对富水粉细砂地层隧道初期支护拆换处理技术的研究

祁雪峰

摘要：桃树坪隧道富水粉细砂地层，遇水极易软化，下部泥化现象明显，扰动后基底呈稀湖状，初支钢架接腿和闭合困难，隧道变形大，支护破坏乃至坍塌，局部富水地段掌子面涌水涌砂现象严重，造成初期支护变形侵限。

Abstract： The water-rich silt and fine sand layer of Taoshuping Tunnel is easy to soften in case of water， and the muddy phenomenon is obvious in the lower part. After the disturbance， the base is in a thin lake shape， so the initial support steel frame is difficult to connect and close， the tunnel deformation is large， the support damage is even in the collapse， and the gushing water and sand of the tunnel face in the water-rich section is severe， which cause the initial support deformation and intrusion.

关题词：富水粉细砂层;支护拆换;处理技术

Key words： water-rich silt and fine sand layer;support replacement;processing technology

中图分类号：U455                                        文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2019）13-0109-03

0  引言

富水粉细砂地层，是一种特殊工程性质的岩层，具有异常复杂的水稳特性，其主要特性是在原始状态下密实度高、不扰动状态下承载力和变形模量比较高，遇水结构破坏，多呈松散或塑性流变的状态。经试验分析研究，富水粉细砂地层的成分组成、胶结及含水情况具有不均一性，受水浸泡及外部条件的影响，围岩稳定性随时间延续显著变差，围岩工程性质严重恶化，掌子面自稳能力差，在开挖扰动后工程性质迅速恶化，围岩变形大，易发生坍塌，局部富水地段掌子面涌水涌砂现象严重，造成初期支护变形侵限。

1  工程概况

1.1 工程简介

兰渝铁路桃树坪隧道位于甘肃省兰州市境内，起讫里程为DK3+430～DK6+655，全长3225m，Ⅰ级铁路双线隧道。施工工程中共计发生18段初期支护拆换工作，累计291m，本次以穿越该地层的DK4+400～DK4+435段拆换处理工作展开技术研究。

1.2 原设计情况

该段开挖后揭示地层为富水粉细砂地层，围岩受水浸润易软化，基底软弱，开挖扰动后多呈饱和砂状，围岩变形严重，为Ⅵ级围岩。采用四部CRD法施工，初期支护全环采用I25a型钢，间距1榀/0.5m，二次支护拱墙采用I16型钢，间距1榀/1.0m，二衬采用C45钢筋混凝土，拱墙、仰拱厚均为60cm，衬砌配筋采用Φ22@125mm，？准14@200mm。

2  拆换段变更设计情况

2.1 拆换段揭示的地质状况

开挖后揭示地层为上富水粉细砂地层，掌子面下半段面渗水，围岩易软化，开挖扰动后呈散砂状，围岩变形严重，易坍塌。仰拱部位有钙质胶结夹层。稳定性极差，为Ⅵ级围岩。采用四部CRD施工，2013年9月17日桃树坪隧道1#斜井2部下台阶边墙开挖时出现突泥涌水，致使DK4+413～DK4+416段边墙拱架内挤，此后DK4+416～DK4+435段边墙及DK4+400～DK4+426段仰拱施工过程中多次发生涌砂，导致初期支护下沉，开裂，中隔壁变形、扭曲、开裂，最大下沉量达47cm，已侵入净空32cm，需进行加强措施及拆换拱处理。

2.2 拆换段变更设计结构设计情况

①DK4+398～DK4+438段3、4部增设中隔壁，采用I20a型钢，纵向间距0.5m/榀，设Φ22连接筋，间距1.0m，设？准8钢筋网，间距20cm×20cm，喷射C25砼。

②1部DK4+400～DK4+413、DK4+422～DK4+435段临时仰拱顶面增设临时横撑，采用I20a型钢，纵向间距0.5m/榀，DK4+400～DK4+435段增设两道斜撑，采用I20a型钢，纵向间距0.5m/榀，斜撑底部、顶部设[32a槽钢纵梁，与钢架焊接;横撑、斜撑之间均采用？准22纵连接筋，间距1.0m。

