王慧彬
中国水利水电第四工程局有限公司 青海省 西宁市 810000
摘要：某高速公路隧道ZK46+954～ZK46+920里程段开挖时，围岩呈强风化，强度较低，极破碎，且岩土体富水。施工中围岩变形大，最终初支侵入二衬界限。本文结合监控量测数据分析了此类围岩中隧道施工时的变形特性及机理，结合现场实际情况研究提出了变形侵限的换拱方案，并通过监测及时反馈处治过程隧道的变形状态，数据显示处治后隧道变形较小，换拱后满足界限要求，该方案适合处理此类围岩初支侵限问题，同类工程问题中可借鉴。
关键词：强风化；富水；二次扰动；换拱
1 引言
近几年，我国高速公路进入新一轮的发展高潮期，尤其是中西部地区。其中西南地区地貌以高山峡谷为主，线路设计一般隧道数量居多，因此隧道建设是该区域高速公路修建的主要组成部分，因区域地质构造复杂，地下水丰富，不良地质多发，隧道施工诱发灾害频发，其中开挖后支护大变形、坍塌占多数。
因无法完全掌握隧道开挖面及周边地质情况，不良地质段极易出现初支累计变形大于预留变形量，从而侵入二衬界限，使隧道无法满足设计功能要求，必须进行处治。当前处理大多数初支侵限采用更换拱架的方案，更换拱架会对已发生大变形围岩产生二次扰动，扰动后围岩极易坍塌，因此换拱实施必须根据现场围岩地质情况针对性的研究提出适合此类围岩的方法，并辅以必要的防护措施。本文以云南省滇中区域某高速公路隧道为背景，通过隧道施工变形监控量测数据分析了施工过程中出现的初支变形特性，结合强风化富水极破碎砂质岩体的特点，提出了此类地质情况下隧道大变形更换拱架的处治方案，并在实施中及时观测处治效果和隧道换拱段变形状态，从而确定处治方案的合理性。
2 工程概况
该隧道穿越区地层主要为砂岩、泥岩，属构造剥蚀低中山地貌，地形起伏较大。进口段斜坡一般坡度25～40°，出口段斜坡一般坡度10～20°，主要为山地，植被茂盛。在区域上位于扬子板块次级构造单元康滇古隆起，位于经向构造体系的小江断裂与安宁河断裂间，新构造运动强烈，主要表现为地壳抬升及地震活动，断裂、褶皱构造发育。
围岩包括粉质粘土、碎石土、泥岩与砂岩互层，局部段落有玄武岩；隧址区地下水为第四系孔隙水类型、基岩裂隙水类型以及碳酸盐岩岩溶水类型。
隧道左幅ZK46+954～ZK46+920段围岩设计级别Ⅴ级，原设计支护类型为SF5b型，支护参数为Φ25中空注浆锚杆L=3m，间距100*80cm；C25喷射砼厚25cm；Φ8钢筋网20*20cm；I18钢拱架，间距80cm；C30防水钢筋砼二次衬砌厚50cm。岩体裂隙发育，围岩极破碎，结构面呈零乱状不稳定组合，结合性差，差异风化严重，遇水极易失稳。该里程段段下导及仰拱开挖过程中，揭露围岩富水，局部涌水。
3 隧道变形监测分析
该段施工过程中共布设3个变形监测(周边收敛、拱顶下沉)断面，即ZK46+950、ZK46+944、ZK46+924，各监控量测断面变形曲线如图。
截至掌子面停工，ZK46+964断面累计沉降141.4mm，最大沉降速率16mm/d，累计周边收敛49.1mm，最大收敛速率为4.5mm/d； ZK46+944断面累计沉降139.6mm，最大沉降速率15mm/d，累计周边收敛50.8mm，最大收敛速率为4.3mm/d；ZK46+924断面累计沉降116.4mm，最大沉降速率15mm/d；累计周边收敛34mm，最大收敛速率为2.0mm/d，且3个断面沉降和收敛均有继续增大趋势，该里程段隧道累计变形严重，施工过程多次发布安全预警，现场部分初支也出现裂缝，为了保证隧道安全，掌子面及大变形区域立即采取了封闭措施，且在ZK46+920～ZK46+954段增设I18工字钢“背拱”临时加固(间距80cm)，以防止隧道坍塌。
经测量复核，ZK46+920～ZK46+954段累计变形值已大于开挖预留变形量，初支已侵占二衬界限，平均侵限厚度150～200mm。 该里程段隧道已无法满足设计净空要求，须换拱处理。因该里程段隧道已发生较大变形，且变形在进一步发展，而换拱处理会造成围岩二次扰动，极易发生坍塌，因此换拱处理前必须待该里程段隧道变形趋于稳定，对变形区域进行加固处理，因此类围岩已发生较大变形，因此换拱实施时必须采取措施减小对围岩二次扰动，且须采取必要防护措施。
4 处治方案
侵限处理利用换拱台车为作业平台。为防止二次扰动导致隧道变形坍塌，对预换拱范围采用临时支护加固，对拱部侵限部位的围岩进行处理，利用新的钢架对侵限部位接长抬高，以达到满足设计净空的要求。隧道ZK46+920～ZK46+954换拱段围岩强度低且富水，自稳能力差，围岩变形大，换拱后要立即喷射混凝土并加强变形监测。
4.1 更换拱架前加固处理
侵限部分ZK46+920～ZK46+954段，侵限初支钢拱架A、B、C单元均需置换，且须待变形趋于稳定后可破除初支实施换拱。
