小黄川隧道变形侵限换拱论文1.docx

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小黄川隧道变形侵限换拱论文1

小黄川隧道初期支护大变形换拱处理

中交一公局永江投资公司工程部李建军

前言：

2009年-2011年初，我在西商高速第18合同段担任总工程师，该项目主要控制工程就是单洞长3954米的小黄川隧道，该隧道施工以来因地质断层、浅埋、偏压等原因造成后期初期支护严重变形侵限，进行了较大范围的初期支护换拱处理。

本文就初支变形过程、形成原因分析、治理方案、换拱施工工法、安全保障措施进行论述。

尤其是换拱中的安全保障措施希望能够给隧道施工同行起到抛砖引玉的作用。

1工程概况

小黄川隧道位于陕西省商洛市西北方向30km的大荆镇，是国家高速沪陕线西安至商州高速公路建设的控制性工程之一。

隧道设计为双向6车道，设计时速80km/h。

隧道单洞总长3953.8m。

左线里程：

LK82+010～LK84+008，右线里程：

RK82+007.2～RK83+963。

隧道限界（宽×高）14.25m×5.20m。

隧道开挖宽度17.36m（V级围岩）。

隧道出口位于东峪河右岸，出口左右线进洞约400m长度均处于山体严重偏压段，右线进洞300m范围内埋深极浅（0.2～10m）。

围岩构成主要是由云母、石英、泥炭质灰岩、长石组成的片岩和千枚岩。

同时在出口进洞约160m处发育有F5断层，影响长度60～80m。

受断层和岩性影响，隧道全长的80%以上为V级和IV级围岩，岩体风化严重，岩体破碎，围岩强度低。

掘进开挖经初期支护后相当长时间内收敛值异常，围岩持续变形，自承能力和稳定性极差，成洞困难。

V级围岩超前支护洞口段为30m的Φ108长管棚，进洞后采用Φ50×5双层注浆小导管。

初期支护由由喷、锚、网及钢架组成，设计采用4m的Φ22早强砂浆锚杆间距1m环向布置，I20b型钢架作为初期支护的主要承重结构，钢架内外各设一层20×20㎝钢筋网，C25喷射混凝土共28cm。

小黄川隧道进口端围岩相对较为稳定，均采用单侧壁CD法施工。

出口端因浅埋、偏压、F5断层和围岩破碎原因按照设计双侧壁导坑法施工。

2初期支护变形

我局承担施工的西商18合同段在2009年7月进场后，积极组织了前期施工准备工作，小黄川隧道进出口两个工区也与此同时抢修施工便道，并于同年8月份先后开工。

进口段围岩相对较为稳定，施工正常。

出口段左右线受诸多因素影响，多次发生滑塌和初支向内挤压变形，进展十分困难。

根据现场观测和断面监测资料显示，在隧道出口段左线LK83+745～LK83+775段和右线RK83+800～RK83+811、RK83+752～RK83+760段掘进初支完成后均出现了初支向内严重挤压变形的情况，同时初支环向出现严重开裂，钢拱架扭曲变形。

不但将原预留的15㎝变形量吃掉，还侵入二衬限界20～50㎝。

其中较为严重的右线RK83+807处拱顶下沉侵限353㎜，拱脚偏压一侧向内鼓起侵限459㎜。

左线ZK83+751处拱顶下沉侵限514㎜,拱脚向内变形最大变形量在ZK83+771处，侵限488㎜。

（因20M的限制，好多资料照片不能附上，有需要的可加我QQ289163295）

照片中看到的工钢钢架是初支变形后加强的内层钢架

3变形原因分析

为了科学准确的制定处理方案，项目根据地质资料、监控量测资料、地表实地勘察资料以及初支变形状况对变形原因做分析如下：

3.1山体偏压

从下列照片可以看出山体偏压对左线影响较大，施工初期我部多次向业主报告变更施工方案，在右线冲沟一侧增加反压回填，高度到隧顶10m，迟至2010年6月业主才给予回复，同意了反压方案。

但是错过了反压的最好时机，初支变形业已形成。

小黄川隧道出口地貌图（右侧为左线）

3.2F5断层及围岩状况

小黄川隧道出口左线在LK83+850,出口右线在LK83+800处穿越F5断层，设计预计断层宽度20～30m，施工验证影响宽度为30～60m，岩体岩性为强风化石英片岩、千枚岩、强风化砂岩。

