铁路隧道变形控制措施浅析

2021-01-18王国栋

四川水泥 2021年1期

关键词：钢架拱顶锚杆

王国栋

Research 研究探讨

铁路隧道变形控制措施浅析

王国栋

（中铁十六局集团第五工程有限公司机械分公司，河北唐山 064000）

将铁路隧道变形情况分级，制定对应的措施去及时控制处理，根据既有承建工程实践应用，分析其可操作性、安全性，达到控制围岩失稳、初期支护变形、防止初期支护侵限的目的。留足安全储备，确保后续的仰拱、二次衬砌施工。

隧道变形；控制；措施；安全

0 前言

目前我国铁路隧道施工除盾构法以外，大部分采用矿山法或浅埋暗挖法施工，而其原理就是“新奥法”。施工过程中由于种种因素制约，尤其是工期压力、施工队伍自身业务水平、地质变化等原因，无法充分利用围岩自身自承能力，从而造成围岩失稳，初期支护变形。这时候就需要采取相应的补救措施来确保工程安全施工。本文主要针对不同的围岩变形情况来分级、分项，采取对应的措施来控制变形，确保安全储备，确保后续施工。同时分析其可操作性及社会经济效应，达到确保安全、经济可控、社会增效的目标。

1 隧道变形原因分析

隧道开挖破坏了地层的原始应力平衡状态，隧道周边的地层应力将会由水平方向与竖直方向的主应力，转化为隧道径向与法向的主应力，大小主应力方向将会发生变化，同时还将伴随着地层剪切应力的出现。

隧道开挖后，周边地层将会临时处于无支护的临空状态，隧道周边地层将出现向隧道方向位移的趋势（拱顶下沉与周边收敛变形），如果在隧道开挖断面范围内存在地质破碎带或地层断面，甚至可能引起地层的坍塌。但由于此阶段时间相对较短，相应的地层位移可能并不明显，尤其是在地层条件较好的情况下。

开挖后应在尽可能短的时间内施加初期支护，并尽早施作仰拱，将初期支护封闭成环，达到“强支护”的目的。但由于初期支护施工过程中的种种不当，例如进尺较深、工艺偏差、尤其是特殊围岩及地形等原因，初期支护封闭成环之前围岩的变形加剧，这时就应该采取必要的措施来避免变形过大造成施工安全事故出现。

2 工程应用分析

2.1 依托工程简介

我单位承建的瓦屋里隧道、肖家塘隧道位于湖南省娄底市万宝镇西北约200m处。两座隧道分别属于沪昆客专湖南段娄邵联络线上行线和下行线，中间是其他单位正在施工的正线万宝坪隧道。三座隧道平行施工，且彼此间相邻距离很小，最小平距只有27m，施工难度及干扰极大。

2.2 隧道变形管理等级

施工期间，监测人员在每次监测后根据监测数据绘制拱顶下沉、水平位移等随时间及工作面距离变化的时态曲线，了解其变化趋势，并对初期的时态曲线进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速率。根据开挖面的状况，拱顶下沉、水平位移量大小和变化速率，综合判定围岩和支护结构的稳定性并根据变形管理等级及时反馈于设计和施工。变形管理等级标准见表2.1-1所示。

表2.2-1 变形管理等级标准表

管理等级管理位移施工状态 ⅠUo 2Un/3采取特殊措施注：Un为允许最大位移量，Uo为当前位移量

2.3 隧道变形施工等级及控制措施

当管理等级为Ⅱ、Ⅲ级时就应该对隧道的初期支护采取措施来控制其变形，隧道围岩变形控制及分级见表2.3-1：

表2.3-1 隧道围岩变形分级及控制措施表

管理等级施工级别围岩量测及现场观察情况技术措施管理措施 Ⅱ轻度拱顶出现轻微沉降，喷砼面出现细小裂痕，无明显掉块现象，收敛情况可控增设锁脚锚杆，锚杆端头处与钢架“L”形焊接现场技术员、施工队工班长注意观测、控制；量测频率正常 Ⅲ中度拱顶出现明显沉降，累计沉降量在5cm以上，但是日沉降量曲线较为平缓；喷砼面出现较大裂缝、隆起，钢架出现轻微变形拱部及边墙增设锁脚锚杆，上台阶设临时横撑闭合，拱部视情况小导管注浆隧道主管带领技术员及施工队各负责人密切关注，增加量测频率，避免发展成为重度 Ⅲ重度拱顶出现明显沉降，累计沉降量在10cm以上，同时有较为明显的日沉降量；喷砼面出现密集裂缝、隆起、掉块；钢架出现明显变形，上下台阶连接板处发生扭曲1.上、下台阶设临时横撑闭合，上下台阶连接板处下方设斜撑与底层横撑相连，拱部及周边小导管注浆2.全环设护拱施工，并将护拱连接成为整体，防止塌方项目主管领导值班，现场负责人跟踪观察指导，避免坍塌事故，出现特殊情况及时撤离