因换拱需破除原有的初期支护，围岩及原有初支形成的支撑平衡状态遭到破坏，会在围岩塑形区压力作用下发生坍塌。为降低扰动作用，破坏初支前采取径向注浆，并增加临时支撑确保换拱安全。
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1、拱部径向注浆
对侵限区域内围岩进行径向注浆加固，注浆孔按梅花形布置，孔位按照100×80cm布置。注浆管采用Φ42×4热轧无缝钢花管，钢管长300cm，注浆管埋设牢固，并设置止浆措施。
经现场多次试验，注浆采选用水灰比为1:1的水泥浆，注浆时环向从两边拱架往拱顶，按先下后上的顺序进行，纵向按先注内圈孔，后注外圈孔，先注无水孔后注有水孔。考虑到围岩已发生较大变形，为降低二次扰动效应，注浆压力控制在0.5MPa-0.8MP之间，注浆时间不宜过长，实际注浆量以单管达饱和状态时为准。待注浆结束8小时后，浆液充分凝固后可换拱施工。
2、临时支撑的设置
在拆除原初期支护前，对预破除部分初支两侧原有的支护系统上设置临时支撑，使隧道未拆除的拱架单元与临时支撑形成稳定的支撑体系，减小围岩变形的累近效应及大规模的扰动。临时支撑采用Ⅰ20a型钢加工制作成支撑排架，其顶端与初支B单元顶端焊接牢固，底部固定于已浇筑完成的仰拱上。
3、超前小导管注浆加固
在破坏初期支护时，为确保拆除范围内围岩稳定，在ZK46+920～ZK46+954段拱部A单元范围内采取超前小导管注浆加固，依次按3榀/循环打设超前注浆小导管注浆措施，注浆管采用Φ42×4热轧无缝钢管，单根长度4.5m，环向间距30cm，上仰角5~15°。
4.2 侵限区域拱架更换
在以上预加固支护措施施做后，按照以下步骤开始破除支护并实施拱架更换。
1、初期支护拆除
为减少对围岩的扰动和待拆钢架的破坏，用人工手持风镐凿除原有喷射混凝土，破除后再拆除钢架连接及钢筋网。
2、侵限段初期支护处理
(1) 在两榀原初支钢架中间增加一榀环向Ⅰ18临时支护钢拱架，拱架底部坐在已凝固的仰拱混凝土上，采用膨胀螺栓进行连接。
(3) 为确保各单元换拱时形成自身支撑，在各单元拱架接头部位打设2根锁脚小导管。同时，相邻两榀拱架间采用钢筋连接，钢筋环向间距50cm，挂设钢筋网，使得各榀拱架在纵向形成整体，提高了刚度及稳定性。随后按原设计喷射混凝土。换拱完成后，待初期支护凝固且强度足够，拆除环向背拱的工字钢，初支敲平。完成换拱长度具备一模二次衬砌浇筑条件后，立即进行该段二衬混凝土施工，形成安全储备。
5 处治效果分析
为了掌握隧道换拱后的安全状态，在换拱初支喷射完成后，按照5米布设变形监测断面，通过监测数据分析，换拱后隧道拱顶沉降及周边收敛累计变形值均较小，最大累计变形值分别为7.8mm和4.3mm，最大变化速率分别为0.8mm和0.5mm，至二衬施做时各断面变形速率均小于0.2mm(一个断面被破坏)，逐渐趋于稳定。
通过换拱后隧道变形情况分析，隧道在换拱后围岩变形均较小，且逐渐趋于稳定，所实施的侵限处治方案在强风化、低强度、极破碎、且富水岩土体中是可行的。
6 结论及建议
通过分析低强度强风化富水砂质岩土体中隧道施工变形数据，掌握此类围岩的变形特性，并反馈于施工，从而研究提出隧道侵限治理方案。在治理实施过程中加强防护和监控，安全完成了侵限段处治，在处治过程中总结得出如下结论及建议。
1、发挥隧道监测在施工中的关键作用，换拱前全面监测围岩稳定状态，确保在围岩变形趋于稳定时更换。换拱过程中加强换拱部位两侧部位监测监控，根据现场情况及时采取针对性防护措施，确保换拱安全。对已换部位加强监测，掌握已换部位安全状态，验证施工效果。
2、通过监测分析，掌握了强风化、低强度、极破碎、富水砂岩-泥岩中隧道施工变形特性，即监测累计变形值大，施工时须提前做好安全措施，同时为了防止侵入二衬界限，开挖时须加大预留变形量。
3、隧道侵入二衬界限治理时，必须结合现场围岩地质、水文情况，结合隧道变形特性，综合确定侵限治理方案。本文研究提出并实践了强风化、低强度、极破碎、富水砂岩中隧道变形侵限的治理方案，通过处理后监测数据分析，该方案适合此类围岩变形侵限的处理。
参考文献
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作者简介
王慧彬（1984-10），男，汉族，籍贯：山东省青州市，当前职务：经理，当前职称：工程师，学历：硕士，研究方向：建筑施工。
论文作者:王慧彬
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/11
标签：围岩论文; 隧道论文; 注浆论文; 断面论文; 里程论文; 方案论文; 速率论文; 《防护工程》2018年第11期论文;