受断层影响，岩体结构破碎（局部呈粉末状含油性，和云母共同作用注浆效果不明显），围岩强度极低。

左线LK83+750处拱顶双层钢架变形

（因20M限制图片删除）

左线LK83+745～+775偏压一侧初支拱脚部位钢架向内凸起变形

（图片删除）

上图为右线RK83+746穿越断层段围岩状况（照片中的块状物是滑塌的注浆凝结块），不用爆破直接机械挖除，每循环进尺0.5-0.6m。

3.3山体裂隙渗水引起塑变

商洛工地2010年春季多雨雪，降水量偏大，山体围岩破碎、松散，受隧道掘进施工扰动和雨水浸泡,山腰靠近顶部沿隧道开挖方向纵向开裂，长度约110m。

4月14日天气异常，商洛工地下了暴雪，雪水融化沿裂隙渗入山体，破碎的千枚岩、片岩遇水加快了塑性变形，对隧道初支结构形成压力，加剧了初支变形，山体裂隙也有进一步发展。

（因20M的限制，图片删除，有需要的可加我QQ289163295）

山腰沿隧道施工走向纵向开裂

3.4浅埋和大断面矛盾

小黄川隧道右线出口端隧道埋深近乎为零，由于偏压严重如采取暗洞明挖施工后期隐患极大，设计的30m长Φ108大管棚打入后部分露出地面。

3车道隧道V级围岩设计开挖宽度达17.36m，因围岩破碎、埋深过浅、受力面较宽，自承能力极差。

即使按照设计的双侧壁导坑法施工也难以保证初支结构稳定，施工以来多次发生滑塌现象。

（上述原因删除图片）

小黄川隧道右线出口端施工现场地貌

4初支变形处理方案

针对初支变形已严重侵入二衬界限必须换拱的问题，我们在5月向业主提出了两套治理方案：

4.1调整纵坡方案

由于小黄川隧道初支变形主要在F5断层和偏压地段，左右线的初支严重变形均发生在K83+750～K83+815这一区间。

建议在隧道中部K83+250设变坡点，纵坡由原设计的0.55%变为0.65%，到K83+750处可形成500mm的高度空间（在K83+750处又调整为0.45%，到K83+250处结束，恢复到原设计路面高程。

）调整后可利用此空间对拱部进行加强处理，保证上拱部二衬厚度，避免换拱中拱顶部位破碎塑变围岩受二次开挖扰动滑塌冒顶。

降坡后对两侧边墙部位初支受挤压侵限的处理采用边墙局部换拱，按照交叉马口施工来确保施工安全。

对洞口段已施工完成的二衬在降坡后形成的超高可不做处理，并在50—100m范围内和初支变形段二衬平滑顺坡衔接。

洞口段已浇筑的仰拱填充进行降低高度处理，从而保证后期隧道内结构布局协调满足设计要求。

4.2全幅换拱方案

隧道初支全幅换拱是一项相当危险的施工作业，施工区域又处于浅埋偏压、F5断层和严重风化破碎的千枚岩、片岩塑变段，必须采取周密的预防措施，否则处于塑变的破碎围岩一旦失稳引起滑坍、塌方后果极其严重。

此方案的实施共分6个步骤：

4.2.1监控量测

在隧道换拱的全过程中到二衬施工前，要求连续进行地表下沉量测、拱顶下沉量测、水平净空收敛量测三项量测，以判断围岩动态和指导安全施工。

施工前，在该段初期支护钢架上布置监控量测点，拱顶下沉及净空收敛观测点按每3米一个断面进行布设，以观测围岩及初期支护结构的变化；在K83+745-K83+775相对应的洞顶地表，每5米一个断面布设地表下沉观测点，以观测地表沉降。

从隧道换拱施工开始进行地表沉降观测，采用测微水准仪进行观测，频率为每天一次。

拱顶下沉观测在隧道需换拱的初期支护上每3米设置一个点，换拱施工完的初期支护上每5米设置一个点，并且在换拱施工完6小时内进行第一次观测，水准仪观测频率为每天1次，直至二衬完成后为止。

净空收敛观测点，在拱顶下沉观测点同一断面设置，收敛仪观测频率同拱顶下沉观测。

根据现场量测数据绘制位移-时间曲线图，在位移-时间曲线趋于平缓时进行回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律，回归分析为建立下沉量（U）随时间（T）发展的时态函数，根据测点位移变化速率判断围岩稳定状况，当隧道周边变形趋势有明显减缓趋势，则说明隧道变形基本处于稳定状态，当变化速率过快、过大，或当位移-时间曲线出现反弯点时，说明位移出现反常的急剧增加现象，表明围岩及支护已呈失稳状态，应及时加强支护并停止换拱作业。

