力不足，则该节点变形破坏突出。变形一旦发生持续时间长，没有突变性，变形量大，但也能保持稳定，变形随着时间的推移而增长，但速率逐渐变小直至稳定。

1.1 型钢拱架结构支撑实例

宝兰客专南山堡隧道全长3 497m，位于甘肃省通渭县南山村，为单洞双线隧道，设斜井一座，全长571m。隧道穿越老黄土地层先后三段发生初期支护大变形，其中一段位于正洞，两段位于斜井辅助坑道内，均为Ⅳ级围岩，埋深约90～120m。

XK0+571～XK0+541段，断面60.57m2，台阶法施工，开挖时土体天然含水率约20 %，洞身局部潮湿偶有滴水。初期支护完成约14d，发现拱腰台阶分界施工缝下侧初期支护混凝土纵向开裂，裂纹宽2～5mm，长约30cm。发现裂缝，当即补设测点，针对初支变形较大位置进行监控量测。持续观察发现裂纹始于相邻钢架的中间位置，走向与线路平行，随着时间推移向钢架方向延伸和加宽，局部伴有少量斜向、横向裂缝及错台。监控量测数据信息显示，常规测点累计沉降最大值31mm、收敛最大值43mm围岩渐趋稳定，补测点监测收敛最大值4mm/d。

支护参数为：拱墙设φ22砂浆锚杆，长3.0m,梅花形布置，拱墙设φ8钢筋网，间距20cm×20cm，拱墙设I16型钢钢架，间距1榀/m，φ42锁脚锚管长3m，钢架之间用φ22纵向连接筋焊接在一起其环相间距1.0m，C25喷射混凝土厚22cm，C30衬砌混凝土厚30cm。

分析围岩含水率偏高偶有水渍、滴水，隧道开挖挠动造成周圈土体松动利于赋水，致使洞身周围黏质黄土泥化，甚至泥化为流塑体，力学强度急剧降低，土体挤压隧道结构，上台阶初期支护施工缝薄弱部位受张拉隆起开裂[7]。判定初支结构拱腰部位刚度不足需补强，考虑斜井通道对该工点施工安全影响极大，采取及时补强支护措施，采用双层钢架支护以保证施工安全。二层支护不设锚杆其他参数不变，补强支护钢架设与初期支护钢架错位布设。处理后结构呈稳定状态，后期优化取消了C30衬砌混凝土。

DK867+930～DK867+942段断面138.1m2，三台阶法施工，位于斜井进入正洞的交叉口处，开挖时天然含水率约14 %，衬砌先预留，待斜井口封闭时整体施做，该段两端二次衬砌均严格遵守二次衬砌安全步距的要求跟进掌子面。初期支护完成约6个月后，发现交叉口对面正洞初支面拱部及边墙上部纵向裂纹，约2～5mm宽，最长的约40cm，持续观察发现裂纹始于相邻钢架的中间位置，大部分走向与线路平行，局部伴有少量斜向、横向裂缝，随着时间推移裂缝有所扩展，同时沿钢架轮廓位置出现环向裂纹，钢架有剥离迹象。恢复监控量测并补点监测，发现拱顶无沉降，洞身收敛速率为3mm/d。

该段支护参数为：拱墙设φ25中空锚杆，边墙设φ22砂浆锚杆，长3.5m,梅花形布置1.2m×1.2m，拱墙设φ6.5钢筋网，间距20cm×20cm,拱墙设I18型钢钢架，间距1榀/m，φ42锁脚锚管长3.5m，钢架之间用φ22纵向连接筋焊接在一起其环相间距1.0m，C25喷射混凝土厚25cm，C30衬砌混凝土厚45cm。

分析近期降雨地表水下渗，另隧道施工洒水降尘湿度过大，洞内外温差原因斜井交叉段产生水雾湿润初期支护面，水分透过初期支护混凝土渗入，致使黄土含水率加大，自身承载力降低，围岩应力调整挤压隧道，致使边墙上部和拱腰下部初期支护混凝土张拉开裂，锁脚锚管随钢架剪切变形顶裂钢架混凝土保护层[3]。判定初支结构边墙及拱腰部位刚度不足需补强，采取破除初支表面8cm厚混凝土，在裂缝上下30cm位置增设4组8根3.5m长锚管固定钢架，增设一层钢筋网片和纵向连接筋，然后喷射混凝土修复支护面。处理完到一年后施工二次衬砌未出现异常。

XK0+541～XK0+491段，断面36.98m2，台阶法施工，开挖时土体天然含水率约14 %。支护完成3年后发现拱腰台阶分界处喷射混凝土裂纹6～12mm，扩展极为缓慢，考虑隧道正洞贯通后斜井不作为施工通道，洞内的支护变形不危及施工运输安全，结合前两段处理经验，没及时处理，而是做了2年的观察，裂纹集中在边墙台阶施工缝下侧，以纵向裂缝为主，伴有环向、斜向裂缝，裂纹慢慢发展由鼓包撕裂到纵向贯通，再到劈裂形成4～12cm的错台，钢筋网与钢架分离，混凝土破裂剥落，但一直保持稳定(图1)。

