浅谈不良地质隧道初支加强综合技术

浅谈不良地质隧道初支加强综合技术
发布时间：2022-05-20T06:39:18.197Z 来源：《中国科技信息》2021年20期作者：王全亮[导读] 随着国内高速公路建设的快速发展，隧道工程设计占比日趋增多，
王全亮
中铁六局集团太原铁路建设有限公司太原030013摘要：随着国内高速公路建设的快速发展，隧道工程设计占比日趋增多，随之隧道工程安全质量问题也倍受各方关注。

然而随着特长复杂地质隧道设计的增多，必然带来诸多施工安全、质量技术难题。

本文以大万山特长隧道受F6压扭性断层破碎带影响导致初支侵限为例，详细阐述了因不良地质突变,导致水文、地层结构等变化后,引发的隧道初支侵限等系列问题的综合处理技术，对今后的施工有一定的借
鉴意义。

关键词：隧道工程初支侵限沉降观测局部冒顶裂隙水换拱隧道施工中，偶遇不良地质情况再所难免，按常规设计规范采取的支护措施，有时会受不良地质情况突变或受隧道开挖后围岩二次应力重分布影响，导致突水、局部坍塌等，以至引发局部初支变形侵限情况发生。

为科学有效地避免隧道施工中穿越不良地质段相关安全质量问题发生，就必须在施工过程中不断总结经验，采取切实可行的应急预案措施，减少突发事件造成的经济损失，切实提升隧道施工管理技术水平，促进建设工程质量优质。

1.工程概况
静乐丰润至兴县黑峪口高速公路大万山隧道位于吕梁市岚县与兴县交界的吕梁山脉白龙山,设计为左右线分离式,两洞间距35米。

左线洞体全长10379m,进口段里程桩号为ZK35+306,出口段里程为ZK45+685,设计最大埋深696.71m,位于ZK40+542.7。

右线洞身全长10490m,进口段里程桩号为K35+212，出口段里程桩号为K45+702,洞身最大埋深693.6m,位于K40+600；隧道总体走向呈西北向为290°，共穿越14处断层破碎带。

其中在隧道穿越F6、F7、F2断裂带上盘附近可能发生突水和突泥。

2.隧道初支施工监测 2.1原设计情况
大万山隧道右线K39+083-K39+143段，洞身穿越F6压扭性断层破碎带,岩性以糜棱岩为主,断层碎裂岩饱和湿软,断层上盘张性裂隙较发育,相对富水,沿断裂上盘接触带可能存在股状涌水或淋雨状出水,断层带局部可能短时发生突泥突水。

属中等富水洞身段,围岩整体稳定性差，其设计支护参数如下表：
2.2初支监控量测分析
根据控制基准建立预警机制要求，隧道监控量测工作对位移监测实行分级管理（见下表），确保施工安全可控。

2.2.1初支现场监测情况 2.2.1.1隧道施工掘进至K39+090处，洞身穿越F6压扭性断层破碎带过程中,现场加强了监控量测，其拱顶监控量测数据及位移-时间曲线如下图表。

根据位移-时间曲线图并参考位移管理等级标准分析，监测第6天时，K39+090处拱顶沉降累计实测值为36mm，大于设计极限位移值1/3U0=33mm，应当实行Ⅱ级管理，加强监控量测。

并根据现场实际情况，立即对K39+083～K39+092段初支采取了增设临时I18钢拱架护拱16榀（间距60cm）的相应工程措施。

2.2.1.2根据隧道施工监控量测动态管理原则，现场对采取临时护拱措施后的初支继续加强现场监控量测，其拱顶监控量测数据及位移-时间曲线如下图表。

根据位移-时间曲线图并参考位移管理等级标准分析，监测第8天时，K39+090拱顶沉降累计实测值为68mm；大于设计极限位移值2/3U0=66mm，应当实行Ⅰ级管理，现场立即停止掌子面施工，并采取洞渣反压回填，稳固初支变形，再注浆换拱的工程对策措施。

2.2.2初支变形原因分析 2.2.2.1从监控量测结果分析：从K39+090拱顶沉降累计实测值结果，初步判断该段围岩受F6断层带影响，存在强风化压碎性变质岩结构、自稳能力差，且洞顶一定范围岩体有较大的内应力。

2.2.2.2从初支变形情况分析：在加强支护过程中，发现初支喷混凝土表面开裂不断扩张，且伴有较高温度的（40℃）的带压裂隙水，初步判断该范围洞顶糜棱岩存在小型岩溶或溶腔。

2.2.2.3从施工扰动情况分析：位于洞身顶部的大规模糜棱岩松散层，受掌子面爆破振动及承压岩溶裂隙水影响，导致围岩内部胶结力丧失，而失稳塌陷。

3.隧道初支加强综合措施
根据上述初支变形原因分析，结合该范围监控量测结果，拟采取“洞渣反压+长管棚+小导管综合注浆+多级分部开挖+拱顶松散覆盖层加固+锚喷网+钢拱架”综合技术措施，对该范围变形侵限初支进行换拱处理。

