富水软岩隧道初期支护侵限处置技术应用研究

2020-11-28赵利杰

世界有色金属 2020年17期

赵利杰，杨宇

（中国有色金属工业第六冶金建设有限公司，河南郑州 450006）

某隧道为左右幅分离式隧道，左幅起止里程为ZK93+663～ZK99+160，全长5497m；右幅起止里程为K93+638～K99+111，全长54735m。隧道最大埋深约420m。该隧道属于特长隧道，为重点控制性工程，工程地质条件复杂，构造断裂及地下水发育。根据对初期支护断面量测结果,出现侵限情况，二衬设计尺寸将难以保证，结合实际情况采取可行的工程措施，合理有效地控制工程质量。

1 工程地质条件

ZK94+400～ZK95+100段受F7二道坪断裂构造影响，岩体强风化，节理裂隙发育，岩体破碎，呈裂隙块状、碎裂状结构，岩溶管道或溶蚀裂隙发育，与地表沟谷相连，沟内有季节性流水，断裂破碎带及岩溶发育、富水，易发生坍塌，开挖时掌子面易发生坍塌，雨季易出现突水、突泥，为严重不良地质段落。

2 初期支护侵限现状

根据监控量测数据表明，①、ZK94+739断面，4月8日至4月9日拱顶累计沉降量2mm（24小时沉降量为1mm），周边累计位移3mm（24小时位移量为1mm）。②、ZK94+743断面，4月8日至4月9日拱顶累计沉降量3mm（24小时沉降量为0）,周边累计位移3mm（24小时位移量为1mm）。③、ZK94+746断面，4月8日至4月9日拱顶累计沉降量为0，周边累计位移3mm（24小时位移量为0）。④、ZK94+750断面，4月7日至4月9日拱顶累计沉降量3mm（24小时沉降量为1mm），周边累计位移6mm（24小时位移量为3mm）。⑤、ZK94+756断面，4月6日至4月9日拱顶累计沉降量8mm（24小时沉降量为1mm），周边累计位移7mm（24小时位移量为-1mm）。⑥、ZK94+764断面，4月6日至4月9日拱顶累计沉降量8mm（24小时沉降量为1mm），周边累计位移6mm（24小时位移量为2mm）。⑦、ZK94+771断面，4月6日至4月9日拱顶累计沉降量18mm（24小时沉降量为1mm），周边累计位移6mm（24小时位移量为-1mm）。

隧道三方检测单位4月7日至4月9日提供监控量测报告表明，4月9日，除ZK94+756断面为当天最大沉降点，沉降量为1.21mm外，其余2个断面5个点24小时沉降量均小于1mm。根据施工单位和三方检测单位的监测数据和现场情况初步判定ZK94+730～ZK94+770段初期支护侵限，其设置临时支撑后围岩初期支护变形速率基本趋于稳定。

3 隧道侵限原因分析

侵限段落位于地层岩性过渡变化带，围岩岩性由辉绿岩向灰岩过渡、变化；围岩强风化，岩质软至较软；构造节理、风化裂隙发育，岩体破碎；围岩结构面富水性弱，出水状态可呈潮湿状、点滴状；围岩主要以松动垮塌为主，洞周侧壁出水区岩体受震动后容易出现垮塌、塌方。

在施工过程中工序衔接不紧密，工作进度较慢，仰拱未及时成环，导致初支累计变形侵限；开挖放样时，预留变形量不够，未能及时按照初支变形量及时调整预留量。

大雨过后，雨水沿裂隙渗入，在水的作用下土体强度迅速减弱，掌子面开挖后应力释放时土体不稳定，通过监控量测发现拱部下沉及周边水平土体收敛变形较大，导致拱腰至起拱线部位初期支护侵入二衬设计厚度范围内。

4 变形侵限段处理工艺流程

暂停掌子面的掘进施工，由设计单位提交设计变更图纸，施工单位编制专项施工方案，经审批后组织实施，加快完成左洞换拱专项施工方案的审批工作进程并组织实施换拱施工，尽快恢复隧道正常施工状态。

总体思路是换拱前要对换拱部位进行注浆加固，拱架置换遵循先上后下的原则进行处理，其次换拱后，欠挖处理到位，防止换拱完成后出现二次侵限。在施工的同时，做好地表沉降观测和洞内监控量测工作，并做好超前地质预报。

图1 侵限处理工艺流程图

5 隧道下沉处理措施

隧道拱部变形后，立刻启动紧急预案，对掌子面进行封闭处理，并对已经施工的完成的初期支护进行背后注浆加固或换拱，确保隧道施工安全。具体是原确定的SDsf-2衬砌支护参数不能满足现场支护需求，经设计单位确定变更换拱支护参数为：φ42径向注浆钢花管/φ51自进式锚杆，间距100×50cm（原设计间100×60cm）；I22b钢拱架，间距50cm（原设计I22a钢拱架，间距60cm）；中导位置锁角锚杆为长6m带钢筋笼的φ89注浆钢花管，两侧各4根（原设计为φ42×4锁脚小导管）；预留变形量暂定为40cm，根据现场实际情况调整；400g/m2土工布及PVC防水板；C30防水钢纤维钢筋混凝土衬砌厚60cm。

