浅谈岩溶隧道初支侵限段换拱处治技术

(三明厦沙高速公路有限责任公司，三明365004)

浅谈岩溶隧道初支侵限段换拱处治技术

■童威

(三明厦沙高速公路有限责任公司，三明365004)

本文以厦沙高速玉园隧道出口右洞初期支护变形侵限换拱处治工程为实例，对岩溶、破碎软岩换拱过程所采取的处治技术和控制措施进行探讨，对隧道施工中类似问题起到借鉴参考作用。

岩溶隧道初支变形侵限换拱处治

1 工程概况

玉园隧道位于福建省尤溪县台溪乡七官场村境内，采用双向四车道分离式结构。左线全长1288m，右线全长1256m。

1.1 地质情况

玉园隧道穿越灰岩地层，岩溶发育，局部地段溶蚀现象严重，形成溶腔、溶槽，围岩稳定性差。V、VI级围岩段围岩主要为黄色粘土夹中-强风化灰岩，灰岩为隐晶质结构，为较软岩，岩溶发育，形成溶洞，充填粉质粘土，部分无充填。地下水不发育，未见股状水流。

1.2 隧道初期支护及山体地表变形情况

玉园隧道右洞出口地段施工初期CD法刚进洞9m，地表局部出现开裂，山体出现轻微变形，施做坡体加固工程后继续掘进，2016年1月至4月期间受暴雨影响等因素影响，玉园隧道出口地段山体再次发生变形位移，山体地表出现多条裂缝，多呈“人字形”，变形山体纵向长约85m，横向宽约80m，厚10～17m，前缘高程约351m，后缘高程约396m，前后缘相对高差约45m，变形区面积约6446.5m2，体积约9.03万m3。洞内沉降明显，已施做完成的初支局部侵限。

2 变形侵限原因分析

2.1 地质和气候原因

玉园隧道出口段地质条件复杂，暗洞110m范围内为浅埋段，山体地势较陡，存在面向洞门右向左约45°的侧向偏压，岩溶串珠状发育，充填粉质土，部分溶洞无充填，充填土力学性能差；同时受连续大范围强降雨影响，土体饱水自重增加，抗剪强度降低，导致边坡整体稳定性降低，局部失稳发生滑动破坏，造成洞内沉降明显，已施做完成的初支局部侵限。

2.2 施工原因

(1)随着隧道的掘进，山体受力发生变化，在掘进的过程中，经常会遇到灰岩孤石，需要爆破开挖，对围岩造成较大扰动。

(2)隧道开挖掘进过程中未严格遵守三台阶步距要求，下导和仰拱施工滞后，仰拱未及时封闭成环造成拱架沉降过大；锁脚小导管打入角度不足，注浆不够饱满，未将周围土体胶结加固形成整体受力，造成拱架下沉加大。

(3)承包人对岩溶地质隧道施工经验不足，20cm预留变形量较小。

3 初支变形侵限具体情况

对K125+172～204路段采用激光断面仪扫描，结果见表1。典型侵限断面图见图1。

图1 K125+190断面图(单位：cm)

4 换拱处治技术方案

4.1 总体处治原则

换拱从出口大里程往进口小里程进行，换拱施工前，必须先对变形侵限段进行加固，并布设监控量测点，加固和安全措施满足要求后，方可进行换拱施工。换拱工序遵循：管超前、严注浆、短进尺、强支护、勤量测、早封闭；换拱施工时必须认真执行“四个及时”，即及时支护、及时监测、及时反馈、及时修改；由上至下依次逐榀换拱。

表1 变形及侵限情况表

4.2 施工方案与工艺

(1)施工工序

施工准备并实测换拱段落断面→根据实测断面预制套拱并架设→洞内超前注浆加固→凿除侵限的初期支护→换拱支护并布设监控点→重复以上工作，按一个台车长度，及时跟进二衬施工。

(2)套拱施工

套拱参数：I20a钢架，纵向间距0.5m/榀，喷射C20砼10cm，套拱之间用Φ22HRB335钢筋做连接筋，间距1m。根据施工是否成环情况，洞内套拱加固分为以下两种情况：