3. 1洞渣反压回填：将初支侵限段，利用洞渣回填至起拱线高度，形成上、下台阶，并在回填渣纵向形成多台阶作业平台，且对回填堆体采取喷射混凝土加厚封闭，确保反压回填效果。

3.2 φ108长管棚+φ42小导管综合注浆加固松散层：大管棚及小导管环向间距40cm。

调整原设计I18初支钢拱架为I20a，纵向间距60cm。

3.2.1根据初支侵限段监测情况，从侵限段端头开始施做一环大管棚，大管棚尾端与临时钢拱架连接，前端打入岩层5m，由于洞内空间有限，大管棚角度无法达到要求，故根据实际情况，调整管棚角度15°-30°，并在第一环管棚前方6m范围，再施做一环大管棚，以保证管棚的上方岩土的稳定性。

根据现场实际情况，随时调整施工方案。

3.3多级分部开挖：为防止在开挖过程中侵限段失稳垮塌，对反压回填堆积体采取注浆加固，并采用环形开挖预留核心土的方法多级分部开挖，并确保钢拱架更换施作速度、快速成环，缩短围岩暴露时间，根据监测量测结果，必要时可考虑随时施作临时仰拱。

3.4拱顶松散覆盖层加固：采用帷幕注浆固结或吹沙（石屑）+泵送混凝土回灌“综合技术加固拱顶松散覆盖层。

3.4.1根据超前钻孔探测结果，对拱顶松散覆盖层小于3m的范围，采取向塌方空腔3m外范围泵送混凝土回灌，且对3m的范围内的松散层采用帷幕注浆固结，确保松散体全部加固。

3.4.2根据超前钻孔探测结果，对拱顶以上满足4～5m范围注浆固结或砼回灌的情况，则是先向空腔内吹沙或石屑1m厚作为缓冲层，也可考虑采用轻型泡沫砼进行空腔回填。

其施作步骤为：在初支更换施工过程中，在松散层塌腔与更换初支钢拱架间预埋一根垂直于初支面的混凝土输送泵管，同时在拱顶纵向隔5m预埋两根注浆小导管，泵管及注浆小导管埋设深度距塌腔土体不超过50cm为宜，泵送塌腔体填充混凝土时注浆小导管可作为出气口，为确保施工安全，每次泵送混凝土厚度不超过50cm，以防止发生加固体二次坍塌。

3.4“锚喷网+钢拱架”处理变形范围 3.
4.1加强监控量测，从二次衬砌端头按要求开始布置沉降观测点至洞渣回填处，每日观测3次，记录观测数据，分析围岩变化情况，指导现场施工。

3.4.2从K39+073开始用洞渣反压至初支侵限段，减少临空面，防止初支侵限段进一步扩大。

3.4.3从K39+078开始超前小导管注浆，注浆采用φ42*4mm超前小导管，环向间距0.3m, 每根长3.5m, 导管张角为5°～15°，搭接大于1m;注浆液为水泥水玻璃双浆液，注浆至较好围岩处再延伸5m。

3.4.4超前注浆完成后，紧跟径向注浆，注浆采用中φ42*4mm小导管，长度3.5m，环向间距1m,梅花状布置，径向注浆一直延促至整个仰拱范围。

3.4.5变形侵限初支拆除：注浆达到强度后，进行侵限初支拆除，拆除与更换拱架同步进行，分上下台阶施工，每次拆换一榀，且安装环向钢拱架连接点分为5个单元，按照从上到下的顺序依次进行。

3.4.5.1为减少拱架拆除时对隧道围岩和邻近结构物力学性能带来不利影响，防止拆除过程中出现整体脱落，拱架拆除遵循“从上往下、先外后内”的原则，采用人工风镐加破碎锤开挖法进行施工，严禁采用钻爆法施工。

3.4.5.2利用洞渣回填的施工平台，需满足破碎锤从上往下施工的条件，破碎锤从拱顶向两侧对称拆除侵限初支，局部位置用人工风镐进行拆除。

3.4.5.3拆除变形钢拱架的过程，势必会导致围岩应力重新分布，岩面外露，故而拆除前，采用地质雷达对隧道围岩进行扫描、监控量测数据显示松散体围岩加固稳定后，方可进行钢拱架的拆换；拆除过程中，如遇围岩掉块，应及时撤离人员。

