浅埋隧道初支变形侵限处理施工技术研究

浅埋隧道初支变形侵限处理施工技术研究

程新亮

中铁二十三局集团第四工程有限公司

摘要:在隧道工程施工建设过程中，有时会因地质、环境、施工等原因，初期支护发生变形过大，导致开裂、侵限或者初期支护承载力下降等情况，需进行换拱处理。换拱时需暂停掌子面掘进施工，延误工期，且施工难度大，安全风险系数高，施工不当或者措施不合适，易发生安全事故。本文以肖坂隧道为例，对变形侵限段情况进行描述，分析隧道变形侵限的原因，并对破碎围岩隧道侵限变形施工技术进行探讨。

关键词:浅埋隧道变形侵限施工技术

1工程概况

肖坂隧道位于福建省尤溪县坂面乡肖坂村境内，采用双向四车道分离式结构，左线全长1399m，右线全长1382m。隧道右侧约400～500m为乡村简易水泥公路，隧道进出口交通不便。

该隧道为剥蚀低山地貌，植被发育，高程介于521～759m之间，相对高差约240米，山坡自然坡度一般为30°～50°，山脊顶部呈浑圆状。K112+170洞顶有小水沟发育，沟谷由左至右，宽度逐次增加，可能与该处小破碎带有关。

2变形侵限段概况

隧道出口段YK113+232~+240段设计围岩等级为V级。主要为坡积粉质粘土和全强风化变粒岩及部分石英片岩组成，散体碎裂状，岩石裂隙发育，岩体破碎，洞顶埋深约25m，围岩稳定性差，洞顶无支护，易坍塌;该段地下水较贫乏，主要为基岩裂隙水。

掌子面开挖揭示围岩主要以坡积粉质粘土为主，围岩较破碎，节理裂隙发育，硬软质岩互层，中下部以全强风化变粒岩为主，围岩破碎，节理裂隙发育，呈碎裂状结构为主，围岩稳定性较差。开挖过程中掌子面持续渗水，围岩抗风化能力弱，遇水易软化、遇水后强度明显降低，层间结合力减弱，因本地连续降雨导致围岩持续变形。

截止到2014年12月30日左上导坑掌子面开挖至YK113+230，右上导坑掌子面开挖至YK113+229.8，二衬施工至YK113+269，仰拱施工至YK113+246，断面开挖面积96.6m3，采用CD法施工，初支采用全环I20a型钢钢架加强支护，间距0.6m/榀，Ф108洞口大管棚超前支护。

监控量测情况：

2014年12月17日至12月30日洞内监控量测表

3变形原因分析

（1）开挖揭示围岩主要以坡积粉质粘土为主，围岩破碎，节理裂隙发育，硬软质岩互层，中下部以全强风化变粒岩为主，围岩破碎，节理裂隙发育，呈碎裂状结构为主，围岩稳定性较差。

（2）因隧道埋深浅，变形段落平均埋深25m，受本地连续降雨降雨，开挖过程中掌子面持续渗水，围岩抗风化能力弱，遇水易软化、遇水后强度明显降低，层间结合力减弱，导致围岩持续变形，初支侵入二衬界限，无法按照原设计及原变更内容施做二次衬砌。

（3）施工过程中，锁脚锚杆设计长度4m/根，实际施做3.5~3.8m/根，打设角度要求垂直岩面斜向下30~45°，实际施做50~70°，不满足设计要求；系统锚杆施做数量不足，且注浆不饱满；钢拱架安装不规范等原因，导致初期支护作用力不足。

（4）从掌子面开挖到仰拱施做完成平均在20天左右，初支不能及时封闭成环。

4浅埋段初支变形侵限处理技术

4.1隧道初支变形侵限处理原则

一是先对变形段进行临时支撑和围岩径向注浆加固，遏制初支继续变形；二是拱架拆换需先拱后墙，先近后远（先拆距掌子面远的拱架，再拆距掌子面近的拱架）。

4.2初支变形侵限换拱处理方案

换拱时，需自大里程向小里程逐榀拆换，如图1所示，先对大里程方向的①号钢拱架两边的喷射砼采用人工配合机械进行凿除，将纵向连接筋和钢筋网片切断，拆除①号钢拱架；对松散基岩面进行开挖，并保证不欠挖，立即采用C25喷射砼初喷，再进行①号新钢拱架的安装，焊接纵向连接筋和钢筋网片，按设计预留搭接长度，并复喷平整。然后对下一榀拱架进行拆换，循环进行工作。

