隧道洞顶地表及套拱变形开裂综合处理措施

隧道洞顶地表及套拱变形开裂综合处理措施

马迁

中国五冶集团有限公司   上海    201900

摘要：针对旧寨隧道ZK5+565~ZK5+622段洞顶塌方的情况，明确基本地质状况，分析产生开裂等基本原因，结合实际工程进行综合处理，消除不良地质地段的影响，使工程建设能够顺利的开展。

关键词：隧道洞顶地表；套拱变形开裂；综合处理

1隧道基本情况简介

开阳县科技大道道路工程旧寨隧道工程位于开阳县城西村，距开阳县中心约2公里，该项隧道为分离式中隧道，隧道进出口在设计上均与路基相连，左洞起讫桩号为ZK5+325~ZK6+035，长710m，其中Ⅳ级围岩255m,Ⅴ级围岩425m,右洞起讫桩号为YK5+335~YK6+050，长715m，其中Ⅳ级围岩268m,Ⅴ级围岩417m,建筑限界尺寸为（净宽）14.75×（净高）5.0m，隧道衬砌内轮廓尺寸为（净宽）15.62×（净高）8.035m。隧址区属低中山丘陵类型区，区域上属于1200~1400米高原剥离夷面，地面起伏较大，由许多相对高差在100~200米的风化壳缓丘和半覆盖式岩溶缓丘组成，受河流的冲刷和切割，局部形成低中山沟谷地貌，沟谷深度50~150m，隧道近乎垂直穿越NNE向的山脊，沿线形地形起伏大，总体上隧道进出口两侧地势低，中段地势高，沿线高程1132~1356m，地势最高点位于桩号K5+570附近。隧道进口一侧山体坡度约38°，出口一侧地形坡度约32°。K5+620桩号发育一浅切冲沟，沟内枯季无水，汛期见短时径流。

2现场塌方情况

本次工程塌方主要出现两次，第一次为ZK5+580~ZK5+622段发生洞顶坍方，坍体上口已堵塞至ZK5+580处，渣堆坡脚至ZK5+565处，坍体推力将已支护好的钢拱架顶部共16榀喷射混凝土挤压掉块，经监控单位提供检测成果：确定前方坍口位于ZK5+622处，整个塌方长度为42米，其余部位未见异常情况发生。第二次为ZK5+565~ZK5+580段再次发生洞顶塌方，坍体上口已堵塞至ZK5+565处，渣堆坡脚至ZK5+555，从现场看此坍体系上次坍体的延续。坍体推力导致ZK5+505~ZK5+565，共60m，已支护好的初支，局部喷砼挤压掉块;局部钢拱架拱顶底部出露，拱部渗水严重。此坍体引起YK5+580~YK5+600段拱部喷射混凝土局部掉块，拱部局部有渗水。

3分析过程

    通过对现场地质信息的采集与分析能够发现，第一次塌方原因为坍方段地处断层带附近，岩层破碎，地下水较丰富，围岩压力超常增大，导致已施作完成的初支突然坍塌。第二次塌方原因为由于初期支护不能长久支撑山体压力，应力随着时间在不断变化。 此段围岩已被第一次坍方扰动，更易引起山体压力的增加。突降暴雨，引起岩体变软应力集中，导致本次事故突然发生。

4处理方案

4.1加固

首先对ZK5+505~ZK5+565段及YK5+580~YK5+600段的加固，YK5+580-YK5+600加固地段可视掉块严重程度调整地段。加固措施即在初支临时加设I22b圆弧支撑，两钢架之间留5cm空隙，以备用木楔楔紧，钢架之间设φ22的连接钢筋，环向间距200cm。在拱架打设φ50mm，长4m超前小导管，梅花形布置，ZK5+505~ZK5+520间距80cm×80cm（横×环），ZK5+520~ZK5+565及YK5+580~YK5+600间距100cm×80cm（横×环），小导管注入水灰比1：1水泥浆（添加速凝剂），注浆量按总量和压力控制，压力0.5～1.0MPa，平均每根压浆量为0.315m3，充填率0.08，管口应设止浆塞。导管外露端焊接在工字钢上。当拱脚在仰拱砼上时，在拱脚处打设深40cm孔眼二个，埋设短炮钎，并用铁线与拱架捆紧；当拱脚在岩体上时，在拱脚处挖一个深40cm，长宽各30cm的孔，待拱脚放入就位后，再用C30砼封闭之。ZK5+555~ZK5+565段除按上述加固外，还需安装侧壁钢架，确保塌方处理安全。在ZK5+555~ZK5+565段坍体表面挂网喷射砼，厚度15cm，φ8mm钢筋网间距20cm×20cm，并在喷体内埋设φ20塑料管，以监测浆液溢出情况。下图1和2为隧道洞口段加固处理

