城市隧道初支侵限处治技术研究

2022-12-31何雄伟,苏林建

浙江建筑 2022年6期

随着城市化进程的加快，城市地铁建设大幅增多，城市隧道多穿越复杂地质，作业班组素质参差不齐，隧道结构出现过大的沉降及变形使得初支侵限问题屡见不鲜，当侵限问题影响隧道二衬设计厚度时，需进一步对隧道进行换拱处治，而换拱过程实则为隧道又一次应力重分布，稍有不慎将导致塌方灾害。

针对隧道侵限处治技术，国内诸多工程师对此进行了研究，王君顺［1］以甘肃大头岘隧道为依托，采取有限元对浅埋黄土隧道不同厚度二衬结构进行计算，进而针对不同侵限尺寸采取三个等级的处理措施，避免了大范围换拱引起安全隐患；覃维［2］以梅州山子顶隧道为研究对象，应用ANSYS数值分析软件对换拱过程围岩位移场及应力场进行分析，得出在此过程隧道受力状态最不利位置位于右侧拱脚及边墙位置；张林［3］以云南铳卡隧道为背景，针对隧道穿越粉砂质泥岩初支结构变形过大进行分析，提出径向管棚注浆，提高初支参数，上挑换拱的综合处治措施和上述研究主要集中于山岭隧道换拱的处理，对城市地铁隧道而言，其多穿越城市繁华地带，施工环境复杂，在换拱过程中为了保证隧道净空及二次衬砌厚度，对拱顶及地表的沉降控制更为严格，施工过程稍有不慎易引起较大的经济损失及社会影响。鉴于此，本文结合某地铁隧道初支侵限处治案例，分析事故原因，并对初支换拱技术措施进行阐述，欲为同类工程施工提供一定的指导和借鉴。

1 工程概况

某城市地铁隧道采用矿山法暗挖施工，左右中心线相距13～15 m，隧道围岩综合分级为Ⅲ～Ⅵ级，隧道上覆第四系土层主要为人工填土层，第四系上更新统卵石层、残积土层，下伏基岩主要为侏罗系凝灰岩和燕山期中细粒花岗岩，地下水位较高，埋深为1.85～3.70 m，沿线地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水，卵石层为主要含水层，富水性较好。该地铁隧道路面交通路况繁忙，附近地面管线主要有污水管、电力管、燃气管以及雨水管。

隧道侵限段处于Ⅵ级围岩，设计断面为马蹄形，支护参数见图1。

图1 隧道支护结构

初支变形段位置位于DK47+130.5—DK47+148，共17.5 m，隧道顶板为粉质黏土，侧壁为全风化花岗岩和砂土状强风化花岗岩，底板为中风化花岗岩，该区间地质起伏变化较大，见图2。

图2 地质纵断面图

2 事故概况

2017年11月28日凌晨1∶00左右，右线上台阶已停止开挖，下台阶左边墙拱架喷完混凝土；凌晨2∶30，上台阶拱脚出现涌泥、突水现象；凌晨4∶00，距离掌子面4 m处左边墙出现拱脚变形裂缝。发生险情后，现场管理人员立即组织工人开始反压挂网初喷。

右线DK46+116.7—DK47+199.6地段隧道位于块状强风化岩和中等风化岩中，涌水量较大。初支出现明显变形，现场管理人员立即组织作业人员在变形部位挂设钢筋网并喷射混凝土，及时封闭掌子面。但在掌子面封闭完成2 h后，掌子面后方3 m范围内已经完成初期支护的边墙存在变形趋势，出现了细微的环向裂缝，并出现线状泥水渗漏情况。监测到断面DK46+134.6左拱肩处侵限最大超400 mm，严重侵入二衬范围。据调查，右线掌子面对应地面3 m左右有一根南北走向横穿公路的DN100给水管，水务施工图上无此水管，为居民小产权管，管线于埋深1.2 m处发生破裂，断裂处距离隧道掌子面较近，水流直接涌入隧道造成涌水，并发生大变形。

3 初支变形原因分析

隧道发生涌水事故后，经调查发现，一根南北走向横穿公路给水管破裂是导致初支发生大变形的主因，水渗漏至隧道周边围岩，造成围岩软化，引起初支变形过大，进一步分析如下：

3.1 管线破坏原因

隧道掘进过程中的施工扰动会使管线发生不均匀沉降，产生附加应力，此外，管线的刚度远大于土体，对周围土体移动产生抵抗作用。在两种形式共同作用下，临近隧道的管线易发生破裂［4］，渗漏水造成围岩软化，并与正在开挖的隧道之间形成涌水通道，掏空管线下部土体，加剧管线结构破坏，致使隧道发生涌水、大变形等灾害。

3.2 围岩原因

隧道穿越全-强风化花岗岩地层，对于干燥无水的全风化花岗岩，其具有一定的自稳能力，对于富水的全风化花岗岩，受水的影响，易于崩解，主要原因是全风化花岗岩的微观结构具有孔隙比大，胶结物质少，结构松散的特点，接触的形式以面-面接触为主，在水的作用下，此结构易发生相对滑移，以及高岭石黏土矿物吸水膨胀不均匀，导致结构破坏。在宏观上表现出易软化及易崩解，土的强度降低，围岩的自稳时间短的性质，无法形成预加固，而且改良地层的难度较大［5］。隧道涌水夹带粉细砂颗粒，会进一步造成地层损失，如不及时采取相应措施，易发生隧道坍塌、地表塌陷等灾害事故。

