隧道仰拱翘起的原因分析及处治方法

陈军社，李 凯

(中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016)

0 引 言

在公路隧道施工过程中，存在地质复杂、围岩软弱、岩体破碎、稳定性差[1-2]以及施工人员对仰拱基底的处理不到位等问题，从而导致仰拱与仰拱填充分离、仰拱单侧或双侧翘起甚至仰拱开裂的现象[3-5]，引发质量问题或事故，造成经济损失和不良影响。因此，在施工过程中，提高管理人员和施工人员的质量意识，重视仰拱基底开挖后的承载力检测，做好事前预防、事中控制、事后检查，及早发现问题并及早采取有效措施处治，是消除隧道仰拱翘起质量问题的有效手段。同时，作为施工管理人员，有必要对隧道施工过程中出现此类病害进行研究，寻找有效的处治途径和方法[6-7]。本文以某隧道施工中出现的仰拱翘起现象为例，通过查找产生原因，确定采取在二衬边墙底部用注浆钢管锁脚、在侧式暗沟及仰拱顶面打设小导管注浆加固[8-10]等措施，达到保证施工质量、降低安全风险、提高施工效率[11-12]的目的。

1 工程概况

1.1 工程简介

某隧道左线ZK79+875～ZK80+414，长539 m；右线K79+860～K80+417，长557 m。洞底设计高程130.9～153.0 m，最大埋深100.2 m。洞内轮廓尺寸为：净宽11.77 m，净高7.20 m(图1)。采用灯光照明，自然通风。隧道设计使用年限为100年，防水等级为二级，进口端采用端墙式洞门，出口端采用削竹式洞门。

1.2 自然条件

如图2所示，隧道沿线为山坡，地势较高，径流条件好，地表水不发育，地下水主要有松散堆积层孔隙潜水、基岩裂隙水，隧道最大涌水量约为271.6 m3·d-1。

K79+860～K79+934、ZK79+870～ZK79+924为进口段，位于缓坡,坡角20°～30°。上覆硬塑粉质黏土，围岩自稳能力差,地下水为堆积层孔隙水、基岩裂隙水,水量贫乏。该段隧道轴线与坡向斜交,存在偏压现象。隧道进口段围岩级别为Ⅴ级，围岩自稳能力差，震动过大时侧壁易失稳。

图1 隧道净空断面

K79+934～K80+295、ZK79+924～ZK80+295为洞身段，位于山脊，最大埋深约106.6 m。覆盖层较薄，围岩主要为中风化绢云母片岩。岩层走向与隧道轴线正交，倾角较缓。节理裂隙发育，结合一般，中薄层状结构，岩体较完整,岩石较坚硬。围岩自稳能力一般,地下水为基岩裂隙水,隧道开挖会有点状出水,雨季可能有淋雨状出水。围岩分级为Ⅳ级。

K80+295～K80+415、ZK80+295～ZK80+415为出口段，位于缓坡,坡角15° ～30° 。上覆薄层硬塑粉质黏土,结构松散，围岩为云母片岩，原岩构造已风化破坏，岩芯呈砂土状，结构松散，易冲刷, 节理裂隙极发育，结合差，碎裂状结构，围岩自稳能力差,地下水为堆积层孔隙水、基岩裂隙水，水量贫乏。围岩分级为Ⅴ级。

隧道进口交通不便，通行困难；出口距离县道约500 m，通行条件较好。施工采用从出口端向进口端方向单端掘进。

图2 隧道沿线地形

图3 隧道S-IVc型衬砌结构断面

2 现场情况

从该隧道右线出口端向进口端掘进，原设计K80+282～K79+944段为IV级围岩，采用S-IVc型支护参数(图3)。当施工至K80+186时，掌子面围岩发生突变，左侧为强～中风化绢云母片岩，完整性和自稳能力较好，需放炮爆破开挖；右侧为细粒状黄色土质，结构松散，呈堆积状，且夹有孤石，可用挖机直接挖除，同时往掘进方向夹有强风化破碎带。从K80+153起，经参建各方现场察看，逐段对支护参数进行了加强调整，其中K80+153～K80+133段钢拱架由I16工字钢改为I20a工字钢，间距由1 m改为0.6 m，仰拱型钢闭合，喷射混凝土厚度由22 cm改为26 cm，二次衬砌按S-Va形式支护。K80+133～K80+123段的衬砌结构类型由S-IVc型改为S-Va型，K80+123～K80+113段的衬砌结构类型由S-IVc型改为S-Vc型，如图4、5所示。