2.3.1轻度级别变形控制措施

2.3.1.1技术措施及施工工艺

当拱顶出现轻微沉降，此时目测初期支护喷砼面出现细小裂痕，但是无明显掉块现象，沉降、收敛量测数据显示较小但是还有继续发展趋势时应该按照隧道变形轻度级别进行变形控制，具体施工过程如下：

a.沿初支钢架45°夹角打设增强锁脚锚杆，锚杆长度4m。

b.锚杆头加工成L型，紧贴钢架两侧各设置一根，锚杆L型接头抱紧后与钢架面板满焊加固。

c.每侧拱脚各增设2组锁脚锚杆，锚杆安装完成后注浆处理。

d.对初期支护喷砼开裂面复喷处理，并作出标示，方便进行后续的观察喷砼面是否继续开裂。

2.3.1.2管理措施

a.现场技术员及作业工班长对处理完成的初期支护进行观察，主要观察拱部及拱脚喷砼面是否继续开裂，裂缝宽度是否增大，锚杆锚固孔是否出现明显下沉式开裂等。

b.增加隧道围岩量测频率，根据量测数据分析初支体系稳定情况，形成动态控制。

2.3.2中度级别变形控制措施

2.3.2.1技术措施及施工工艺

拱顶出现明显沉降，累计沉降量在8cm以上，但是日沉降量曲线较为平缓；目测初期支护喷砼面出现较大裂缝、有部分隆起，钢架拱脚处出现轻微扭曲或弯起变形，此时应该按照隧道变形中度级别进行变形控制，具体施工过程如下：

a.拱部及边墙增设锁脚锚杆，L=4m；每侧拱脚设置2组，锚杆头与钢架抱紧满焊；具体施工方法与轻度级别中描述一致。

b. 于上台价拱脚处加设临时横撑。临时横撑使用Ⅰ18工字钢，长度根据现场实测而得，两端分别与两侧拱脚满焊，形成封闭环状体系。连接端头也可以使用连接板螺双连接，但是施工中不容易控制其紧密连接，故采用焊接连接方式。

c.临时横撑一般沿线路方向至少布置2道，安装前确保其置于稳定、坚硬的地基上，为方便行车横撑纵向间须铺垫料碴或混凝土，待压实后方可行走机械。

d.视围岩情况考虑是否进行小导管注浆处理，如围岩松散、破碎较严重则必须注浆处理。

e.围岩稳定后可以切割拆除临时横撑，此时整体围岩基本已同初期支体系形成自稳结构，但拆除时仍应小心观察，如发现异常则立即停止拆除并焊接恢复。

2.3.2.2管理措施

a.出现中度级别变形施过程中应由隧道主管领导带队，密切关注变形段。要经常对初期支护进行观察，尤其是对施作完成的临时横撑的观察。首先观察初期支护表面裂缝是否继续发展，拱脚处有无明显变形，横撑与钢架焊接处是否出现开焊现象，这样可以针对实际情况来进行施工上必要的调整。

b.增加隧道围岩量测频率，根据量测数据分析初支体系稳定情况，形成动态控制。

2.3.3重度级别变形控制措施

2.3.3.1技术措施及施工工艺

拱顶出现明显沉降，累计沉降量在10cm以上，同时有较为明显的日沉降量；目测初期支护喷砼面出现密集裂缝、隆起、掉块现象；钢架出现明显变形，尤其是拱脚及上下台阶连接板处发生扭曲现象严重，此时应该按照隧道变形重度级别进行变形控制，具体施工过程如下：

a.拱部及边墙增设锁脚锚杆，L=4m；每侧拱脚设置2组，锚杆头与钢架抱紧满焊；具体施工方法与轻度级别中描述一致。

b. 于上台价及下台阶拱脚处加设临时横撑。临时横撑使用Ⅰ18工字钢，长度根据现场实测而得，两端分别与两侧拱脚满焊，形成封闭环状体系。

c.由于围岩应力集中，上、下台阶连接处极易出现变形、隆起、侵限现象，使用Ⅰ18工字钢斜撑将上台阶拱脚与下台阶横撑相连，形成三角稳定结构结构，可以有效的控制事故发生。

d.拱部小导管注浆处理，边墙局部、尤其是连接板处注浆处理。

e.围岩稳定后可以切割拆除临时横撑、及斜撑，遵循拆除一段仰拱施工一段的原则，循序施工，保证临时封闭结构安全转移成为仰拱封闭结构，具体施工同上文所述。，拆除时小心观察，如发现异常则立即停止拆除并焊接恢复。

f.如已施工完仰拱的初期支护仍出现突然的沉降收敛，或者量测曲线平缓但继续下去会导致初期支护侵限，此时如果二次衬砌无法跟上施工，则应该设置护拱（套拱）。护拱使用既有工字钢钢架全环安装，下部连接板直接坐落于已施工仰拱混凝土面上。纵向之间护拱使用连接筋连接，护拱与原初支面间空隙处使用垫板填塞密实，确保应力传递，并尽快安排后续二衬施工，护拱拆除也遵循拆除一段施工一段二衬原则，必要时采取跳槽施工二衬。

2.3.3.2管理措施

a.出现重度级别变形施过程中应由项目部主管领导带队，轮换制度密切关注变形段，确保洞内全时间段均有人值班。出现特殊情况及时汇报并采取相应措施，防止坍塌事故的发生。

b.隧道围岩量测跟踪进行，确保洞内随时有人监测，获得第一手数据，避免坍塌事故。

c.组织隧道施工专家每天召开现场会，实时分析并研究探讨应对措施，做到隧道施工安全万无一失。