53不良地质隧道二衬及初支变形破坏拆换施工技术

CONSTRUCTION施工技术1.前言宜万铁路隧道大多处于浅埋偏压地段，地质复杂多变。其中由我单位负责施工的石院子隧道，虽然长度只有576m，但在施工过程中常牵动着各参建单位多位专家的心，多次到施工现场踏勘、研究处理方案，最终得以贯通。石院子隧道为双线铁路隧道，隧道进口段DK84+950～DK85+380段开挖揭示围岩为砂岩、泥质页岩，强～全风化，强风化为主，岩体整体呈碎块状，部分呈土状，稳定性差，部分地段岩层产状扭曲，岩体破碎，掌子面、拱顶有渗水。经围岩取样作室内试验，岩石单轴饱和抗压强度值为1.9～2.5Mpa，属极软岩。2007年2月隧道进口段下临的高速公路路堑边坡开挖引起隧道上方地表产生溜滑裂隙，并逐渐发展，形成沿土石界面的浅层工程滑坡。2007年7月20日上午10：30，DK84+965～DK85+008段发生整体坍方，坍体将隧道断面全部充满，坍方前掌子面为DK84+965，二次衬砌施作至DK85+008处（从隧道出口向进口施工）。坍方后，DK85+010～DK85+110段二次衬砌出现多条不同程度的裂缝，缝宽2～6mm，裂缝最长31m。DK85+061～070右侧拱腰二衬出现6cm宽错台。同时隧道中线测量显示，DK85+010～+110段隧道中线向低山侧产生了不同程度的侧移，该段隧道中线累计偏移3～24mm。在保证安全的前提下对有病害的衬砌混凝土进行拆除，对变形侵限的初支钢架进行拆换后重新施作二衬混凝土，确保施工质量满足设计及规范要求，消除安全质量隐患，保证剩余工程施工安全和后期运营安全。2.拆换原则及条件2.1拆换原则拆换施工遵循“先加固后拆换，先拱部后边墙，边拆除边更换，拆换一处加固一处，及时封闭成环，加强监控量测”的原则。拆换二衬及初支前首先对拆换段及其两侧一定范围进行临时支撑加固和径向注浆加固，来约束和抑制围岩进一步变形，确保拆换施工过程安全。在拆换时对于整个二衬断面和初支断面应由上到下，先拱后墙的顺序进行，拆除某一部位二衬混凝土后在初支注浆加固到位的情况下开始拆除该部位的初支结构并扩挖侵限断面，扩挖到位后及时的采取新的支护和加固措施后方可拆除下一部位的二衬及初支，在拆换长度达3～5m时应及时的拆换仰拱，拆换仰拱时拆一榀及时更换一榀，并尽早浇筑仰拱填充混凝土和小边墙，在变形趋于稳定后迅速施工二衬，利用二衬和初支共同承受围岩松弛荷载。2.2拆换条件开始进行二衬和初支的拆换前提条件是在预加固结束后，二衬和初支的变形基本趋于稳定，一般收敛速率≤0.2mm/d，沉降速率≤0.15mm/d。3.拆换施工方案3.1拆换部位受掌子面前方塌方及围岩变形的影响，DK85+008～098段二衬混凝土及初支不同程度受破坏而侵限，严重影响使用及行车安全。因此，该隧道DK85+008～098段二衬混凝土及初支变形侵限段全部进行拆换。3.2拆换工序组织为了确保拆换施工的安全，拆换时严格按照以下施工流程组织施工。具体拆换工序如下：反压回填→临时支撑→注浆加固→拆除二衬混凝土→对变形侵限地段进行量测、标识→拆除钢架接头连接螺栓→拆除钢架→扩挖→重新施工支护→支护加固、注浆→仰拱拆换→重新浇筑衬砌混凝土。3.3拆换前准备工作3.3.1反压回填及临时支撑加固由于该隧道二衬及初支整个断面需要拆换，为减小拆换风险和临时支撑加固效果，对下断面采用洞渣反压回填至起拱线附近，并对洞渣进行碾压夯实。临时支撑竖向采用Ф219的钢管进行支顶，斜向和横向采用I20工字钢进行扇形支撑，纵向支撑间距为3m，各节点之间采用焊接的方式将各支撑体系连接成一整体，该支撑体系起到对未拆换地段的加固作用。支撑与二衬混凝土面之间采用木楔楔紧，底部采用枕木支垫，防止回填洞渣沉降而造成支撑体系失效。3.3.2拆换段拆换前围岩加固在二衬混凝土拆换前，首先对DK85+008～+100段进行全断面径向注浆加固，防止拆除过程中围岩应力急剧释放导致初支失稳而造成坍塌。径向注浆采用长5mФ42小导管，纵向×环向间距1.5m×1.5m，呈梅花形布置，浆液采用水泥净浆，水泥浆水灰比为：0.8：1。