软弱破碎围岩隧洞初期支护侵限处理措施

王传宝

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳 110003）

1 工程概况

大伙房输水一期D&B4标段位于工程位于辽宁省本溪市桓仁县华来镇拉古甲村，合同主体工程为输水隧洞工程。输水隧洞长2 769.72 m，桩号18+841.10-21+610.82；纵坡i=0.33‰。

2 洞室侵限问题

9号洞下游主洞桩号19+729.2～19+788.0 m段初期支护于2008年6月施工完毕，2008年8月对其进行断面复测，发现存在大范围的侵限现象。

19+729.2～19+769.6 m段侵限主要集中在水流方向的左侧，自中线开始向左侧至拱脚处，侵限量在32～59 cm之间；19+769.6～19+783.0 m段左侧侵限量在58cm～157cm之间，右侧侵限量在0～19cm之间，拱部侵限量在0～136 cm之间，其中19+775.2处左侧侵限量最大；19+783.0～19+788.0 m段侵限集中在左侧，侵限量在46～149 cm之间，右侧无侵限。

3 原因分析

该施工段为凝灰岩的破碎带，强风化～弱风化，岩质较软，节理裂隙发育，结构面多呈张开状，夹有泥质或岩屑，围岩破碎～较破碎，地下水丰富，开挖后揭露的围岩难以自稳，Ⅴ类围岩；洞室周边岩体破碎且岩石强度低，系统锚杆及锁脚锚杆无法提供有效拉力，进而无法与型钢及喷混形成支护体系；初期支护变形在下台阶施工时即发生，现场无仰拱封闭施工时间；

该段洞顶埋深200～220 m，洞顶埋深大，地应力较高，造成仰拱的初期支护无法形成有效支撑，变形严重，局部初期支护侵限达1 m以上。

4 洞室侵限处理设计

针对现场实际情况，参建各方确定采用如下处理措施：首先对洞周进行径向注浆加固，再对侵限部位钢支撑进行拆除、处理欠挖并重新支立钢支撑，然后进行系统的锚喷支护；在施工过程中持续做监控量测，以监控施工期围岩的稳定情况，保证施工期安全。

4.1 径向注浆加固[1]

对变形段桩号19+773.6～19+764.8 m范围内全周进行径向注浆加固，注浆采用ϕ42的小导管（无缝钢管），长度L=4.50 m，环纵向间距100 cm×100 cm，梅花型布置。加固浆液为水泥净浆+添加剂，添加剂为速凝剂和减水剂，以加速浆液的凝结时间、提高浆液浓度，达到“早凝高强”的目的。水灰比0.5∶1，0.8∶1，注浆压力为0.30～0.50 MPa。

4.1.1 钻孔

将小导管孔的孔位按照设计位置用红油漆标出，钻孔位置根据放样进行，钻孔的方向为隧道断面径向，孔径为50 mm。

钻孔时避免钻杆摆动等因素，保证孔位顺直。钻至设计孔深后，用吹管将碎碴吹出，注意避免塌孔。

4.1.2 装管

装管前，先将ϕ42钢管加工成钢花管。小导管的孔口用锚固剂固牢，外露15 cm以便于注浆操作。

4.1.3 注浆

注浆按自下而上，间隔的顺序进行。注浆前加工连接球阀用的丝扣管、变径接头。注浆前将ϕ42丝口管焊接在管尾，安上球阀。

小导管注浆采用注浆机，水泥浆搅拌先稀后浓。止浆采用球阀止浆，注浆结束标准为：注浆压力达到0.50 MPa，即可停止注浆。停止时先停泵再关闭球阀，最后清洗管路。采用分级升压法，注浆过程中，将压力分为两个阶段，分级升压注浆。

4.1.4 注浆参数

采取全孔一次性注浆方式进行加固。径向注浆浆液流动度保持在30 min以上，注浆压力为0.30～0.50 MPa。按每100 L材料用量，浆液配比，见表1。

表1 变形段径向注浆加固浆液配比kg/100 L

4.2 欠挖处理

测量人员定出隧道中线和开挖轮廓线，用红油漆按钻爆设计图画出炮眼位置。开挖轮廓线内岩体，进行机械开挖并人工修整成型，必要时进行松动爆破，严禁放大炮一次性处理。欠挖处理时，在开挖轮廓线外扩大5 cm作为预留变形量，防止换拱后初期支护变形再次侵限的可能性。