图1侵限换拱处理示意图

4.3初支变形侵限部位的拱架更换及加固

YK113+232~+240段拱架拆换施工顺序；断面量测确定换拱范围→施做临时支撑→拱墙径向注浆→拆除初期支护喷射混凝土→拆除侵限钢拱架→开挖松散断面→架立新拱架，安装纵向连接筋、钢筋网片→重新复喷混凝土。

1）量测确定侵限范围。测量班对初支变形地段进行断面扫描，绘出超欠挖断面图，并用红油漆标出侵限部位和里程。

2）施做临时钢支撑加固。YK113+232~+240段洞身在径向注浆前每3米为一个断面设置三根ф600无缝钢管作为临时支撑（拱顶4处，下导坑设置1处，如图2），ф600无缝钢管下端焊制在50cm*50cm钢板上，对无缝钢管基础进行加固。沿钢板边缘仰拱面进行植筋作为地锚经行固定，间距为20cm，植筋为ф25钢筋，植入仰拱填充深度不小于30cm，外露不小于30cm，外露钢筋用ф25钢筋进行连接加固如图3。

图2临时支撑断面图

3）隧道拱墙径向注浆加固。按照变更设计要求，对YK113+232~+240段拱墙施做ф42径向注浆管，长3.5m/根，间距1.0m*1.0m，梅花型布置，注浆采用水泥净浆，水灰比1:1，注浆压力为0.5～1.0Mpa，持压不小于5min。孔位布置如图3所示、径向注浆平面图如图4所示。注浆过程中需设专人进行监测，如有异常，先撤离人员。

图4径向注浆平面图

4）拆除初期支护混凝土。径向注浆完成后，通过监控量测数据监测，在围岩稳定变化稳定后，对超限部位的喷射混凝土进行凿除。先采用破碎锤按照先上后下，先拱后墙的顺序进行破碎，破碎锤头距离拱架不得小于20cm,每次破除长度不得大于1榀拱架单元，再用人工手持风镐凿除拱架附近的喷射砼。

5）拆换拱架，重新喷射初支混凝土。钢拱架安装前，需根据测量断面及设计参数在洞外进行试拼安装，在基岩面施做定位锚杆。钢拱架采用I20b型钢钢架，底部采用25a槽钢支垫并焊接连接，与岩面之间采用2cm厚混凝土垫块做保护层，钢架接头焊接25cm*30cm*1.4cm连接板，采用高强螺栓连接，钢筋网采用Ф10圆钢，网格尺寸20cm*20cm，搭接不小于1～2个网格，纵向连接筋采用Ф22螺纹钢，环向间距1m/根，为保证初支变形不侵限二衬，预留变形量调整至35cm，钢拱架架立完成后，立即采用C25喷射砼复喷平整。

6）二衬施工。在拱架拆换完成后，做好洞内及地表监控量测的工作，洞内每天监测不少于2次，地表每天监测不少于1次，在量测数据稳定后，且净空满足设计要求时，及时施做二次衬砌。使用全断面液压钢模板衬砌台车来进行施工。

5、结束语

针对肖坂隧道初支侵限情况，制定了侵限部位钢拱架更换、加固处理措施。通过现场实践来看，浅埋隧道侵限段在采取加固处理措施后，围岩稳定性得到较大提高，换拱作业安全得到有效保证。换拱作业监控量测发现，初支混凝土凿除，围岩裸露时段围岩变形较大，重新立设钢拱架喷砼后，围岩变形逐步稳定，因此需做好工序的衔接工作，尽量缩短围岩暴露时间。同时，换拱作业过程中提高洞内和地表监控量测频次，必要时需进行围岩连续监测，并根据监控量测数据及时进行工序调整，确保施工安全，隧道净空和二衬厚度满足设计要求。

参考文献：

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[2]伍法权，钱卫平，吴鞘岭长大埋深隧道围岩变形与地应力关系研究【J】；岩石力学与工程学报，2006,25（1）；94-99.

[3]TZ204-2008铁路隧道工程施工技术指南【S】.