③DK4+400～DK4+435段1部变形较大部位靠中隔壁处设竖撑，竖撑接长至仰拱底，采用I20a型钢，纵向间距0.5m/榀，设Φ22连接筋，间距1.0m。

④1部DK4+413～DK4+422段增设临时仰拱，采用I20a型钢，采用？准22纵连接筋，间距1.0m，设？准8钢筋网，喷C25砼厚20cm。

⑤喷射混凝土封闭DK4+400～DK4+435段开裂的初支面，设置？准42注浆小导管，长3.5m，间距1.0×1.0m梅花布置，注单液浆。

采取加强措施后，DK4+410～DK4+435段1、3部初支结构基本稳定，沉降处于可控状态，每天收敛下沉量在0.5mm以内。仰拱施工至DK4+425，DK4+425～DK4+435段仍存在下沉风险，下步对DK4+425～DK4+435进行二次注浆加固，采用？准42小导管，长4.0m，间距1.0×1.0m梅花布置，注单液浆，在仰拱部位胶结层的顶面2、4部施作一道临时横撑，采用I20a型钢，纵向间距0.5m/榀，边墙脚设1.4m倒角斜撑与初支钢架焊接，提高支撑力。

⑥换拱采用初期支护参数如下：

1）超前支护：拱部120°设置超前？准42小导管，长2.6m，间距0.1m，纵向间距0.5m。

2）初期支护：C30早高强砼33cm，I25a型钢，间距0.5m，每个接头部位设置4根？准42锚管，L-4m，纵向连接采用I16型钢，环向间距1.0m，铺设双层20cm×20cm间距的？准8钢筋网片。

3）二次支护：拱墙设工16钢架，间距为1榀/0.5m，拱墙设？准8钢筋网，间距20cm×20cm，拱墙设置Φ22连接筋，环向间距1.0m;每榀设置16根？准42锚管，L-4.0m;拱墙喷射C25砼厚20cm。

3  换拱施工工艺步骤

3.1 施工准备

制定初支侵限处理施工方案，并报送监理站审批后实施;准备好换拱所需的钢架，并为换拱后及时二次支护做好相应准备;准备好换拱所需的应急物资;对换拱工班进行安全培训及换拱技术交底。

3.2 换拱里程、范围及预留变形量

①桃树坪隧道1#斜井正洞重庆方向1部DK4+400～DK4+435段、3部DK4+410～DK4+435段初支侵限，需进行换拱处理;

②换拱范围：1部DK4+400～DK4+435段35米、3部DK4+410～DK4+435段25。

③预留变形量：拆换拱时，预留35cm预留变形量。

3.3 浆加固、支撑加固措施

3.3.1 支撑加固措施

①测量组进行初支净空检测，确定初支侵限段落及部位;在初支面上用红油漆标示，并将检测断面数据上报技术室、项目部;②变形段采用I20a工字钢三角斜撑加固及竖撑，纵向间距1榀/m，三角斜撑及竖撑底部、顶部设[32a槽钢纵梁，与初支拱架焊接，斜撑及竖撑采用16工字钢连接，间距1.0m。

3.3.2 徑向回填注浆加固

①对初支侵限区域内拱墙背后径向注浆加固围岩，注浆孔按间距1.0m×1.0m梅花形布置。注浆管采用钢花管，钢花管制作采用Ф42mm，壁厚3.5mm的热轧无缝钢管，钢管长3.5～4.0m，注浆管应埋设牢固，并设置良好的止浆措施。注浆采用水泥浆，注浆压力0.8MPa。

②施工注意事项：止浆塞止浆，浆塞胶圈尺寸应与注浆孔径相配;岩溶缝隙涌水量加大时，应先钻引水孔泄压，再对裂隙注浆，最后用膨胀硬水泥对引水孔进行封堵处理;钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹砂层时，控制钻进速度，避免夹钻现象;注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖较薄部位有无串浆现象，如发现串浆现象，立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。

3.4 换拱台车准备

利用5cm厚木板和？准42小导管斜撑搭设简易操作台架，用于后期的施做锁脚锚管、径向回填注浆和拆换拱作业平台。

3.5 监控量测

针对DK4+400～DK4+435段变形严重，范围较广，施工现场加密了监控量测桩，从DK4+402处开始，纵向量测断面间距按照3m布置;量测频率：1次/2h，同时，根据变形情况适当增减;及时整理监控量测数据，发现异常立即上报，现场进行补强。