由于围岩已发生变形，且二衬及初支受前方坍塌的影响已被严重破坏，故注浆压力不宜过大，注浆时间也不宜过长。注浆压力宜控制在0.5～0.8MPa之间，当注浆压力达到终压值后稳压2min暂停注浆，对实际注浆量和设计注浆量比较，偏差在10%时可停止对该孔注浆。注浆时相邻注浆孔采用间隔注浆，注浆结束等强8h后方可开始进行拆除工作。3.4拆换施工3.4.1拆除二衬混凝土二衬拆除从二衬破坏程度最小的大里程方向向破坏程度最大的小里程方向推进，二衬混凝土每拆除循环长度严格控制在1.5m以内，环向共分五次拆除，先拆除拱顶二衬混凝土，再分别拆除左拱腰和右拱腰，最后拆除左边墙和右边墙。二衬混凝土拆除时首先采用松动爆破将其震松，然后采用人工配合风镐清理，爆破时坚持：“多打眼，少装药，弱爆破”的原则。不良地质隧道二衬及初支变形破坏拆换施工技术杨　坚中铁十五局集团第七工程有限公司　贵州　563000摘　要：浅埋偏压等不良地质条件下隧道施工时，由于围岩自身的自承能力较差，初支极易在不均匀应力的作用下产生较大变形，尤其是在强风化破碎围岩的滑坡体地段施工时由于围岩遇水极易软化，进一步加大了变形，即便是采取了较强的支护和较大的预留变形量也极有可能遭到严重的变形破坏导致初支侵限且变形持续发展。为了确保施工安全和避免整体坍塌，采用衬砌混凝土加强支护，由于衬砌厚度无法满足设计要求，必须对已施做的二衬混凝土及已变形、侵限的初支进行拆换处理。本文从现场实际出发对不良地质条件下二衬及初支拆换施工技术进行了总结，为类似工程提供参考或借鉴。关键词：浅埋偏压隧道；强风化破碎岩；二衬及初期；变形破坏；侵限；拆换中图分类号：U45 文献标识码：A第5卷　第6期2015年2月CONSTRUCTION施工技术钻孔深度约为衬砌厚度的2/3，炮眼间距为40cm×40cm（环×纵），采用Ф25乳化炸药，单孔装药量约50g，装药完毕后必须采用炮泥堵塞，增强爆破效果并减少对相邻段落衬砌的扰动，引爆时采用毫秒雷管，分两段起爆，爆破完毕通风结束后采用人工配合风镐清理混凝土基面并切除衬砌钢筋。3.4.2对变形侵限地段进行观测和标识在每一循环二衬混凝土拆除完毕后对已拆除二衬混凝土的初支沿线路方向间隔0.5m采用断面测量仪进行断面测量，局部突出位置需加密。将实测数据断面与设计断面进行对比，确定出侵限段的位置及其具体侵限数据，然后用红油漆在初支表面进行划圈标识，标识范围要超出实际侵限范围1m。对比测量数据的同时，还要观察初支混凝土是否破坏，钢架是否扭曲变形。对钢架扭曲变形、初支混凝土破坏的部位也要将其纳入拆换的范围进行标识。3.4.3初支拆除拆换初支前应对围岩加固措施的效果进行检查、评估，若在二衬混凝土拆除之前径向注浆加固个别部位未加固到位时应在初支拆除前继续进行二次径向注浆加固，在安全可靠的前提下才可进行拆除作业。拆换过程中如发现存在安全隐患，则应立即停止拆换工作，及时进行加固处理。在确认安全可靠的前提下，开始进行拆除工作。每次拆除钢架纵向长度为一榀钢架间距，环向长度为各个钢架单元长度且一般不超过3m。喷射混凝土破除一般采用风镐进行凿除，单次开槽宽度为一榀钢架宽度，深度至围岩表面即可。当喷射混凝土厚度较厚且设置有双层钢筋网片时，在风镐凿除十分困难的情况下，适当采用松动爆破拆除，爆破时严格遵循“多打眼，少装药”的原则。打眼采用Ф28风钻，炮眼布置在两榀钢架之间，钻孔深度略小于初支厚度，炮眼间距30cm为宜。采用φ25乳化炸药，单孔装药量为1/5节药卷，装药后采用炮泥或水袋封堵孔口，增强爆破效果，减小扰动。当采用爆破拆除时，首先拆除钢架单元间接头连接螺栓及其余焊接部件，避免爆破拆除时对相邻段钢架及衬砌混凝土的扰动，将爆破影响范围减到最小。拆除钢架连接螺栓及其余焊接部件时，采用风镐对钢架接头处喷射混凝土凿除，并对连接螺栓和焊接部件进行切割拆除，使其单元间相互断开。松动爆破后，采用人工配合风镐将震松的喷射混凝土凿除，钢筋网片采用热割方式切断，钢拱架、锁脚锚杆、小导管采用氧割或切割机分段拆除。