浅谈高铁大断面软弱围岩隧道变形处理技术

2021-01-18张安俊

四川水泥 2021年1期

关键词：仰拱钢架掌子面

张安俊

Engineering technique 工程技术

浅谈高铁大断面软弱围岩隧道变形处理技术

张安俊

（中铁六局集团广州工程有限公司，广东广州 510000）

我国幅员辽阔，地形地貌复杂多变，随着国家高铁建设的深入，在丘陵、山岭地带，隧道成为贯通线路不可缺少的组成部分。受地质、埋深等各方面的影响，大断面软弱围岩隧道极易在雨季发生变形，造成沉降过大，甚至初支侵线，造成极大安全、质量隐患，及工期、成本的增加。如何妥善处理隧道变形，尽快恢复正常掘进，一直是软弱围岩隧道施工重难点。本文结合赣深铁路广东段林寨隧道施工实例，介绍了软弱围岩变形隧道地表、洞内、基底、换拱处理的施工控制要点，为同类工程施工提供可借鉴经验。

隧道；软弱围岩；变形；处理

1 工程概况

林寨隧道全长6236km，位于广东省和平县境内，DK188+915～DK189+490段为Ⅳ级围岩，段落总长575m，采用Ⅰ型小导管超前注浆预支护，Ⅳb型复合式衬砌，三台阶法施工，开挖断面达150㎡。洞身主要位于泥盆系砂岩、粉砂岩地层，砂岩呈弱风化，青灰色，节理裂隙较发育，岩体较破碎；粉砂岩，红褐色，钙质泥质胶结，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水主要为基岩裂隙水及第四系孔隙潜水，一般不发育。

2 施工经过及原因分析

2.1 施工经过

2019年11月28日、12月16日、12月25日林寨隧道掌子面先后开挖至DK188+982、DK189+002、DK189+022，现场揭示围岩均为全风化粉砂岩，红褐色，结构松散，呈土状，遇水易软化，掌子面易掉块，地下水较发育，自稳性较差。经方现场勘察并共同研究后，将林寨隧道DK188+982～DK189+002、DK189+002～DK189+022、DK189+022～DK189+042段围岩级别由Ⅳ级围岩调整为Ⅴ级围岩，超前预支护采用Ф89洞身长管棚，Ⅴc型复合式衬砌，初支钢架采用HW175型钢，间距0.6m/榀，开挖工法调整为三台阶七步开挖法，核心土预留3～5m。

2020年1月5日林寨隧道掌子面开挖至DK189+035，左中台阶为DK189+029，右中台阶DK189+025；左下台阶DK189+022，右下台阶DK189+017；仰拱施工至DK189+015，二衬里程为DK189+000。

现场揭示地质基底为粉砂质泥岩，呈土夹碎石，泥质含量高，遇水软化，地下水较发育；中台阶揭示为W3粉砂岩，风化严重，强度低，块状；拱顶揭示为泥岩，呈土状，未见地下水。2020年1月5日监控量测数据显示DK189+000～DK189+035段单日沉降值在15～31mm，超过10mm/d。现场立即暂停掌子面开挖，增加中台阶临时仰拱支撑。至2020年1月7日19时，DK189+003～DK189+035段多处初支混凝土剥落，累计沉降值在38cm～66cm，收敛值在11～27cm，已严重侵限。

2.2 原因分析

经现场地表调查，DK189+000～DK189+193段地表被人为开挖种植果树，地表裸露，实测隧道DK188+992～DK189+070段埋深为15～20m，较原设计低9～12m，该段多处出现地面下陷，20余处地表开裂现象，并有发展趋势。此段隧道地质为粉砂质泥岩，呈土夹碎石，泥质含量高，遇水易软化，埋深较浅且地表多处开裂，与地表水联系极为紧密，受大气降水影响大。

2019年12月底至2020年1月初连续多天出现降雨，地表水入渗后软化岩土体，导致岩土体自重增大，强度降低，围岩自稳能力下降，造成围岩变形下沉。

3 施工处理方案

林寨隧道DK189+000～DK189+490段，按照分级分部施工原则，此段施工主要分为两大方面：一是大变形段的换拱处理；二是后续的开挖掘进。具体如下：

3.1 设置警戒线

在隧道山体地表开裂范围及未施作二村地段设置警戒线，严禁人员及机械进出，确保施工安全。

3.2 完善地表排水系统

沿地表高侧设置截水天沟将地表水引排至低侧隧道范围以外，减少地表水下渗。横向设置截水沟将高侧地表水引排至线路两侧自然沟内，截水沟采用C25混凝土现浇，减少地表水下渗。

3.3 地表裂缝处理

地表裂缝采用水泥砂浆灌浆封闭，粘土夯填，防止地表水下渗，并加强裂缝观测。

3.4 超前地质预报

按照超前水平钻孔位置在掌子面DK189+035及中、下台阶相应位置打设4孔30m超前水平钻孔，探测前方地质情况和涌水量，并利用该孔对洞内地表渗水及地下水进行引流至小里程已施作的中心水沟后排至洞外。水平钻探循环钻进30m，连续预报时前后两循环搭接不应小于5m。