6 侵限处理步骤

由于拱部下沉，导致地层破坏，首先对掌子面进行注浆封闭，对该段进行初期支护背后注浆及小导管注浆加固地层，在进行加固后根据初期支护断面测量成果，测量人员需要确定拱部初期支护侵限范围，在现场用红漆画出换拱范围，由大里程到小里程顺序反向施工。

6.1 拆除初期支护

按照拱架单元进行凿除，且每次只能凿除一榀中的一个拱架单元。凿除主要以人工利用风镐开挖为主，尽量减少对围岩的扰动。换拱段落采用φ42径向注浆钢花管/φ51自进式锚杆，间距100×50cm（原设计间100×60cm）进行注浆加固并在换拱地段搭设钢管脚手做临时支撑或相应台车兼做作业平台。

（1）初期支护喷射混凝土凿除。根据断面测量结果凿除侵限喷射混凝土，凿除侵限初支混凝土施工注意事项：①根据断面实测数据，用红油漆在喷射混凝土表面标志出侵限的范围，并用数字写出该处或该段侵限多少。②风镐凿除喷射混凝土之前，必须先把喷射混凝土的凿除部分与不凿除部分在分界处切开分离，以防对不凿除部分混凝土有损伤。③不得大面积拆除初期支护，防止塌方及冒顶。

（2）初期支护钢拱架割除。钢拱架拆除时先用风镐破除钢拱架背后的岩土，当用风镐不便于操作时可用钢钎凿除其背后的岩土。钢拱架切割应沿半径方向，一次割除一个钢拱架单元，割除前采用顶撑顶住被割除段的型钢，两端用气焊割除后，再割除钢拱架原有的纵向连接筋，然后用锤头先轻敲震动钢拱架，使钢拱架松动，此时由4名工人人工配合托住钢拱架，1人用撬棍从一端到另一端逐步撬动，直至钢拱架顺利拆除。

6.2 挂设钢筋网片

在钢拱架拆除完成后，人工进行欠挖处理，对于局部残留的砼采用风镐破除，锚杆超前支护等钢结构采用电气焊切除，直至轮廓满足施工和设计要求。由于考虑该段地势偏压严重换拱后围岩有可能产生较大变形，轮廓开挖时预留沉降量为10cm～15cm。岩面修整完成后及时进行初喷，挂设钢筋网，网格间搭接长度为1～2个网格。

6.3 SDsf-2钢架安装

将加工好的相应钢拱架单元运至作业面将置换的钢架嵌入槽中，做好置换前后的钢架连接质量，连接方式采取原设计钢架间的钢板+连接螺栓方式有效连接，最后闭合处采用搭接焊，双面焊搭接长度不小于5d，单面焊搭接长度不小于10d。①打设4根锁脚锚管，用L型筋与钢拱架焊接牢固。中导位置锁角锚杆为长6m带钢筋笼的φ89注浆钢花管，两侧各4根（原设计为φ42×4锁脚小导管）。②在钢拱架与初喷混凝土的空隙处加设混凝土垫块，楔紧钢拱架。③按设计要求焊纵向连接筋及格栅钢架主筋进行焊接连接。

6.4 喷射混凝土

每单元初期支护拆换完成后及时湿喷C25砼，厚度同设计。

6.5 二衬施工

按以上拆换顺序反复循环，并及时跟进仰拱及仰拱填充，初期支护拆换完成一段，衬砌一段，确保安全。

7 预防坍塌和换拱施工的注意事项

①对侵限钢架凿除前，采用小导管注浆超前支护预加固地层，为保证注浆质量，对超前注浆管进行定时抽查。②凿除段采用人工用风镐施工，接近开挖轮廓时，必须采用人工修整从而控制超挖。③格栅钢架用于工程前应进行试拼，架立应符合设计要求，连接螺栓必须拧紧，数量符合设计，节点板密贴对正，格栅钢架连接圆顺。④喷射混凝土结构，不得出现脱落和漏筋现象。⑤格栅钢架间喷射混凝土厚度应满足设计要求，表面应平整圆顺，无大的起伏凹凸。⑥换拱施工宜每榀进行，上榀钢架安设和混凝土施工未完成前不得进行下一榀钢架拆除施工；⑦应谨慎开挖、及时支护，严格按设计和规范施工，锁脚锚杆（管）施作到位，加强钢架的纵向连接使钢架整体受力，避免坍塌事件出现。⑧施工过程中需加强洞内监控量测和地表沉降观测，准备相应预案，遇异常变形时应立即采取临时支撑、加强支护措施，并及时提请建设、监理、设计各方协商处理。