图1 斜井初支拱部大变形

该段支护参数为：支护参数：拱墙设φ22砂浆锚杆，长2.5m,梅花形布置，拱墙设φ8钢筋网，间距25cm×25cm,拱墙设I14型钢钢架，间距1榀/m，φ42锁脚锚管长2.5m，钢架之间用φ22纵向连接筋焊接在一起其环相间距1.0m，C25喷射混凝土20cm厚。

分析黄土受季节循环的降雨渗水影响，围岩多次应力调整挤压初期支护，支护混凝土在反复张拉力作用下疲劳受损开裂[4]，这个力不大但反复作用，其传递到钢架和锁脚锚杆的组合受力体上不足以造成钢架锚管形变，只是缓慢促进支护混凝土劈裂错台。判定初期支护结构偏弱，采取增设二次衬砌以分担围岩压力的方案，清除破损碎裂混凝土，喷射混凝土表面修复，然后施做二次衬砌。处理后结构稳定，达到了新的平衡。

1.2 格栅钢架结构支撑实例

蒙华铁路阳山隧道全长11 668m，位于延安市宝塔区麻洞川乡，为单洞双线隧道，穿越老黄土地层。

DK390+520～DK390+786发生初期支护大变形段长235m，为Ⅳ级围岩，埋深约126～139m，开挖面积普通段101.4m2，下锚段107.3m2。三台阶法施工(三台阶三步开挖法)，仰拱封闭距离掌子面1.5倍洞径，开挖时土体自然含水率约15 %。初期支护施工完成1个半月后，在仰拱衬砌工作面发现中台阶上部钢架间局部初期支护开裂，裂纹约2～5mm宽，纵向为主多集中在中台阶上部拱墙环向长0.8m范围内。发现裂纹后，即刻恢复该段监控量测，并在裂纹集中部位加设测线，严格按监控量测规程实施监测。约一周时间，钢架间喷射混凝土缓缓鼓包，上下台阶施工缝位置形成主裂纹，裂纹向钢架发展延伸，接着钢架主筋凸起扭曲劈裂初支混凝土，纵向裂缝沿隧道走向纵向贯通。初期支护大变形现象由仰拱衬砌工作面快速向大小里程蔓延。约三周时间，隧道235m长未衬砌段，拱腰两侧上台阶纵向施工缝处裂纹贯通，上、中台阶处形成错台，中台阶顶部隆起突出，裂缝周围多处出现湿渍，局部出现间断性水滴，个别格栅钢架主筋剪断，断而不塌。监控量测信息显示，拱顶和边墙测线沉降收敛数据均不超标，补设测线收敛速率5mm/d直到错台形成渐企稳定。监控量测数据信息显示，拱顶沉降和拱腰收敛无异常渐趋稳定，边墙测线数据分布图出现拐点，补测点监测收敛最大值速率12mm/d。

该段支护参数为：拱墙设纵向φ6环向φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm,全环设四肢φ22(h=150mm)型格栅钢架，间距1榀/m，φ42锁脚锚管长4m，钢架之间用φ22纵向连接筋焊接在一起，连接筋内外交叉布置环相间距1.0m，C25喷射混凝土厚22cm，C30二次衬砌厚45cm。

变形发生时，仰拱初期支护封闭成环距离掌子面13m，二次衬砌仰拱、拱墙距离掌子面分别为167m、263m。由于变形大，范围广，业主组织参建各方做了抢险处置。(1)停止掘进，封闭掌子面，设φ6钢筋网，网格为25cm×25cm，采用喷射10cm厚C25砼封闭，并预留一个30cm×30cm观察口。在上台阶设置临时仰拱，对变形较大处支撑φ800mm临时钢管支柱。(2)为限制变形避免产生大面积的垮塌事故，初支开裂段间隔10m施做全环封闭二层钢架支护加固圈。每组加固圈由5榀I20a钢架组成，钢架间距1m/榀，加固圈间净距5m，钢架应紧贴初支面。钢架纵向采用φ22连接筋，环向间距1m；加固圈拱墙范围设纵φ6×环φ8钢筋网，网格为20cm×20cm；全环喷射C25砼封闭，厚24cm。(3)在三组加固圈内做应力监测，隧道初支变形开裂段，隧顶地表增设两个钻孔补勘地质，隧道内采集围岩压力、含水率以及做原位测试等。(4)同时对变形段落的初支钢架，锁脚锚管，喷射混凝土等随机做破坏性抽检(图2)。

