孙强

摘 要：针对中老铁路普亚村二号隧道施工期间初期支护大变形问题，详细分析了大变形产生的原因，提出了钢花管径向注浆加固围岩、未侵限段打设锁脚锚管加固拱架以及仰拱开挖、初支、二衬和仰拱填充完成后再进行拱架拆换。给出了详细的换拱施工工艺及其要求和安全措施，确保了换拱期间的施工安全。总结了磨万铁路炭质板岩大变形隧初期支护侵限换拱施工方法，为我国隧道技术走出国门服务“一带一路”国家战略提供了技术支持。

关键词：磨万铁路;碳质板岩大变形隧道;初期支护;大变形;侵限;换拱

中图分类号：U455.7 文献标识码：A

0 前言

在我国西部地区修建铁路中遇到了大量的炭质板岩隧道，因围岩破碎特别是地下水作用下炭质板岩隧道施工初期支护变形大，导致初期支护开裂、侵限甚至塌方事故，严重威胁到现场施工人员及其设备的安全，隧道工程质量问题凸显及其处理繁琐，施工工期严重滞后，大幅增加了工程造价和运营维护工作量。

炭质板岩铁路隧道施工中初支大变形多，如兰渝铁路29座高地应力软岩隧道施工中有近4 km长出现了初期支护侵限，需要拆换钢架，给现场施工安全和工期影响极大，张民庆等人提出了“高地应力软岩隧道释放-约束平衡法”的加强初支、强化锁脚、及时闭合以及注浆加固围岩和增设套拱动态补强控制变形技术[1]。本文结合中老铁路普亚村二号隧道大变形主要讲述了炭质板岩大变形隧道初期支护侵限换拱技术。

1 普亚村二号隧道大变形特点及其原因

1.1 普亚村二号隧道概况

新建磨丁至万象段第Ⅳ标段普亚村二号隧道位于相嫩站～班普亚区间，设计行车速度为160 km/h，为单线铁路隧道。隧道进口里程DK191+155，出口里程DK195+390，全长4 235 m，最大埋深约345 m。地质以炭质板岩为主，呈黑色和薄层状、岩质较软，岩层节理裂隙发育，节理面杂乱无章，构造面平整光滑，围岩稳定性极差，岩体破碎，有机物含量较高，用手易掰碎。施工期间现场局部有线状出水，出现不间断掉块现象，围岩整体性及自稳性极差，导致围岩软化以及受区域地质构造的作用明显。

1.2 初支大变形特点

普亚村二号隧道2020年5月13日至7月23日施工期间横洞大里程及出口现场监测数据显示初期支护变形如下：

（1）DK194+039-033段线路右侧初期支护局部发生局部侵限变形，侵限4.6 cm;DK194+090～+030段初支监控量测持续红色黄色预警。DK194+085处监控量测，最大日收敛43.17 mm，累计收敛482.62 mm，日均收敛11.48 mm，拱顶累计沉降31.50 mm。

DK193+810～+820段、DK193+840～+868段初支监控量测持续红色黄色预警。DK193+810处监控量测，最大日收敛23.61 mm，累计收敛159.55 mm，日均收敛4.99 mm，拱顶累计沉降105.3 mm。DK193+840处监控量测，最大日收敛26.93 mm，累计收敛125.11 mm，日均收敛6.94 mm，拱顶累计沉降39.6 mm。