图3-1 超前水平孔位置布置图

3.5 掌子面反压回填

对中台阶变形段进行加强，即DK189+022～DK189+029段增加双层临时仰拱，同时在该段变形较大的左侧采用WH175型钢斜撑加强，间距0.6m。第一层临时仰拱设置在中台阶底部，第一层临时仰拱及斜撑施工完成后，中下台阶采用反压回填至上台阶高度再设置一道临时仰拱。回填土从弃渣场运至洞内，分层填筑，每层厚度不大于30cm，采用挖机夯实。

临时仰拱采用I18轻型工字钢，间距0.6m，工厂化加工并试拼合格后才能安装。仰拱间喷射25cm厚C25混凝土，连接件采用Φ22钢筋，间距1m，与临时仰拱钢架八字形连接。

3.6 变形段初支加固

3.6.1径向注浆及初支拱架加固

对DK189+003～DK189+035洞内拱墙变形严重处进行径向注浆。注浆范围超出变形处2m。该段注浆完成后，以及套拱施工完成后才可以施工DK189+015～DK189+018段仰拱。变形处径向注浆施工完成后，再对（DK189+003～DK189+035）其他部位进行径向注浆加固。充分考虑到后续换拱施工，5m围岩径向注浆时需对已施工钢架进行加固，孔口纵、环向间距可根据实际情况进行部分调整。注浆完成后，判断注浆效果，决定是否补注浆。

图3-2 DK189+003～DK189+035段5m径向注浆正面图

3.6.2钢纤维喷射混凝土加固

为确保围岩稳定，对DK189+003～DK189+035段初支变形严重初期支护采用湿喷机械手喷射15cm钢纤维喷射混凝土，钢纤维为III类钢纤维，单丝长度30mm，参量50kg/m³。

3.6.3套拱施工

为加强支护强度，在仰拱端头DK189+012～DK189+015段采用套拱支护，套拱采用I18型钢钢架连接成环，钢架间距1m，合计4榀钢架，钢架间通过φ22螺纹钢筋进行连接成一个整体，套拱钢架落底至仰拱边墙顶面，支垫密实，并采用锁脚钢管加固，锁脚钢管每组2根φ50mm钢管，壁厚3.5mm，L=5m，支护喷射25cm厚C25混凝土。利用防水板施工台架安装套拱拱架，安装尺寸和锁脚钢管的施做如图3-3所示。

图3-3 DK189+012～DK189+015套拱安装示意图

3.6.4仰拱施工

DK189+015～DK189+022左右两侧拱腰变形大处进行径向注浆完成，且DK189+012～DK189+015套拱施工完成后。为了稳固变形段，掌子面开挖前，先进行DK189+015～DK189+018段3m仰拱施工，缩短仰拱与掌子面之间步距。

仰拱开挖前，先对中台阶临时仰拱进行支护，采用I18工字钢竖向支撑临时仰拱中间部位，支撑上部与临时仰拱焊接牢靠，下端与隧道基底密贴，必要时采用型钢或钢板垫实。中、下两台阶间垂直面采用锚喷网支护，锚杆采用Φ22钢筋，长5m，间距2*2m；钢筋网采用ф6钢筋，间距25*25cm。

仰拱开挖后，安排试验员对隧底进行地基承载力试验，及时清除虚渣、杂物、泥浆、积水，立即初喷4cm混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷混凝土至设计厚度，使初期支护及时封闭成环。若地基承载力小于200KPa，仰拱施工时按2*2m的间距预留φ110PVC管，后续对隧底进行注浆加固。

过程中，要加强监控量测，若沉降大于10mm/d，人员及设备立即撤离。待DK189+015～DK189+018仰拱完成后，回填施工便道至掌子面，为超前支护和掌子面开挖准备。

3.7 开挖掘进

3.7.1地表预加固

为改善围岩物理力学性能，对掌子面前方地表已发生土体扰动的DK189+035～DK189+085段采取地表袖阀管注浆加固处理，加固宽25m；加固深度均从隧道拱顶5-8m开始，隧道中部加固至隧道轮廓线以外50cm，两侧加固至W2基岩面以下0.5m。注浆孔钻孔孔径不小于90mm，间距2m*2m，梅花形布置。以水泥浆液为注浆材料，水灰比0.8:1～1:1，注浆压力0.5～3.0MPa，浆液扩散半径1.5m。注浆前进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数。

袖阀管材料采用φ60mmPVC塑料管，袖阀管全长设置，袖阀管与孔壁之间采用套壳料添堵密实，套壳料配合比为水：灰：土=1.6:1:1。地表往下挖20cm，施做长宽高为1*1*0.2m的C20混凝土块止浆盘。按照先小里程再大里程，先周边后中间，由内向外，间隔跳孔的顺序注浆。