图4 隧道S-Va型衬砌结构断面

图5 隧道S-Vc型衬砌结构断面

施工过程中，当该洞掌子面掘进至K79+957时，发现K80+178～K80+113段路线前进方向的左侧有仰拱翘起现象，从侧式暗沟的底部可以明显看到，仰拱与仰拱填充分离，分离高度达50 mm(图6)。

图6 仰拱翘起量测

测量人员在仰拱顶面、拱墙等位置埋设观测点，观测仰拱和二衬的沉降、收敛变形情况。对异常段落埋点进行了连续15 d的监测，在此期间，仰拱和二衬变形趋于稳定，拱顶下沉的最大累计变化量为29.0 mm，周边位移的最大累计变化量为14.0 mm，仰拱下沉的最大累计变化量为13.0 mm。对应段落山坡坡面未发现异常现象。

3 原因分析

经分析认为，出现上述问题的原因主要有以下几点。

(1)隧道经过地段处于2座山头相交处的垭口部位，地质状况复杂多变，且多为坡积体，整体性和自稳能力均较差。

(2)该段隧道开挖时暴露的围岩为松散的强～全风化绢云母片岩，围岩软弱，岩体破碎，稳定性差。同一开挖断面上围岩软硬交替，沿掘进方向夹有断裂破碎带，断裂构造在施工开挖中遭到扰动后，堆积的渣体重新排列组合，产生较大的应力集中，引起应力释放，促使岩体应力重新分布。隧道开挖后，重平衡过程复杂，时间漫长，导致出现结构暂时稳定的假象。随着时间的推移，应力可能慢慢释放，从而引起仰拱翘起变形。

(3)当隧道同一断面的地基处于软岩与硬岩交界处时，隧道仰拱及填充混凝土施工完毕后，地基受力可能产生不均匀沉降，随着软弱围岩一侧二衬边墙的沉降，会使仰拱中部受到向上的顶推力，从而导致软弱围岩一侧仰拱填充翘起，在二衬边墙沉降和仰拱填充翘起的共同作用下，表现为软弱围岩一侧仰拱与填充分离。

(4)隧道施工工序繁杂，隧道围岩受到多次施工扰动，周边围岩岩体受力体系发生变化。

4 处理方案

根据监控量测结果分析，该段变形已趋于稳定，拟定的处理措施如下(图7)。

图7 仰拱处治加固示意

(1)采用纵向间距 1.0 m、长6.0 m的Φ76 mm注浆钢花管对K80+178～K80+113段二衬边墙底部进行锁脚，锁脚钢管设围岩注浆孔，注浆材料采用水泥-水玻璃双浆液，注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆至饱满密实为止。

(2)在K80+178～K80+113段两侧侧式暗沟中，按1.0 m的纵向间距，垂直向下设置2排长6.0 m的Φ42 mm注浆钢花管，加固仰拱底部围岩。

(3)对K80+178～K80+113段，按径向、纵向间距1.5 m垂直于仰拱顶面打设长6.0 m的Φ42 mm注浆钢花管，增强仰拱基底承载能力。注浆材料采用水泥-水玻璃双浆液，注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆至饱满密实为止。

5 施工过程

5.1 二衬钢管锁脚

为控制二次衬砌及仰拱结构继续变形，并综合考虑隧底整治时二衬两侧边墙的稳定，减少其横向、竖向变形和位移，在拱墙衬砌两侧边墙底部，垂直于路线前进方向，斜向下45° 各设置1排Φ76 mm钢花管锁脚(图8)，纵向间距为 1.0 m，每根长6 m，钢花管孔壁每隔15 cm钻1个直径为1 cm的注浆孔，呈梅花形布设，注浆材料采用水泥浆，注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆至饱满密实为止。