4 初支变形控制措施

为防止隧道围岩变形过大引起隧道坍塌，在对侵限初支进行换拱处理前应对围岩进行加固，提升围岩自稳能力，在这一过程中遵循“稳固掌子面，内外共处治”的步骤：

4.1 洞内控制处理

1）为防止掌子面进一步渗水软化围岩，在掌子面挂设钢筋网并喷射混凝土，及时封闭掌子面。

2）初支变形段上台阶及掌子面码放沙袋进行反压，防止掌子面挤出变形过大引起隧道坍塌。

3）I22工字钢横撑+“V”型架设斜撑支撑拱顶，支撑之间使用纵向连接筋进行连接，确保洞内初期支护稳定。见图3。

但老马很欣赏我对诗歌的悟性。他有一个小本本，放在田头，休息的时候，他会在本子上写上两句。我有一次偷偷地翻了下那个小本子，发现老马写的每一首诗，都离不开稻草。

图3 横撑+“V”型斜撑

4.2 洞外控制处理

1）路面进行地质雷达探测，找出地下空洞或土体不密实区域，指导地面注浆作业，同时对地下管线进行详细探测。

2）在洞内的临时支护完成并基本稳定之后，立即在初支变形段对应地表处路面采用后退式钻注一体机进行钻孔注浆，根据隧道埋深、隧道位置及地面管线位置，布设注浆孔位和孔深，使用水泥浆+水玻璃双液浆对隧道上部土体进行加固。

5 换拱措施

初支格栅钢架侵限里程为DK47+130.5—DK47+148。总长17.5 m，侵限的范围较大，经断面测量，需进行换拱处理的环向范围为3.3 m范围（1个拱架单元）。在处理初期支护的过程中必须要遵循“加固先导、先撑后破”的原则，确保施工人员的安全。在这个过程中须遵循以下流程，见图4。

图4 换拱处理流程

确保注浆加固效果是换拱工作开始的前提条件，开挖前必须设置超前探孔确定注浆效果满足要求（无水流出）后方可进行破除施工。拱架破除施工时先少量破除，观察地质情况，确认安全后再进行大面积破除。

5.1 打设泄压孔

采用潜孔钻在上台阶底部两侧拱脚土岩分界处各钻一个泄水孔排水泄压，见图5。钻孔角度沿隧道轴线方向外插5°～10°，深度5～10 m。

图5 换拱示意

5.2 注浆加固

隧道针对初支侵限段不同区段采用了不同的加固方式，见图6。

图6 分段加固平面示意

1）未变形段注浆加固

掌子面变形段后方未变形段10 m范围采用注浆小导管进行初期支护背后注浆加固。小导管采用Φ42无缝钢管，孔深0.5 m，环距、纵距均为5 m，梅花形布置。注浆材料采用水泥浆，水灰比控制在0.8∶1～1∶1，注浆压力0.4～0.6 MPa。

2）变形段左侧锚管注浆加固

变形段左侧拱架未变形部位增设Φ25中空注浆锚杆，安装托板后注浆，托板与格栅拱架密贴，上覆喷射混凝土进行封闭。中空注浆锚杆梅花形布置，环距1 m，纵距0.5 m。

3）变形段右侧小导管注浆加固

待左侧加固处理完成后进行右侧小导管注浆加固作业。采用Φ42无缝钢管注浆加固，钻孔深3.5 m，1.0 m×1.0 m梅花形布置。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力0.8～1.2 MPa。

5.3 作业平台

爆破石碴回填侵限区域至下台阶地面，并挂网喷射混凝土作为施工作业平台，作业平台端部按30°放坡并网喷护面，见图7。

图7 作业平台示意

5.4 临时支撑施工

临时支撑采用I16工字钢支撑，支撑间距同隧道格栅钢架，位置距拱顶正上方0.5 m，为保证支撑稳定，在作业平台的喷射混凝土面上设置20槽钢固定于喷浆面上作为基础，支撑型钢与基础采用焊接，在拱顶钢架上焊接连接板，并与支撑型钢满焊，以确保支撑稳固，可正常起到应力转换的作用。增加拱顶锁角锚杆，见图8。

图8 临时支撑示意

5.5 侵限拱架及喷混凝土破除

采用人工破除侵限混凝土面，每次拆除长度0.5 m，初期支护每次支护长度为0.5 m（单榀），对换拱段的锁脚锚杆按每根4 m加长设置，并将拱架封闭成环，每榀拱架均布设沉降及收敛监测点，检测数据稳定后方可进行下一循环的初期支护施工。

5.6 监控量测

为检验初支换拱处治效果，通过对支护结构及地表进行现场监测，选取掌子面所处地表位置为典型断面，绘制地表累计沉降曲线，见图9。由典型断面监控数据分析可知，通过“稳固掌子面，内外共处治”的加固措施，可有效控制隧道围岩稳定，降低地表沉降，同时在拆除侵限初支结构的过程中掌子面所处地表沉降累计数值均在3 mm以内。