待临时支撑安装和径向回填注浆施做完成后，量测小组及时将变形情况进行上报，如变形稳定将进行拆换拱，如尚未稳定，仍继续观测。

3.6 钢架拆除与置换方法

按照施工方案，确保施工安全前提下，根据测量数据，对1部DK4+400～DK4+435段、3部DK4+410～DK4+435段侵限部位进行换拱作业。换拱施工作业时采取1、3部分别进行换拱处理，换拱施工作业时要求对前方掌子面暂停施工，方可进行换拱作业。

3.6.1 总体处理方案

人工采用风镐将变形侵限初期支护拱架逐榀凿除，并进行逐榀施做初期支护。更换施做初期支护是按照从上至下，从大里程往小里程逐榀进行施工，拆换拱时坚决执行逐榀逐节进行更换钢架的原则。

拆换拱采用初期支护参数如下：

①超前支护：拱部120°设置超前？准42小导管，长2.6m，间距0.1m，纵向间距0.5m。

②初期支护：C30早高强砼33cm，I25a型钢，间距0.5m，每个接头部位设置4根？准42锚管，L-4m，纵向连接采用I16型钢，环向间距1.0m，铺设双层20cm×20cm间距的？准8钢筋网片。

③二次支护：拱墙设工16钢架，间距为1榀/0.5m，拱墙设？准8钢筋网，间距20cm×20cm，拱墙设置Φ22连接筋，环向间距1.0m;每榀设置16根？准42锚管，L-4.0m;拱墙喷射C25砼厚20cm。

3.6.2 施工准备

封闭重庆方向1、3部掌子面，暂停施工;准备好换拱所需的钢架，并为换拱后及时衬砌做好相应准备;准备好换拱所需的应急物资;对换拱工班进行安全培训及换拱技术交底。

3.6.3 侵限处理施工顺序

DK4+400～DK4+435段初期支护侵限处理施工顺序如下：施做临时支护及施做注浆小导管并进行掌子面及侵限段复喷，复喷厚度不小于5cm;进行注浆加固，根据量测资料分析围岩是否稳定，稳定后方可进行拆换作业;在未侵限段和侵限段刻槽将拱架嵌入，施做锁脚锚管，将拱架与未侵限段拱架纵向采用I16型钢连接成整体，环向焊接连接板，采用连接板连接，并施做超前小导管，喷射混凝土封闭;逐榀、分段、分部拆除拱部初期支护侵限段落进行换拱，并及时施做临时仰拱，步步成环，防止出现二次侵限;待初期支护换拱作业完成2m时，及时施做二次支护。

3.6.4 初期支护拆除

根据初期支护断面测量成果，1、3部拱架需要进行置换处理，为防止换拱作业过程中初期支护变形，在换拱施工前对换拱部位初期支护进行加固，然后用风镐凿除换拱部分喷射混凝土，凿除砼时在支撑结构上搭设防护网，以免下落砼块对人和机械构成威胁，混凝土凿除后进行换拱部位原初期支护纵向连接筋、钢筋网及钢架的割除，然后根据设计开挖轮廓线，人工用风镐等工具修整开挖断面，进行初期支护施工。

①侵限换拱要求及注意事项：

1）换拱应逐榀、分段、分部进行;

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）对拱架的置换应遵循先加固后置换、先拱后墙的原则，即置换前对置换段落进行注浆加固，经监控量测沉降及收敛已经达到稳定，并对不需置换的原拱架进行加密锁脚锚管加固锁定，然后按照先置换拱部部位钢架，再置换边墙钢架的顺序，且每次置换钢架长度按原钢架节段长度一一对应进行置换;

4）刻槽时主要以人工利用风镐刻槽，且每次只能置换一榀，刻槽时注意預留沉降量35cm;

5）置换时确保钢架连接按照原设计钢板+连接螺栓的方式有效连接，并在每个节点位置施做锁脚锚管，锚管要紧贴钢架，并通过直径Ф22的U型钢筋有效焊接，及时喷射混凝土封闭;

