黄土隧道特殊地质条件下的换拱技术总结

任军军

(山西路桥第二工程有限公司，山西临汾 041000)

1 工程概况

吕梁环城高速公路磨湾2号隧道位于山西省吕梁市离石区信义镇磨湾村，隧址位于黄土残垣丘陵区，微地貌为黄土冲沟、陡坡，地形起伏较大，“V”形谷发育，相对高差在60 m左右;植被稀疏，只生长少量灌木。围岩为离石组黄土，岩性为粉质粘土，坚硬状态块状整体结构，洞口段垂直、柱状节理较发育，易受大气降水的冲蚀而滑坡，边坡稳定性较差。隧道采用分离式断面，净宽10.25 m，净高5.0 m，两侧设检修道，内轮廓考虑结构受力有利及便于施工，一般衬砌断面内轮廓采用三心圆。

2 初支侵限过程介绍

当磨湾2号隧道右洞开挖至K25+130时，拱顶掉块现象较为严重，现场将支护参数加强为Ⅴ级深埋，采取减小开挖步距，反喷回填等措施，效果不显著，坍塌未得到有效控制，当隧道开挖至K25+136时，掌子面出现严重坍塌，坍塌范围拱顶至左侧拱肩处，坍塌高度1.3m左右，累计坍塌方量大于20 m3，现场对K25+130～K25+136段在初支面外侧按Ⅳ级围岩标准新增工字钢和连接筋进行支护，并对塌方部位采用埋设注浆管注浆处理，跟进仰拱、二衬尽量缩短安全距离要求后，继续以Ⅴ级深埋支护参数向前掘进，2012年8月24日，掘进至K25+160时，掌子面出现严重坍塌，坍塌高度5 m左右，累计坍塌方量大于80 m3，临近掌子面初支面，沉降28 cm，K25+140处初支面沉降15 cm，并出现近3 cm的环向裂缝，K25+138～K25+142之间也有不同程度开裂，跟进仰拱、二衬尽量缩短安全距离，二衬跟至K25+136，对塌方部位采用埋设注浆管注浆处理，继续向前掘进。9月4日晚，由于降雨改变了围岩应力，掌子面再次坍塌，K25+140～K25+165段初支出现严重变形，上台阶全断面侵入二衬轮廓线内。

3 原因分析

1)坍塌地段围岩处于变化阶段，是粉质黏土和粉土结合的地段，稳定性极差;

2)地表有一处冲沟横切隧道洞顶，隧道埋深15 m左右，围岩自稳性差;

3)连日降雨改变了围岩应力，致使初支面再次变形;

4)由于回填注浆压力不足，两次坍塌回填处理不够彻底，留有空腔，二次坍塌带来的外力骤增，致使拱架扭曲变形。

4 换拱工序

1)封闭掌子面，K25+140～K25+165段增加8排扇形支撑，扇形支撑对应上台阶已支护拱架，利用三角形的稳定性，通过将断面分割成四个三角形，达到临时稳固的目的，控制坍塌变形，保证注浆安全，扇形支撑采用Ⅰ20a的工字钢做骨架，横向和纵向连接采用Ⅰ18的工字钢，整个扇形支撑坐落在100 cm×50 cm的基座上面，基座采用C20的混凝土，底部铺设Φ20的螺纹钢，间距20 cm×20 cm，扇形临时支撑随换拱逐排拆除，施工时注意的重点环节为扇形支撑的基座必须落在原状土上，保证承载力;严格控制扇形支撑连接处的焊接质量，详见图1，图2。

图1 临时加固的正面示意图

图2 临时加固的侧面示意图

2)K25+140～K25+165段，全断面注浆固结松散土体，控制坍塌变形，保证换拱时的安全，小导管采用φ42，壁厚3.5 mm的钢花管，长度4 m和2 m，长短钢花管梅花形布置，环向、纵向间距均为100 cm，环、纵向间距根据注浆材料的扩散效果决定，长管对拱架外5 m范围的松散土体进行固结，短管对拱架外3 m范围的土体进行补强固结，使土体形成一个拱圈受力，既能有效的控制换拱时的坍塌，又能减轻换拱后的初支压力，采用水泥水玻璃注浆，还能起到很好的封水作用。施工时注意的重点环节为注浆顺序和压力的控制以及注浆材料的配合比控制。注浆时先长管，控制在0.5 MPa左右，再注短管，控制在0.8 MPa左右，水泥水玻璃材料，水灰比1∶1，水泥浆和水玻璃比控制在1∶(0.3～0.5)。