DK189+035～DK189+085段地表注浆于2020年3月22日开始，截止2020年3月28日完成30孔，施工过程中注浆压力上限1.5MPa左右，无法达到3MPa的设计注浆压力要求，浆液扩散效果不佳，且注浆过程中存在窜孔现象，经过多次调整仍未能达到设计注浆加固要求。现场钻孔勘探得知DK189+035～DK189+047段拱顶5～11m为富水层，采用普通单液浆注浆，造成浆液大部分流失，浆液用量大且固结速度慢，加固土体效果较差。通过现场研究进行了以下两项调整：

①采用刚性袖阀管，用以增强注浆压力，提升注浆效果。

②隧道边墙两侧采用水泥+水玻璃双液浆，减少浆液流失，加快土体固结，提升地表注浆加固土体效果。

3.7.2超前支护

初支采用钢管壁厚5mm的φ89管棚进行超前支护，单根长10m；支护范围为拱部140°范围，环向间距0.4m，外插角≯10°；利用HW175型钢拱架腹部穿孔作为导向架，纵向搭接长度不小于3m。

3.7.3开挖

林寨隧道DK189+035～DK189+085段围岩级别由Ⅳ级调整为Ⅴ级，采用三台阶临时仰拱开挖法，间距0.6m/榀HW175型钢初支钢架，Ⅴc型复合式衬砌。严格控制每循环开挖进尺及台阶长度，初支及时封闭成环，仰拱至掌子面距离控制在30m以内，二次衬砌紧跟。

3.8 换拱施工

DK189+012～DK189+060段仰拱施工完成后，先施工DK189+036～DK189+048段二衬，再进行DK189+003～DK189+035段进行换拱施工。根据实际情况，提前用锁脚钢管加固初支拱架，每榀拱架分段切割拆除，换合格拱架后喷射混凝土，施工期间加强监控量测，并进行初支检测。从DK189+003开始往大里程方向进行换拱，为保证施工安全，每次拆除换拱距离为1榀（0.6m）。

工艺流程如下：施工准备→插打锁脚加固单元拱架→凿除初支混凝土→分段拆除拱架→安装新拱架→预留连接钢筋、钢筋网片→喷射初支混凝土

3.8.1换拱措施

换拱施工前DK189+003～DK189+035段初支已闭合成环，仰拱已施作，依据测量结果，为局部拱架置换，仅处理上台阶A单元。

3.8.2加固已施工钢架

在拆除A单元前，必须对A2、A3、B1、B2、C1、C2单元进行加固，每单元增加1组φ50*3.5mm锁脚钢管进行钢架加固，2根/1组，长度5m。增设锁脚钢管打设在A1与A2、A1与A3、A2与B1、A3与B2、B1与C1、B2与C2单元连接板以下0.5m处，向下15°，与钢架用Φ22钢筋“L”型焊接牢固，注1:1水泥浆，注浆压力1.0～1.5MPa，具体详见图3-4。

图3-4 DK189+003～DK189+035段钢架加固布置图

3.8.3拆除初期支护混凝土

在拱架A1、A2、A3单元的两侧，人工用风镐配合破碎锤从上往下凿出宽度25cm左右凹槽，拆除至钢筋网或连接筋混凝土面时，切断钢筋网及连接筋，全部切断后才能进行剩余混凝土进凿除。按预留沉降15cm凿除至开挖轮廓线后，为封闭开挖面防止拱部掉块，初喷一层4cm厚C25喷射混凝土。

图3-5 DK189+003～DK189+035段初期支护拆除图

3.8.4架设型钢拱架

初喷封闭后，打开接头②、⑤处连接板，将已变形A单元拆除。现场测量后，在钢筋加工场制作相应弧度的钢拱架并试拼，然后把加工好的钢拱架安装至打开的接头位置。此时A、B单元间的连接法兰盘将会错位，为确保钢架整体安全牢固，将A、B单元间连接法兰盘焊接牢固，并在②、⑤接头以上0.5m处打设1组锁脚钢管固定拱架，并施作Φ22mm纵向连接钢筋与相邻钢架牢固连接。

3.8.5初支挂网锚喷

型钢架设后按设计进行初支挂网锚喷施作。采用网格尺寸为20cm×20cm的Φ6钢筋网，在钢筋加工场内集中加工，钢筋网必须与初喷砼密贴。锚杆均采用HRB400直径22砂浆锚杆，锚杆长度4.0米，环×纵间距为1.5×1.5m，且锚杆尾板与钢筋网固定牢固。

林寨隧道DK189+035处掌子面2020年4月22日恢复正常掘进，7月15日掘进至DK189+085处，历时84天，平均每天0.6m（1榀），进展顺利，监控量测观测变形最大值小于15cm。DK189+003～DK189+035段初支换拱从2020年7月21日开始，至9月13日结束，历时55天，平均每天0.6m（1榀），进展顺利，监控量测观测变形最大值小于5cm。

表明通过地表袖阀管注浆加固以及洞内径向注浆、套拱加固、钢纤维喷射混凝土加固等一系列措施，确保林寨隧道正常掘进的尽快恢复及严重变形段换拱施工的顺利完成。