小黄川隧道地质情况较为复杂，监控量测不仅仅对原初期支护钢架变形进行观测，对置换后的拱架同样要加强观测，并对测量结果及时进行分析。

开挖过程中注意观察初期支护状态包括喷层是否产生裂缝、剥离和剪切破坏、支撑是否有新的变形，对以上情况进行详细描述、记录，同时做出施工安全评估，并作为采取支护参数选择的参考（根据监控量测结果必要时拟采用衬砌台车每隔5m分段浇注长度5m，厚度30cm的C15混凝土作临时支撑共两段10m，换拱时逐段拆除，以防止初期支护失稳，确保施工安全。

）。

4.2.2冲沟反压回填加强

对右线冲沟一侧利用隧道弃渣进行反压回填，回填高度至相应段隧顶10m。

4.2.3浅埋段地表预注浆

右线初支变形段同时处于浅埋段，为加强浅埋围岩稳定需对地表进行注浆处理。

注浆横向范围为开挖轮廓以外6m，竖向范围为开挖轮廓拱顶以上5m至拱底以下2m,开挖轮廓内不注浆。

注浆管采用Φ50×5钢管，前端钻直径1㎝花孔，间距40㎝，梅花形布置。

导管尾部50㎝不设花孔。

注浆浆液采用水泥浆液，水灰比为1：

0.8，掺加3%水玻璃作为速凝剂。

4.2.4山体裂隙堵水处理

对山体裂隙采用砂浆填实裂口，在裂隙上方挖掘截水沟将雨水引向隧道一侧排水沟内。

4.2.5初支换拱段预加强

在初支严重变形的左线lk83+745～lk83+775以及右线k83+725～k83+765段，原设计有径向Φ22早强砂浆锚杆（间距60㎝梅花形布置）,为加强初支外围岩稳定增加Φ38×6自钻式注浆锚杆（间距60㎝与砂浆锚杆交叉布置）和Φ50×5径向注浆小导管（L=5m，环向间距100㎝，纵向间距50㎝）。

注浆采用水灰比0.5:

1～1:

1，注浆压力0.5MPa。

4.2.6制作换拱专用台车

在换拱前按照隧道实际断面制作专用换拱台车，其主要作用是依靠专用台车临时支撑与变形初支建立临时连接，限制初支剧烈变形，避免压浆或置换过程中原初期支护钢架失稳，对换拱部位两侧的初支形成保护，维持其稳定。

另外专用台车也同时对现场施工人员的安全提供了保障。

（图片删除）

换拱台车大样示意图（立柱采用30a工型钢）

以上准备工作完成后，即可利用换拱台车从大里程逐环开始，按照先墙后拱的顺序对每环的拱架进行置换；采用双层超前小导管预支护（按纵向间距2.4m一环布置）。

开挖主要以

人工利用风镐开挖为主，换拱段禁止爆破作业。

5方案确定

根据我项目上报的两种处理方案，经业主、监理和施工方共同论证，确定以第二方案为最终方案。

6换拱施工

6.1施工工艺流程

换拱施工工艺流程图

6.2施工准备

按照方案中4.2.1～4.2.6的具体要求，项目在7月底前对偏压治理的反压回填、浅埋段地表预注浆、山体裂隙处理、换拱段预先加强以及专用换拱台车制作一一进行落实。

6.1小导管补充注浆

根据左线初支严重变形段在7月16日和8月15日拱顶发生两次局部坍塌，坍落体中前期注浆体均呈松散块状，分析原因主要是原来对围岩的注浆因塑变挤压影响，受力结构已遭到破坏，丧失了稳定。

为保证开挖及换拱过程中人员及机械设备安全,防止岩体受力太大而坍塌,因此需要对拱部及局部边墙采用Φ50mm，L=4.5米长小导管再次补充注浆。

小导管采用钢花管，环、纵向间距1.0米,梅花形布置,在每榀初期支护钢架与小导管连接处将小导管与钢架锁死,以保证在开挖拆除拱架时的安全。

浆液采用1:

1水泥浆液,注浆压力：

0.8～1.2MPa。

6.2临时支撑

在换拱前，重要的一环是对初期支护钢拱架施做临时支撑，避免压浆或置换过程中原初期支护钢架失稳，利用换拱台车每间隔一榀对初期支护钢架连接处采用Ⅰ20工字钢架设临时竖撑、横撑，横竖撑间采用Φ22钢筋连接。