图2 阳山隧道初支大变抢险处置

地质补堪、应力采集、原位测试、初支结构质量破坏检验均未得到初支大变形破坏的强有力理论支撑，排除人为原因后。分析(1)隧道顶耕地土质疏松易积水，而季节性冻土阻碍了冬季雨雪等地表水下渗，在地表形成冰晶和水膜，整个冬季的降水被储存在地表浅层[8]；(2)4月底由于升温融化下渗，加上雨季来临，连续降雨补给下渗；(3)黄土垂直节理发育，渗透快，而隧道开挖挠动围岩形成松动滞水区域[9]。三个因素叠加造成隧址区土体含水率迅速增大，物理力学指标变差，土体强度降低，土层在自重和上覆附加荷载的作用下，产生应力调整，并作用在初支上，应力到了一定程度导致初支薄弱部位发生破坏。抢险处置二层钢架支护加固的地方变形得到有效控制达到稳定状态。二层钢架支护加固段之间各段落上、中台阶施工缝处变形开裂继续扩展，中台阶顶部隆起错台侵入二衬范围厚度18～32cm，少数钢架主筋甚至被剪断但未坍塌，继而达到新的稳定变形趋于停止。黄土层含水率增大到22 %后成流塑态，围岩应力大调整导致初期支护混凝土破损，牵动钢架剪切变形把力传递给锁脚锚管，锁脚锚管端部刚度大于钢架刚度而未随钢架变形，最终钢架在锁脚锚杆下缘凸起扭曲变形，应力得于适当释放后，围岩整体再次趋于稳定[2]。判定初期支护结构强度刚度在围岩应力调整时不足以与之抗衡，需做补强、加强处理，处理方案如下：

DK390+786～DK390+647段，对变形侵限段按先加固再拆换的原则进行，先在拆换节段上下50cm位置，补打双排4根锁脚锚管固定钢架[10]，再对开裂剥落部位每边扩宽50cm进行人工凿除，用φ28钢筋代替原设计φ22主筋进行焊连，与原有格栅主筋搭接焊，焊缝长度不小于50cm，格栅预留中间空隙采用“口”字型与两侧重新加固的主筋焊接。拱架更换部位喷射混凝土厚度由原设计22cm调整为30cm。拆除二层支护局部侵限范围段采用风镐凿除，满足二衬厚度要求。换拱完成后，在更换部位正中设置监控量测点，按照2.5m一个断面加密监测竖向拱架变形情况，变形基本完成时及时施做二次衬砌。钢架大变形如图3所示。

图3 大变形处清除松散混凝土后

DK390+647～DK390+520段经过两个月的围岩应力释放初支结构变形后二次趋于稳定。该段为一般锚段，为减少拆换，降低施工风险，加快施工进度，研究决定变更设计衬砌类型，缩小断面净空。相当于把二次衬砌净空调整到85cm厚，这样就把二层加强支护钢架和大变形隆起错台部分都甩在变更后的45cm厚二次衬砌背后。将一般锚段往调整到小里程未开挖段。

2 变形控制探索试验与分析

阳山隧道整个初支拱部大变形段235m长，历时3个月处治完成，造成了巨大经济损失，也带来较大社会负面影响。后继施工，推测隧道小里程方向地质条件等同已处理的大变形段，具备严重的拱腰大变形条件，必须采取加强措施，为此接下来做了两段试验。

2.1 降低围岩级别以加强支护参数

DK390+520～DK390+080段，原设计Ⅳ级围岩调整为Ⅴ级围岩，支护按Ⅴc型，支护参数为：拱墙设φ8钢筋网，间距20cm×20cm,全环设四肢φ25(h=230mm)型格栅钢架，间距0.6榀/m，φ42锁脚锚管长4m，钢架之间用φ22纵向连接筋焊接在一起，，连接筋内外交叉布置环相间距1.0m。C25喷射混凝土27cm厚，C30混凝土二次衬砌50cm厚。结果表明支护结稳定未产生变形开裂现象，但结构是否过强仍然未知，所以又尝试着优化。

2.2 收敛约束原理让压支护结构

DK390+080～DK389+080段，原设计Ⅳ级围岩支护按Ⅴ土型。引入高地应力支护结构大变形处理理念，采取抗放结合结构，吸收能量引导变形[5-6]。在支护结构两侧上中台阶分界处设置通长限阻器，利用低碳钢板较好的变形延伸能力和峰后承载能力，通过在受力过程中钢板的屈服塑性变形，实现限制结构内力、释放围岩压力，限阻器结构如图4所示。

图4 钢板型限阻器与结构连接示意

试验结果显示大部分段落围岩收敛过程中限阻器在环向压缩发生弹簧性变形，然后平衡达到稳定，一部分段落限阻器和初支结构均未受压变形，少部分段落限阻器未变形但险阻器上下缘与之相连的混凝土撕裂剥落甚至钢架主筋凸起扭曲，限阻器变形如图5所示。判断支护体系稳定初支结构安全，总体来说让压支护结构实施效果良好，方案先进合理，经济效果显著，但限阻器结构仍需优化以使结构变形全产生在限阻器上。