4.2.1 钻爆设计

该段地质所属Ⅴ类围岩，全断面施工，循环进尺0.60 m。钻爆布孔仅钻设周边孔，局部欠挖较大或爆破困难地段根据面积大小增设若干辅助眼。周边眼外插角控制在2°～3°，保证眼底不进入开挖轮廓线内。周边眼采用间隔装药。

辅助眼采用连续装药结构，所有装药炮眼均采用炮泥堵塞，堵塞长度一般不小于25 cm。

4.2.2 钻孔

周边孔钻孔精度要求较高，由经验丰富的操作员操作，孔口误差不大于5 cm。周边孔在断面轮廓线上开孔，外插角要严格控制，尽可能使前后两排炮交界处台阶减小。同时根据掌子面围岩情况调整钻孔深度，以使孔底基本处于同一断面上。

4.2.3 清孔装药

采用软管输入高压风吹出孔内残渣和泥浆。装药按不同炮孔装药，按自上而下顺序装填，雷管要分段对号入座。炮孔按规定药量装药后，炮口用炮泥堵塞。周边孔装药量较小，用竹片固定药卷，用导爆索、非电毫秒雷管起爆；辅助孔和掏槽孔采用连续装药，用非电毫秒雷管起爆。

4.2.4 断面检查

开挖完成,对局部需要处理的欠挖部分视其大小,采用补爆或专人利用风镐凿除，保证开挖断面净空尺寸。

4.3 拱架施工

换拱作业采用多功能作业台架全断面施工，每循环处理1榀，自105+351.2向下游逐榀施工。换拱作业采用人工凿除、辅以松动爆破方式进行。

径向注浆加固达到一定强度(2)和锁定锚杆施作完成后，开始欠挖处理及换拱，支护参数均按照设计要求（拱架纵向间距0.60 m）施作。

4.3.1 榀换拱步骤

将台架移动到位后，人工使用风镐清除喷射混凝土，割掉铺设的钢筋网和连接钢筋，随后通知测量放线，按预留变形量后的开挖轮廓线用风镐进行开挖。19+729.2～19+758.0 m段在需换拱部位的两端拱架50 cm处打设2根3.5 m长ϕ25锁定锚杆；19+758.0～19+796.6 m，19+783.0～19+788.0 m段在拱部拱架割除部位右侧50 cm处打设2根3.50 m长ϕ25锁定锚杆；19+796.6～19+783.0 m段，拱部全部及左侧全部拱架拆除。切割拱顶侵限的拱架，安设新拱架，对已更换拱架进行系统支护，施作连接钢筋，挂钢筋网，打锚杆，最后喷射C30混凝土至设计厚度。

隧洞拱架在加工场集中制作，运至现场后人工安装。拱架为HW150型钢拱架，间距600 mm。19+729.2～19+758.0 m段，型钢加工以设计尺寸扩大5 cm加工，105+380～105+410段型钢加工以设计尺寸扩大15 cm加工。

19+729.2～19+758.0 m段将需换拱处的单节或多节拱架拆除，利用连接板正常连接；19+758.0～19+769.6 m，19+783.0～19+788.0 m段，原有拱架剥除喷射混凝土后，自正拱顶利用氧气乙炔割断，右侧不拆除部分将喷射混凝土凿除50 cm，以利于拱架连接，现场在不拆除拱架上割2个孔，用夹板与新换部分连接，见图1。19+769.6～19+788.0 m段右侧，在原拱部与边墙连接处拆除，利用连接板正常连接。

图1 拱架连接示意图

4.3.2 施工方法

拱架制作：按照设计尺寸，工字钢采用冷弯机加工，将型钢冷弯成形，并做到加工尺寸正确，弧形圆顺，焊缝高度控制在9 mm，翼缘为12 mm，拱架加工考虑施工误差5 cm及一半的变形量。钢架加工后进行试拼检查，各单元用螺栓连接的螺栓孔中心间距公差不超过±0.50 mm，钢架平放时，平面翘曲小于±2 cm，拱架拼装尺寸与设计轮廓误差控制在±3 cm。

拱架安装：由下向上，根据结构尺寸分节调整到位，加固安装下一节。测量组施工前至少放样2组中线水平点，便于施工引用和拱架定位。拱架检查合格后安装纵向连接钢筋，拱脚和边顶拱分别设置ϕ25锁脚锚杆。19+758.0～19+788.0 m段，钢拱架拱脚处增设撑靴，以加强拱脚处受力条件。