①仰拱已成环(砼已浇筑)段：即右洞K125+185～204段采用下图2进行加固：

图2 仰拱成环(砼浇筑)段套拱加固示意图

图3 仰拱未成环中下台阶未开挖段套拱加固示意图

②仰拱未成环及中下台阶未开挖段：即右洞K125+ 172～185段采用图3进行加固。

套拱加固施工前，用油漆标示出原钢架位置。根据实测断面预制加工拱架，确保套拱拱架基本密贴原初支面，不密贴的采用水泥垫块填塞。套拱拱架安装位置位于原两榀钢架中间，以利于后续换拱施工。仰拱成环段施工时，套拱基础架设在仰拱上。仰拱未成环及中下台阶施工时，首先施工临时仰拱，临时仰拱采用C20喷射混凝土厚10cm，套拱基础架设在临时仰拱上。同时，应在套拱架设前，确保临时仰拱混凝土强度达到100%。套拱拱架两侧基脚各设4根套拱拱架两侧基脚各设置4Φ50×3.5mm锁脚钢管并注浆，L=3.5m。套拱拱架架设后，及时喷射10cm厚C20混凝土包裹钢架，防止钢架移位。完成后套拱见图4。

(3)洞内注浆加固

图4 套拱加固完成图

对已施工拱部长管棚+边墙小导管地段(设计VI级围岩段即K125+185～+204)在拱部管棚中间位置补充施做小导管加固措施，对仅施做拱部长管棚地段(设计V级围岩段即K125+172～+185段)需在拱墙位置补充施做小导管加固措施。

超前小导管设计参数：采用Φ42mm，壁厚3.5mm钢花管，长4.5m，环向间距0.4m，纵向搭接长度不小于1.0m。外插角：拱部150°范围内，外插角45°；边墙部位范围内，外插角为5～10°和45°交错布置。注浆采用1∶1水泥浆，注浆压力0.5～1MPa，注浆前进行注浆试验，以调整注浆参数，注浆时应注意观察支撑和拱架是否变形，如有变形，马上停止注浆、并对支撑进行加固后才可继续注浆，注浆顺序从边墙到拱部，当达到设计注浆量时，可结束注浆。超前导管布置图见图5。

图5 超前导管布置图

(4)拆除原侵限段初支

换拱遵循先拱后墙原则，避免掉拱隐患。

首先根据每个断面侵限厚度确定换拱开挖深度，预留沉降量按30cm控制(可根据后期监控量测数据调整)，将相关数据标示在初支喷射混凝土上，而后根据初支面上油漆标示的钢架位置(套拱施工时，油漆标示原钢架位置)凿除K125+204～K125+203.1段上台阶(高度约2～3m，具体根据单元分节长度确定)段原初支混凝土，首次凿除宽度为90cm(拱架间距50cm，H200型钢宽20cm，预留20cm钢筋网搭接宽度，合计90cm)。割断钢架连接筋、钢筋网片等，松开单元钢架连接板螺栓，逐单元拆除上台阶钢架。拆除钢架后，开挖进一步加深，深度按先前计算数据控制，开挖完成后立即对开挖面进行量测，确保开挖轮廓线满足设计要求，防止二次侵限的发生。原初支混凝土凿除采用人工风镐破除，个别孤石可采用机械破碎破碎，严禁爆破。拆除施工作业时，两侧不得同时施工。

(5)换拱支护

断面开挖尽量平顺，而后及时初喷混凝土，厚度4cm。铺设钢筋网，并架立K125+204及K125+203.5里程处H200型钢上台阶钢架，在钢架与围岩的空隙处加设混凝土垫块，楔紧钢架，而后按设计要求焊纵向连接筋，并施工锁脚锚管。锁脚锚管采用4根L=3.5m，Φ50× 3.5mm，并注浆。根据以上步骤逐步更换K125+204～K125+203.5段中、下台阶拱架钢架，并喷射C25混凝土至设计厚度，要求喷射饱满无空洞。喷射混凝土完毕后马上对换拱断面进行复测并埋设监控量测点，稳定后方可进行下一榀拱架置换。详细施工步骤如下：