另外，由于换拱台车长度有限，对拱部变形较严重部位采取直接支立临时型钢支撑。

6.3开挖及钢架拆除

开挖及钢架拆除顺序：

充分利用换拱台车长度，采用先墙后拱顺序开挖，且每次只能开挖一榀，开挖主要以人工风镐开挖为主，尽量减少对围岩的扰动。

开挖预留变形量20cm。

（上述原因删除图片）

现场掏槽开挖照片

6.4施工辅助措施

采用L=4.5米、6米双层超前小导管预支护,小导管按纵向间距2.4m,环向间距0.3m布设。

并将置换后钢架与注浆环向小导管焊接以增加稳定性,确保施工安全。

6.5置换

开挖前要将制作好的Ⅰ20a钢架及钢筋网运至现场，喷浆机等设备调试好，按设计开挖轮廓线人工采用风镐修出欠挖部份围岩土，割除侵限部份工字钢拱架、钢筋网片、连接筋，切除原注浆导管、锚杆侵限和影响施工的端头部分，按设计要求挂设钢筋网，换上新加工的钢架并进行可靠连接，同时利用注浆导管和锚杆端头将钢架与钢筋网焊接固定，完成后立即进行C25喷砼作业，待喷砼强度达到设计强度后方可进行下一循环开挖。

6.6二衬施工

对已换拱段，在监控量测数据显示围岩已经稳定后，采用二衬台车半位施工5米一段及时浇筑二衬。

7安全保证措施

7.1换拱台车加固

在台车就位后，将车轮前后卡死，防止移动，同时对台车安装轮胎的横梁进行加固处理，防止台车受压力过大发生危险。

具体措施为用工字钢加工四个顶撑台座，台车就位固定后，每侧两个台座支撑在台架下部横梁的下方承受荷载。

7.2安全措施

7.2.1所有进入隧道工地的人员，佩戴好安全防护用品。

7.2.2施工人员到达工作面时，先检查工作面是否处于安全状态，如有松动的岩石，立即加以支护或清除。

7.2,3操作空间尽量不要放置杂物，做到有情况施工人员能够无障碍迅速撤离现场。

7.2.4在换拱台车的前后各堆放沙堆，在极度危险的情况下，人员可以跳到沙堆上迅速撤离。

7.2.5现场施工时间设专职安全人员在场监视围岩变化，用哨声通知作业人员撤离

7.2.6施工期间，现场施工安全员和技术人员对各部支护定期检查，当发现量测数据有突变或异变时，立即通知现场负责人，采取应急措施或通知施工人员撤离危险地段。

8月15日拱部滑塌现场照片

7.2.7加强围岩开挖后变形量测，根据量测数据分析结果，反馈指导施工，保证开挖及换拱的安全和质量。

施工中，指定专人对洞内围岩及地面位移变形情况进行观测，出现异常情况立即停工处理。

7.2.8换拱施工期间，隧道施工半径300m范围内严禁爆破作业，如需爆破必须征得领导小组同意，并提前撤离换拱作业人员。

7.2.9在施工段预先安置直径1m混凝土管作为逃生通道，长度不小于20m，随施工进度前移。

高压风管作为救生管道注意保护。

小里程一侧放置应急箱，储存饮水、压缩食品、紧急医用药物、应急通信器材和相关应急物品。

换拱工作面及逃生管道

8.3安全教育

8.3.1施工前对所有现场人员进行全员安全教育，并进行施工操作安全技术交底。

建立换拱专项安全领导小组，落实岗位责任制，从思想上高度重视。

8.3.2在正式施工前，先组织施工人员进行安全规避的操作演练，让每个施工人员熟悉自己的撤离方向和路径，达到能够快速反应为止。

8.4安全物资

配足必要抢险物资，如砂子、灭火器、急救药品、纱布、强光电筒、安全标示。

作业现场要保证一部车辆全时段在工地值班。

施工区域灯光照明按照100W/㎡配置，做到不留死角，以便于换拱施工中险情观察和出现险情后人员迅速撤离。

9总结

小黄川隧道初支变形换拱施工，于2010年7月开始，到9月30日结束，在换拱过程中曾发生两次（7月16日和8月15日）拱部钢架失稳滑塌，由于防范得当，安全措施得到落实，在发现拱部钢架有异常时人员提前迅速撤离均未造成损失。

换拱后立即组织了二次衬砌浇筑施工，各项质量指标经检测满足设计标准，达到了施工前制定的预期目标。

2010年10月10日

附：

换拱施工现场照片

换拱最后剩余5米两端已形成稳定支护后采用小型挖掘机破击锥直接挖除扩拱

掏槽换拱照片（删除3张）

拱顶塌方前20分钟的照片临时支撑已明显变形人员已撤离