3.4.4围岩扩挖及初喷为保证初支、二衬的设计厚度，同时防止初支拆换后再次出现二次侵限，围岩扩挖的具体尺寸要充分考虑预留变形量。且扩挖预留变形量不能仅根据围岩级别进行判断，而需要根据量测结果对预留量进行调整，特殊地质流变地段需结合二衬的计划施工时间和量测结果综合考虑确定。在围岩扩挖前，首先根据以上原则确定预留变形量，再结合扩挖前的断面实测值，推算扩挖后的断面尺寸，从而计算出对应部位需要扩挖的具体深度。对侵入初支限界的围岩采用人工配合风镐的方式进行扩挖、修整，扩挖的宽度不大于设计要求的钢架间距。在开挖过程中，发现拱墙部位存在溶腔或涌泥等空洞时必须采用回填混凝土或注浆的方式将其封堵密实。扩挖到位后立即采用喷射混凝土进行初喷封闭开挖面，初喷厚度3cm，通过初喷对围岩形成一层保护层，避免渗水的冲刷和围岩的风化加剧。局部超挖处用喷射混凝土回填找平，保证其表面基本平整。3.4.5钢拱架安装、挂网（1）内层钢筋网片挂设根据每次开挖的宽度、长度来决定加工钢筋网片的尺寸，网片与预留钢筋接头采用搭接焊或绑扎，其尽量紧贴初喷混凝土面。待钢架架立完成后，钢筋网片与钢架焊接牢固。（2）钢拱架安装由于拆换地段变形加大，拆换后进行支护时通常采用更高强度的钢架并缩短钢架纵向间距，且二次开挖对预留量进行了调整，为保证钢拱架在空间和平面位置能够准确就位，需对钢拱架的几何参数重新设计加工，并严格按照设计要求进行加工，不得随意更改接头位置，改变钢架的受力结构，所有接头应加焊厚钢板，并采用高强螺栓连接牢固。钢架架立前必须对钢架的线路中线位置、法线方向测量放样，然后背面紧靠内层钢筋网片及初喷混凝土面架立，准确就位后采用纵向连接钢筋固定并焊接牢固。拱架安装时要求各单元节点之间的连接板紧密贴合，所有螺栓都必须拧紧。若个别连接板不能密贴，应插入钢板塞紧，同时将两块连接板进行焊接，与之形成一个整体。为确保钢架背面与初喷混凝土面之间密贴，故按一定的间距在拱架与初喷混凝土面之间加设垫块并楔紧。为了确保钢架在受力过程中不易发生沉降和变形，钢架拱架处的支垫尤为重要。松散或软弱围岩钢拱架底端须采用强支垫方式进行支垫。支垫一般采用厚钢板或混凝土预制块垫实塞紧，垫块可在下断面拆换过程中重复使用。（3）外层钢筋网片挂设变形较大的地段，为提高初支强度和承载能力，通常对网格进行加密或采用内外双层钢筋网片。外层钢筋网片紧贴钢架外侧安装，并与钢架、预留钢筋接头、纵向连接钢筋等进行有效焊接牢固。3.4.6锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆安装（1）锁脚锚管钢架接头处是受力最为薄弱，最易发生变形的地方，因此在钢架每个单元接头处附近两侧紧靠钢架位置各打入2～4根长4～6m的Ф42注浆小导管进行加固。小导管与钢架焊接牢固，并在该段围岩径向注浆加固或超前注浆加固时对锁脚锚管进行注浆。（2）超前小导管和径向锚杆超前小导管和径向锚杆的布置严格按照设计规定的间距和位置设置，并非每榀钢架安装后都需要施作。若该榀钢架拆换位置恰好是应该设置超前小导管或径向锚杆时，在钢架安装到位且锁脚锚管施作完毕后，立即进行超前钻孔或径向钻孔，每钻完一个孔及时安装超前小导管或径向锚杆。3.4.7混凝土复喷和注浆（1）混凝土复喷安装完钢架、钢筋网片、锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆等工作后，立即进行混凝土复喷。混凝土复喷前，必须将锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆等预留注浆头包裹严实，以防喷射混凝土时将其堵塞，无法满足下一注浆工序施工要求。复喷时拱架外侧混凝土保护层厚度不小于3cm，同时混凝土表面平整度需满足设计及规范要求，以便防水板铺设。喷射混凝土时无论是初喷还是复喷，均应采用湿喷工艺。（2）锁脚锚管、超前小导管、径向锚杆注浆为增强初期支护效果和下一拆换扩挖过程的施工安全，通常对已拆换完成段的围岩进行径向注浆加固，对即将拆换和扩挖的段落进行超前注浆加固。喷射混凝土结束并初凝后，对已安装好的锁脚锚管、超前小导管、径向