4.3.3 施工技术措施

拱架基脚位置预留0.15～0.20 m原地基，架立钢架时挖槽就位，每节拱架拼接安装时按要求设置垫板。在拱架基脚处垫实，各单元栓接牢固，调整位置和高度，保证与隧洞中线垂直，并与锁脚锚杆、锁定锚杆焊接牢固。

4.4 超前小钢管

超前小钢管于19+758.0～19+788.0段施工，每2榀拱架施作一次，根据前方2榀待换拱的部位进行布设。超前小钢管为ϕ32无缝钢管，长度3 m，环向间距30 cm，在新更换的钢拱架背后施作，钻孔外插角为25°。

4.5 钢筋网的铺设

隧洞拱墙初期支护铺设钢筋网，钢筋直径8 mm、网格尺寸150 mm×150 mm。钢筋网片在洞外钢筋加工场地加工成型，现场人工安装，采用电焊与锚杆和钢架等支护结构固定牢固，网片间搭接长度符合规范要求，且不小于150 mm。

4.6 锚杆施工

系统锚杆拱墙范围布置，1 m×1 m（纵×环）梅花形布置。

锚杆钻孔：按设计用红油漆标出锚杆孔口位置，采用风动钻机进行钻孔，钻孔直径为42 mm。钻孔完毕后用高压风清孔，并检查锚孔是否平直畅通，不合格者重新钻孔。锚杆孔位偏差不大于50 mm，孔洞保持直线并与初喷面垂直，孔深不得小于设计长度。

锚杆安装：将锚杆旋转插入孔中。锚杆深入孔底，将止浆塞推向孔口处，塞入孔内，安上垫板和螺母，按照需要采用锚固剂对孔口进行密封，杆体露出面的长度，不大于喷层厚度。

4.7 喷射混凝土

初期支护采用C30W10型喷射混凝土，厚度200 mm；喷射混凝土施工采用湿喷混凝土工艺，设多台湿喷机同时作业。除速凝剂外包括水在内的所有集料均在送入喷射机前拌和制备完成，液态速凝剂在现场通过装有自动计量的系统加入湿喷机内。

选用两台TK-500型湿喷机同时作业，人工辅助。喷射前对喷射面进行检查，清除岩面浮石、墙角石碴和堆积物，用高压风水冲洗受喷面。

喷射作业分段、分片，由下而上的顺序进行，分层喷射，边墙每层厚度按7～10 cm控制，拱部按5～8 cm控制，后一层在前一层混凝土终凝后进行，直至复喷到设计厚度。喷嘴与受喷面保持垂直，距受喷面0.60～1 m，喷射机压力不小于0.20 MPa。

5 监控量测

施工中的监控量测是施工安全的保障，隧道换拱地段监控量测每隔2 m进行布点监测，同一断面上、中、下导各设置两测点用于围岩收敛量测，拱顶设置一沉降观测点。

欠挖已经处理段监控量测点采用在钢筋上固定反光片的方式，钢筋埋入围岩中，反光片露出初支面并朝向观测方向。施工前，在洞内该段初期支护钢架上布置监控量测点。周边收敛、拱顶下沉各项目测点尽量集中断面布设，以便量测成果分析。在换拱施工完6 h内进行第一次观测，仪器采用激光全站仪，观测频率为每天2次，直至二衬完成后为止。

6 结语

通过在换拱期间加强监控量测，当总变形值超过10 cm或变形大于2 cm/d时，立即停止换拱作业、设置ϕ300钢管斜撑或竖撑以抑制变形，必要时二次注浆加固地层；严禁一次拆除两榀及两榀以上钢架，每次拆除一榀，待新钢架闭合，且喷射混凝土达到一定强度时后方可拆除下一榀钢架。用时40 d，圆满完成了施工任务，对类似工程具有借鉴意义。

［1］张安睿.山冲新村隧道初期支护变形侵限分析及处治［J］.黑龙江交通科技，2016（1）.

［2］王书涛，李光辉.桦皮岭隧道初支侵限段换拱施工技术研究［J］.公路交通科技：应用技术版，2016（1）.

［3］李日成.浅谈隧道软岩侵限段换拱处理［J］.广东土木与建筑，2015（2）.