图8 二衬边墙底部锁脚打孔

钻孔采用潜孔钻，钻头直径为10 cm，现场准确测放孔位，固定钻机，采用干钻方式，确保施工不至于使岩土工程地质条件恶化，并保证孔壁的黏结性能。根据钻机性能和地层严格控制钻孔速度，防止钻孔扭曲和变径，钻进过程中记录每个孔的地层变化、钻进状态(钻压、钻速)、地下水及一些特殊情况。如遇塌孔、缩孔等现象时，立即停钻，及时进行孔道固壁灌浆处理(灌浆压力为0.1～0.2 MPa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。

在钻孔完成后，使用高压风(风压0.2～0.4 MPa)将孔内岩粉及水体全部清除，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的黏结强度。不得采用高压水冲洗钻孔。

Φ76 mm钢管前端设长为10 cm的锥头，尾部焊Φ10 mm加强箍，注浆端设置止浆环(图9)。管身1.0 m以外设置Φ10 mm散浆孔，间距15 cm，呈梅花形布置。钢花管采用潜孔钻逐节送入孔内，接头处用套管焊接。

图9 Φ76 mm锁脚钢管加工

注浆材料采用水泥浆，注浆水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1∶1。注浆初始压力为0.5～1.0 MPa，终压为2.0～2.5 MPa。注浆过程中随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，注浆结束后及时用M30水泥砂浆紧密填充注浆管，增强钢管的刚度和强度。施工完成后如图10所示。

图10 施工完成后二衬边墙底部锁脚钢管

5.2 仰拱加固

在仰拱填充面上，采用潜孔钻从两侧预留的侧式暗沟沟槽垂直向下设置2排注浆钢花管，钢花管直径为42 mm，长6.0 m，纵向间距为1.5 m。通过钢花管注浆加固仰拱底部围岩，注浆材料为水泥浆。

对于两侧侧式暗沟之间的仰拱，在其全宽范围内，按照横向设5根、间距1.5 m、纵向间距1.5 m，呈梅花形布设Φ42 mm注浆钢花管，采用潜孔钻垂直于仰拱顶面打设，钢花管长6 m。通过钢花管注浆加固仰拱底部围岩，并填充因仰拱翘起而留下的缝隙，注浆材料为水泥浆。施工完成后如图11所示。

图11 侧式暗沟预留槽中的注浆钢花管

注浆水泥采用PO 42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa。为加快注浆速度和发挥设备效率，采用群管注浆(每次3～5根)。注浆过程中随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，以便分析注浆效果。当注浆量达到设计注浆量、注浆压力达到设计压力时，可结束注浆。

处治加固工作完成后，经过1个月的观察和监测，仰拱变形不再发展，开始施作隧道内侧式暗沟、电缆沟及仰拱填充以上的路面结构层等路面及附属工程。

6 结 语

(1)隧道施工中，存在不可预见的地质因素，因此，在尊重并执行设计图纸的基础上，还应结合开挖后的围岩实际情况进行预判，提前调整软弱围岩段支护参数，将可能发生的质量隐患消灭在萌芽状态。

(2)按照新奥法原理，初期支护在施工完成后与周边围岩共同受力、共同变形，待初期支护变形稳定后方可开始二次衬砌的施工。因此，初期支护结构是隧道的主要承力结构，应重视其施工质量，特别是锁脚锚杆和拱架落地，以防后期变形使仰拱承受较大的内力，产生翘起变形。

(3)严格按照规范进行施工，加强过程控制。当仰拱基底承载力不满足设计要求时，须采取换填夯实或注浆加固等措施处理，确保仰拱基底承载力均匀。严禁用虚渣回填超挖的仰拱基底，严格区分仰拱与仰拱填充，仰拱浇筑时应用弧形模板，确保仰拱与二衬成环后共同受力，维护隧道周边围岩的稳定性。

(4)当施工完成的仰拱出现单侧或双侧翘起变形时，应认真分析、查找原因，制定具有针对性的处治方法和加固措施，并严格执行处治方案，做好事后的补救处治工作。