（2）DK194+085段水平收敛累计值为482.62 mm，拱頂沉降累计值为31.50 mm。

（3）DK194+090段水平收敛累计值为439.37 mm，拱顶沉降累计值为32.90 mm。

（4）DK193+820段水平收敛累计值为115.49 mm，拱顶沉降累计值为40.4 mm。

（5）DK193+840段水平收敛累计值为125.11 mm，拱顶沉降累计值为39.60 mm。

普亚村二号隧道横洞大里程及出口段初期支护变形破坏，其大变形的特点如下：

（1）最大的拱顶沉降累计值为58.0 mm，而最大水平收敛累计值为482.62 mm。

（2）水平收敛比拱顶沉降大10～20倍左右，相差一个数量级，即初期支护的变形以水平收敛为主。

（3）按设计要求，初期支护的拱顶下沉预留变形量仅为60 mm，监测所得拱顶下沉均未侵限。

（4）而水平收敛的预留值为100 mm，监测所得的水平收敛最小值为115.49 mm，表明均侵限。

（5）经检测该段侵限量值为63mm～466 mm，需要对初期支护进行换拱处理。

1.3 初支侵限原因

普亚村二号隧道初期支护大变形的原因如下：施工开挖揭示及现场察看，该段洞身揭示岩性以板岩为主，灰、深灰色，局部为炭质板岩，薄层状，质软，层厚0.1 cm～5 cm不等。岩层走向与线路小角度相交，倾向线路右侧，倾角30°～50°不等，受区域构造影响，层间挤压现象明显，产状有扭曲，层间可见灰白色方解石脉充填。隧道开挖后围岩应力重新分布，原有的岩体平衡状态遭到破坏，同时岩性以薄层状的软质岩为主，层间结合力差，隧道开挖后围岩易沿周边出现松动圈，整体稳定性变差，易松动掉块，开挖轮廓难以控制，造成钢架无法与围岩密贴等因素造成围岩松动圈进一步加大，洞周荷载增大，致使初期支护难以长时间抵抗围岩压力而产生变形。

隧道开挖改变了地下水径流方向，洞内围岩刚开挖时，掌子面潮湿，局部仅有渗水，初支完成后地下水向隧周汇集，水量由渗水发展为滴水、小股状水，逐渐变大，薄层状板岩及炭质板岩遇水软化，进一步降低了层间结合力，围岩自稳性变差，洞周围岩压力增大，致使初期支护变形，局部侵限。

2 换拱技术要求及工艺流程

2.1 换拱技术要求

换拱作业要注重施工安全，换拱前先对变形侵限段换拱部位采用φ42钢花管注浆加固围岩，对未侵限拱架节段增加锁脚锚管加固，待此段仰拱及仰拱填充完成后，再进行拱架拆换，拱架拆换遵循先上后下、一次一榀的原则进行处理。其次，换拱欠挖一次处理到位，并及时施作二衬，防止换拱完成后仍然出现初支二次侵入二衬净空。

2.2 换拱工艺流程

换拱工艺流程为：监控量测变形收敛稳定→换拱地段径向注浆→注浆效果检测→对未侵限初支拱架节段增加锁脚锚管→分榀凿除侵限段初期支护→开挖并安装型钢钢架→喷射凝土→循环拆换下一榀拱架。

3 安全快速换拱技术

3.1 径向注浆及拱架锁脚

为了换拱作业的安全，换拱之前先进行径向注浆加固围岩，同时对隧道不侵限段拱架加多排设锁脚钢花管。锁脚锚管采用φ42钢管（壁厚3.5 mm），每节点2根、每根长4.5 m。钢花管径向注浆参数如下：

（1）注浆范围为线路两侧边墙及拱部开挖轮廓线范围内。

（2）DK193+840～+868段、DK194+090～+030段线路右侧拱部及边墙变形侵限部位采用纵环向间距0.8 m*0.8 m。

（3）注浆管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管长4.5 m，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。