注浆材料选择分析，既然围岩变形很大，那么，围岩必然松散，将松散的围岩“粘结”起来就安全了，所以，凡遇到此类情况，多数人会做出首先进行打孔注浆的决定，且注入普通水泥浆。事实上，变形的围岩未必松散，普通静压注浆渗透及固结无效;此外，所注入的固结浆液与其说是“水泥浆”，不如说是“泥水浆”，在黄土隧道施工中，水泥浆注入围岩，首先起到的作用不是像“胶水粘纸一样”将松散围岩“粘”在一起，而是先水对围岩软化，这是十分危险的，有几个工地就是因此而坍塌的，有更糟糕的是，坍塌后，还认为注浆不够，所以在换拱注浆过程中，注浆要在临时支撑加固完成后进行，并且注浆时要严格控制水灰比以及水玻璃的掺量，在保证注浆效果的同时，最大限度的减少水对黄土隧道的危害。

3)K25+140～K25+162段换拱，支护参数提升为Ⅴ级浅埋，锁脚锚管增加两倍，在拱脚加垫60 cm×40 cm×10 cm的混凝土预制块，以控制沉降，超前支护采用超前双层小导管，配合型钢钢架使用。

具体技术参数如下:

a.超前导管规格。

采用φ42，壁厚3.5 mm的钢花管，长度3.5 m;

b.间距。

不同外插角的钢管，环向间距均为30 cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150 cm。

c.外插角。

钢管外插角分别采用40°和10°交错布置，可根据实际情况调整。

d.注浆材料。

采用水泥水玻璃双液浆。

e.注浆压力。

0.5 MPa～0.8 MPa，有关参数可以根据现场实际加以说明调整。

f.设置范围。

拱部120°范围，超前双层小导管布置图，如图3，图4所示。

图3 超前小导管布置图

图4 纵剖面布置图

4)已侵限初支的拆除，多数隧道管理者会想:既然围岩变形很大，那么，围岩很脆弱，尽量减少扰动，而爆破的扰动是最大的，所以严谨爆破拆除，要采取人工或机械拆除。围岩脆弱，减少扰动，这个判断是正确的，但是，爆破震动就比机械大以及人工作业就安全的判断就有严重偏差。建设部关于对砖木结构房屋的爆破震速标准是2 cm/s，也就是说，只要将爆速控制在一个合理范围内，爆破就是安全的;而所谓机械在目前就是指冲击锤，冲击锤的震动不一定比爆破小，此其一，司机坐在驾驶室，视线难以到嵌槽，这就可能造成误操作，凿到钢架，形成安全隐患;人工拆除的思想是“隧道安全”的思想，其实，最大的安全是人员安全，其次才是隧道，人工进行位于人体上方的拆除作业，脱落的物体都会直接砸到人体上，非常危险。

换拱作业应按照这种思想施工:先进行超前支护，然后弱扰动破除，喷锚支护，针对初支混凝土的特点和施工要求，现场采用了静态破碎技术，通俗一点说就是将一种水泥样的粉状物加水搅拌后，装填入混凝土中的钻孔内，过段时间混凝土会出现裂纹、裂缝，然后用挖掘机改装的机械手清运。混凝土的抗拉强度约1.5 MPa～3.0 MPa，约相当于其抗压强度的 1/10～1/20，而通常静态破碎剂的膨胀压力可达30 MPa～50 MPa。所以，合理的破碎设计(装药量、孔径、孔深和孔间距的确定)是能够使孔眼周围的介质受到充分破坏的。经现场测定，在温度为20℃、水与破碎剂之比为0.3∶1时，其体积将自由膨胀4倍。

静态破碎有以下优点:破碎剂不属于危险物品，因而在购买、运输、保管、使用中，不受任何限制;施工过程安全，不存在炸药爆破时产生的震动、空气冲击波、飞石、噪声、有毒气体和粉尘的危害;施工简单，破碎剂用水拌合后灌入炮孔即可，无须堵塞，不需专业工种;需破则破，需留则留，按照要求，设计适当的参数，可达到有计划地分裂、切割岩石和混凝土的目的。在黄土隧道正常施工中，不使用炸药，换拱时，临时使用炸药，存在很多困难和风险，静态破碎更加凸显了其优越性。

静态破碎剂使用范围也有一定的局限性。与炸药相比，能量不大，钻孔多，破碎效果受气温及施工人员经验影响较大，所以，刚开始一两个工序较慢，需根据喷射混凝土强度、厚度、洞内温度等现场实际总结破碎设计参数。

5)为了保证施工和运营后的安全，将塌方段向前10 m的范围支护参数提高到Ⅴ级浅埋。

6)加强监控量测，及时反馈给施工，每换拱5 m便跟进仰拱5 m，及时成环，适时地跟进二衬，保证施工安全。

5 结语

磨湾2号隧道换拱的施工实践，证明了坚持“先支撑，严注浆，管超前，弱拆除，强支护，短成环，二次衬砌适时施作”的换拱施工原则，秉承以人为本的思想，采用扇形支撑、水泥—水玻璃注浆，双层小导管、静态破碎等技术在黄土隧道特殊地质条件下换拱是完全可行的，可以极大的降低换拱给施工带来的安全风险，为黄土隧道的施工提供了可资借鉴的经验。

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［3］隧道“换拱”作业［Z］.筑龙网论坛，2011:11.

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