①利用换拱台架用工20型钢做临时支撑顶住②③单元钢架。

②拆除套拱，使用人工风镐破除①单元原初支混凝土。

③割断①单元连接筋，网片等。

④松开①单元和②单元、①单元和④单元连接板处螺栓，拆除①单元钢架。

⑤分步拆除②单元、③单元钢架。

⑥进一步修整开挖面，预留沉降量按30cm控制。

⑦初喷4cm混凝土，安装新钢架，铺设钢筋网片及焊接连接筋，并打设锁脚锚管，锁脚锚管俯角不小于45°，做好锁脚锚管与钢架连接，喷射混凝土至设计厚度。

⑧分侧更换中台阶④单元钢架，打设锁脚锚管，并喷射混凝土至设计厚度。

⑨分侧更换下台阶⑤单元钢架，⑤单元钢架从仰拱填充面附近割断，仰拱部位拱架无需更换，打设锁脚锚管，并喷射混凝土至设计厚度。

⑩喷射混凝土完毕后马上对换拱断面进行复测并埋设监控量测点，稳定后方可进行下一榀拱架置换。

图6 换拱示意图

(6)二衬施工

侵限段换拱达到一个台车长度后，立即停止换拱并施工二次衬砌，二衬混凝土强度达到80%时，方可拆模进行下一循环换拱。同时，施工中必须根据监控量测数据及时调整换拱二衬施工段落长度，二衬紧跟换拱施工。

(7)换拱施工监控量测

换拱作业风险高，作业期间，必须进行换拱区段地表沉降、拱顶沉降、周边收敛等项目的监控量测，监测频率不小于2次/天，监测周期连续且贯穿整个施工周期，特别是暴雨后，应加大观测频率，监测后及时绘制山体变形-时间曲线、速率曲线。

①初支加固套拱施工完成后，每隔一榀在拱顶处设置沉降观测点，在开始换拱前读出初始数据，而后进行监测频率不小于2次/天量测，若发现有异常情况则立即停止施工，迅速组织人员撤离，待围岩稳定或报告相关人员采取相应措施进行处理。

②换拱过程中，在已换拱完成的初支上每隔5m布设沉降和收敛观测点，沉降观测点和收敛观测点布设在同一断面上，观测频率为2次/天。每天应及时对监测数据进行分析，并根据表2和表3采用三级管理控制，对出现的问题及时处理。

表2 监测管理等级

表3 隧道周边允许位移相对值(%)

换拱全部完成后，只有等所有监测断面监测数据达到稳定后才能进行掌子面开挖。YK125+175断面是距离掌子面最近的一个监测断面，其拱顶下沉和周边收敛位移—时间曲线和位移发展速率—时间曲线(如图7所示)。

通过对分析监测数据可知，换拱完成后的7天里，由于现场的作业扰动和围岩压力，拱顶下沉和周边收敛数值较大，变化都在10mm以上；后几天随着围岩受力渐渐平衡，下沉和收敛数据逐渐变小；后因临近初支换拱以及下导和仰拱的施做，出现沉降和收敛突然变大的情况，随着换拱作业面逐渐远离和拱圈的闭合，作业对沉降和收敛的影响逐渐变小，一个月后基本达到稳定。

5 结语

通过玉园隧道侵限换拱处治，认为采用的初支外侧钢套拱逐段加固，围岩内部超前小导管注浆固结，隧道初支参数加强，及时施做二衬的处理方案是安全可行的，在施工过程中未出现安全问题，该处理方法可以用于类似隧道侵限工程中。

在软弱围岩隧道开挖掘进过程中，根据开挖方法严格控制施工步距十分重要，尽快施做仰拱将初支拱架封

图7 拱顶下沉和周边收敛位移—时间曲线和位移发展速率—时间曲线

闭成环，改善拱架受力，充分发挥围岩自承载能力，可以有效减小拱架沉降变形，减小施工安全风险。

在地质条件较复杂的隧道施工中，开挖初期可适当放大预留变形量(后期可根据监控量测数据确定预留变形量)，虽然增大预留变形会增加部分初支二衬工程量，但比起后期换拱处治所花的费用，以及节省了施工工期和设备人员的窝工费用，还是值得的。

加强软弱围岩隧道的监控量测，掌握隧道初支变形情况，对可能出现的安全风险进行预报预警防患于未然，同时可把握隧道初支结构所处安全状态，验证支护结构效果，确定预留变形量和二衬最佳施做时间，为调整支护参数和施工方法提供依据。

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