（4）钢花管四周按间距15 cm呈梅花形设置6 mm～8 mm注浆孔，钢花管尾部50 cm不钻孔作为止浆段。

（5）注浆材料采用水泥浆（水灰比0.8～1：1），注浆压力0.5 MPa～1.0 MPa，注浆量按加固体积5%进行控制。

注浆效果检查与评定如下：

（1）检查孔数量为钻孔数量的3%～5%，且不小于3个。

（2）通过检查孔进行观察，检查孔应成孔完整，涌水量应小于0.2 L/（m.min）。

（3）检查孔取芯率应达到70%以上，并观察浆液在地层空隙中的充填和胶结情况，以了解浆液扩散范围和评价注浆效果。

3.2 快速换拱

径向注浆加固和锁脚锚杆施工完成后报监理工程师确认合格后方可进行换拱作业，其详细步骤如下：

（1）逐榀切除分割需换拱的该榀初期支护混凝土及钢筋网片防止对不凿除部分混凝土有损伤。

（2）人工手持风镐分段凿除剥离拱架节段的喷射混凝土，拆除拱架节段连接板处的连接螺栓。

（3）每榀拱架拆除后，测量检查开挖尺寸是否满足要求，满足要求后及时对开挖面采用喷射C25混凝土封闭，再行按原设计设计参数施作初期支护。

（4）喷射砼之前再次检查尺寸是否正确，确保不造成二次处理。

（5）喷射砼完成后重复以上步骤对下一榀钢架进行拱架拆除、安装。

（6）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，测量后及时处理量测数据，及时作出评价，优化欠挖段初期支护参数，实施动态管理。

（7）对原设计衬砌断面，为了控制大变形加强了支护参数，均加大衬砌断面曲率施工，由Ⅳa衬砌结构调整为Ⅴ级加强（调整曲率）。不同衬砌断面支护参数列于表1中。

3.3 换拱作业安全措施

（1）换拱期间应加强监控量测，加强监测频率，当总变形值超过10 cm或变形大于2 cm/天时，立即停止换拱作业，必须采用I18钢架施作斜撑或以抑制變形，必要时二次径向注浆加固。（2）必须在临近无侵入二衬衬砌混凝土段达到强度后才开始拆除施工。（3）换拱作业前，必须对拱墙进行注浆加固处理。 （4）换拱前应量测断面轮廓，并与设计断面轮廓对比，确定换拱范围，严禁因操作失误造成误换拱或二次换拱。（5）换拱前应核实监控量测，当沉降及净空收敛稳定后方可进行换拱作业。 （6）换拱前应先进行隧底开挖、仰拱及填充施作。初期支护封闭成环，仰拱及填充施作形成对隧底周边岩体的反压。（7）拆除拱架时要随时注意围岩情况，如发现围岩破碎及掉块现象，应立即停止拆除，用喷射混凝土封闭拆除面后再次进行径向注浆加固，以稳固围岩。（8）拆换拱架时，拆完一个单元或一榀钢拱架后，应立即安装新的拱架上去，待全环初期支护完成后，才可进行下一榀钢拱架的拆除置换工作。（9）换拱时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。（10）严格按设计弧度要求加工钢架，确保换拱后初期支护封闭成环。（11）换拱时应设有专人负责观测围岩变化情况，如有异常应立即哨声通知施工人员撤离或采取加固措施。（12）施工前做好技术交底及应急救援预案，保证应急救援物资。

3.4 换拱效果

DK194+090～+030段换拱完成后，最大收敛0.2 mm/d，监控量测数据趋于稳定。

4 结束语

针对中老铁路普亚村二号隧道DK193+810～+820、DK193+840～+868段、DK194+090～+030段施工期间初期支护水平收敛位移累计最大值达到了482.62 mm、水平收敛比拱顶沉降大10～20倍左右、侵限量值为63 mm～466 mm这一大变形特点，经分析因隧道开挖后围岩应力重新分布造成围岩松动圈进一步加大、炭质板岩遇水软化导致了初期支护大变形。提出了拱墙钢花管径向注浆加固围岩、未侵限段打设锁脚锚管加固拱架以及仰拱开挖、初支、二衬和仰拱填充完成后再进行拱架拆换，拱架拆换遵循先上后下、一次一榀、换拱欠挖一次到位、及时施作二衬的原则，并将原设计的衬砌断面加大曲率，增加了预留变形量，防止换拱后二次侵限，建立了“磨万铁路炭质板岩大变形隧道初期支护侵限换拱技术”，确保了隧道施工安全，为圆满完成隧道施工任务提供了“技术保障”。

参考文献：

[1]张民庆，黄鸿健，何志军，等.高地应力软岩隧道释放-约束平衡法控制变形技术[J].铁道工程学报，2013，30（03）：50-57+76.

[2]中国水电建设集团国际工程有限公司第Ⅳ标项目经理部，楠名河大桥2#、3#水中墩钢围堰专项施工方案[Z].2019.