6）拆除拱架使用风镐进行人工凿除。拆除时，要随时注意围岩情况，如发现围岩破碎及掉块现象，立即停止拆除，用喷射混凝土封闭拆除面后进行径向注浆，以稳固围岩;

7）第一榀拆除后，及时施做监控量测点，测取初始值，每2小时观察一次，对量测数值进行分析，判断围岩是否稳定，如果稳定，可进行下一步工序，若不稳定，封闭拆换口，并进行注浆加固处理，围岩稳定后，方可进行下一步工序。

②钢筋网施工：

1）钢筋网采用？准8㎜钢筋，网格尺寸为20×20㎝，搭接长度不少于20cm。

2）钢筋网铺设要符合下列要求：在初喷4cm混凝土后进行钢筋网铺设;使用前要清除锈蚀;随喷浆面起伏铺设与受喷面间隙一般不大于3cm;开始喷射时，减小喷头至受喷面的距离，并调整喷射角度，钢筋保护层厚度不得小于4cm。

③更换侵限I25a钢拱架：

根据中线、水平、隧道断面和预留沉降量等将钢拱架架设在中线方向的垂直面上，并力求整齐，同时支护之间仍按设计要求设纵向连接筋，构成整体，并与围岩间用混凝土垫块顶紧。新拱架与原拱架间焊接要牢固、平顺。（图1）

换钢架施工方法：根据断面测量结果凿除侵限喷射混凝土，喷射混凝土凿除时钢架切割处需多凿除50～60cm，换拱前预先在每榀钢架切割位置下方50cm处，每处左右两侧各打设2根锁脚锚管，锁脚锚管采用？准42，长度为4m;在钢架上确定侵限范围，量好切割拱架内弦长（即两点直线长度），沿半径方向切割钢架;先按Ⅵ级围岩钢架设计要求制作好I25a钢拱架，计算好下料长度，沿半径方向裁制已做好的钢架，备好焊接用连接钢板;把焊好的钢架运至作业平台上拼装钢架，就位调整后定位;换上的钢架与原钢架进行对接焊好后再分别在工字钢腹板和翼板上贴板加强焊接，焊缝高度8mm，接头采用螺栓连接;在钢架与围岩的空隙处加设混凝土垫块，楔紧钢架;纵向连接采用I16型焊接，并喷射混凝土。（图2）

换钢架施工工艺要求：严格按设计图纸加工钢拱架，检查其尺寸、焊接等，要符合设计规范要求，所用钢材进场时按批量和型号分批试验、检验，内容包括：标志、厂家、品种、数量、外观等，并按规定的抽样做力学性能试验，符合要求后才能使用;根据中线、水平、隧道断面和预留沉落量等将钢拱架架设在中线方向的垂直面上，并力求整齐，同时，支护之间仍按设计要求设纵向连接筋，构成整体，并与围岩间用混凝土垫块顶紧;新拱架与原拱架间焊接要牢靠、平顺;钢架垂直于隧道中线，上下、左右允许偏差±5cm，钢架倾斜度不得大于2°。

4  结论

富水粉细砂地层隧道初期支护处理问题，通过现场会勘、方案研讨及现场实践对桃树坪隧道初期支护拆换拱的处理技术进行系统研究，得出以下结论：①下半断面拱架接腿施工难度极大，拱脚开挖时砂子将随着流水快速流出，造成拱架背后脱空，两侧边墙易垮塌，由于钢架多次连接、施工扰动大且钢架不能及时封闭，所以在施工工程中必须严格遵循“少扰动、强降水、快挖快支，初期支护尽早封闭成环”的原则。②粉细砂地层经水浸泡、软化严重，以及施工扰动掌子面前基底呈松散的粉细砂状，围岩收敛、变形也较严重，所以粉细砂地层的降水是该地层施工关键所在，含水率多少，是地层稳定性的控制因素。

参考文献：

[1]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]崔玖江，崔晓青.隧道与地下工程注浆技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]胡仕涛.高压旋喷注浆技术在隧道泥砂地层加固中的应用[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2011（01）.