3.4.5.4钢支撑、连接钢筋、网片割除
1、钢支撑拆除时，破碎锤破除钢支撑背后的岩土，当用破碎锤不便于操作时，可用风镐凿除其背后的岩土。

2、钢支撑切割，沿半径方向，一次割除一个钢支撑单元，割除前采用顶撑顶住被割除段的钢支撑单元，两端用气焊割除后，再割除钢支撑原有的纵向连接钢筋、钢筋网片，然后用锤头先轻敲震动钢支撑，使钢支撑松动，此时采用机械对钢支撑进行支撑，再由工人配合拖住钢支撑，用撬棍从一端到另一端逐步撬动，直至钢支撑顺利拆除。

3、在钢支撑拆除完成后，由人工进行欠挖处理，对于局部残留的砼采用风镐破除，锚管支护等钢结构采用气焊切除，直至轮廓满足施工和设计要求。

3.4.5换拱施工：变形侵限初支拆除后，立即开始支立更换拱架，每次支立一榀，拱架采用I20a工字钢，间距60cm,预留沉降量15cm，换拱范围为超出变形侵限范围前后各5m；钢拱架锁脚用φ42*4mm小导管，每根长3.5m，每节钢拱架均采用锁脚固定。

3.4.6对于初期侵限值较小的范围，采取补强二衬结构的办法解决，尽量减少拆换作业数量，避免风险。

3.4.7安全监管：拆换初支作业中，安排专人24小时现场安全监管，加大监控量测频率，并储备足量的应急资源及措施，确保施工作业安全。

4.监控量测
加强初支拆换过程中的监控量测工作，增加观测点，加大量测的频率，通过监控量测的结果，确保及时调整初支加强技术方案。

4.1在更换拱架后的初支表上，每个断面的拱顶、拱腰及边墙共布设了7个监控点，每隔两榀拱架设置一组测点，以拱顶和拱腰的下沉监测为重点，边墙以水平收敛监测为主。

4.2观测点的埋设在喷射混凝土之前完成，第一次量测在喷射混凝土时完成，下次量测在后续工作施工前进行，特别注意钢支撑连接前后到沉降稳定过程的围岩变形情况。

4.3施工中根据实测变形量，及时调整开挖预留变形量和支护参数。

4.4通过采取的“洞渣反压+长管棚+小导管综合注浆+多级分部开挖+拱顶松散覆盖层加固+锚喷网+钢拱架”综合技术治理措施，复测换拱范围结果显示，边墙最大水平收敛累计1cm，拱顶最大沉降量累计1.5cm，拱腰最大沉降量累计1.1cm，均在允许范围。

5.安全保障措施
5.1隧道出现初支侵限及局部变形后，立即启动应急预案，成立课题攻关小组，由具有丰富隧道施工经验的人员构成，主要领导轮番值勤，隧道专业工程师、技术员、安全员全过程跟班作业。

同时全力备足各种应急资源保障，并随时根据实际情况调整技术组织措施，从组织上保证应急事件处理的顺利进行。

5.2 隧道施工中，及时准确的监控量测是一项十分重要工作。

过程中，组织专人对初期支护、地表及相邻区域的变形情况进行实时跟踪监测，并及时将监测数据进行反馈处理，为及时修正支护参数提供一手依据。

5.3针对现场状况提出初步处治计划，撤离人员、设备，划定警戒区，实时监控初支变形状况。

同时依据现场踏勘状况，经参建四方会议深化分析研究，确定处理方案。

处理过程中，密切关注初支换拱、塌方段处理和各项工作的展开状况，不断对方案进行完善优化，进一步提高了处理计划的实用性、针对性和有效性。

6.质量保证措施
6.1对松散体的注浆必须饱满，固结必须满足强度要求。

6.2自进式管棚施工前，必须喷射5cm厚的混凝土封闭掌子面，保证注浆时浆液不向掌子面外流出。

6.3每榀拱架首先由测量组现场控制进行调整，合格后方能定位，确保隧道净空，保证衬砌厚度。

6.4拆换后的拱架单元若不能采用螺栓连接时，要采用型钢或16mm钢板对连接处楔紧并四面围焊。

拱架必须与隧底垂直，螺栓连接牢固，确保拱架受力良好。

6.5严格控制注浆工艺，根据地层情况及时调整浆液配比。

注浆压力不大于5.0Mp，保证注浆管及锚杆注浆饱满。

6.6施工过程中，随时做好信息反馈以及工艺总结，合理优化工艺参数，以便获得最好的实施效果。

7.结束语
通过大万山隧道右线K39+083-K39+143段洞身穿越F6压扭性断层破碎带施工实例，总结出“糜棱岩+溶腔+裂隙水”不良地质隧道施工出现初支急剧变形的情况下，通过采取“洞渣反压+长管棚+小导管综合注浆+多级分部开挖+拱顶松散覆盖层加固+锚喷网+钢拱架”综合加强技术措施，有效解决了二次换拱及支护重做的相关技术难题，并取得良好的实施效果，对今后类似施工提供了可借鉴的技术经验。