4.2平台填筑及探测孔施工

    在渣堆外回填4m宽施工平台。在ZK5+560及附近打设探测孔3根，以探测初支以上渣堆厚度及坍口宽度，在后三段分别设置1根探测孔探测渣堆厚度。其中1#探测孔从ZK5+575处开始施钻，仰角为60°，孔深为27m，2#、3#探测孔布置于掌子面上，仰角为10-15°。探孔施工时应记录好地质情况、孔洞位置，水量大小等原始数据，并及时向监理、设计单位反馈信息，确定管棚施工时是否要调整施工仰角。

4.3超前大管棚施工

    钢管在进场时进行抽丝加工，准备工作完成后，钻机就位开始钻孔时，将大管棚位置标记于掌子面，采用全站仪控制好每孔的钻孔角度。管棚采用跟管作业。即钻孔前将管棚钢管与管楔连接，钻孔时钻头顶着管楔一起钻进，防止松碴塌孔而无法成孔安装管棚钢管，钻孔顺序从上至下施工，管棚每环53根，第一环施工时尾端外露2m，并在该段安设3榀临时钢拱架对管棚尾端进行支撑，并用Ф25螺纹钢将二者焊接牢固，临时钢支撑需落在稳定的基础上，如底部基础薄弱时，先浇筑厚1m宽1m的条形钢筋砼基础，顶面通长铺设14mm厚钢板，以作为钢拱架的有力支撑。 管棚接头采用丝扣连接，丝扣长为15cm，采用φ102×6mm套丝钢管长30cm，为保证受力均匀性，钢管接头应纵向错开，奇数的第一节钢管3m长，偶数的第一节钢管6m长，以后各节均用6m管。装管时，管与管之间的丝扣要上满，然后用钻机顶进，逐节接长，依次顶进，直至到位为止，最后用钢板将管口焊接封堵，预留开关和排气孔以便于注浆。下图3为钢管加工大样图

图3 钢管加工大样图

4.4塌方段开挖与初期支护

    隧道开挖时采用侧壁导坑法施工，为避免爆破对坍塌体的震动破坏，采用液压破碎锤对碴体进行松动，采用挖掘机配合自卸汽车对碴体进行装运，每次掘进进尺为0.5m，避免工作面暴露过大，直至通过该段塌方体。钢架施工利用反压平台人工架设。型钢拱架采用I25b工字钢，临时支护采用I22b工字钢，钢架尺寸及间距按图纸加工及安装，拱脚位置设φ42钢管作锁脚锚杆，连接钢筋环向间距100cm。联接钢板采用14mm厚A3钢加工,相邻两节钢架用。钢架制作、检验：钢架在洞外钢筋加工场按设计加工，每节两端焊上连接板，钢架加工控制平面翘曲度在规范允许的范围内。加工完成后进行钢架检验：检查焊点、结构尺寸、翘曲度等是否符合规范要求。经检验合格的成品编号堆码，并做出相应标识。根据开挖方法先安装拱部，为了使拱部拱架便于与下部连接，安装拱部时在拱脚处垫上垫板并用锁脚锚杆锁固，上部拱脚开挖高度低于上部开挖底线15～20cm。边墙拉槽跳马口开挖，相继安装墙部拱架。安装好的拱架用纵向连接筋连成一体，按设计施作径向注浆钢花管。安装好的拱架按设计施工锁脚钢花管。钢架架立横向和高程允许误差为±5cm，垂直度允许误差±2°,左右纵向误差±5cm。钢架与围岩之间的超挖用喷砼回填，保护层厚度不小于4cm。钢架基脚置于牢固的基础上，钢架拱背与围岩间预留2～3cm间隙作为砼保护层，与围岩间距过大处设垫块。同时也要明确施工注意事项，安装前分批按设计图检查验收加工质量，不合格禁用。安装钢架前，应检查开挖断面的中线及高程，开挖轮廓线应符合设计要求，中线、高程允许偏差为±3cm。清除干净底脚下的虚碴及其他杂物，超挖部分宜用混凝土填充。安装允许偏差横向和高程均为±5cm，垂直度允许偏差为±2゜。按设计焊接定位筋及纵向连接筋，段间连接安设垫片拧紧螺栓，确保安装质量。确保初喷质量，钢架在初喷5cm后架立。沿钢架外缘每隔2m应用楔子临时楔紧。

4.5围岩注浆

    隧道ZK5+505~ZK5+643 段及YK5+580~ZK5+600段采用环向注浆钢管对隧道初支外围岩进行注浆固结加固，其中ZK5+505~ZK5+565、ZK5+622~ZK5+643及YK5+580~ZK5+600段采用Φ50mm，壁厚4mm无缝钢管，单根长4m，每环25根，纵向间距与原设计图拱架间距保持一致；ZK5+565~ZK5+622段拱部采用Φ50mm，壁厚4mm无缝钢管，单根长4.5m，每环27根，纵向间距50cm，边墙采用Φ42mm，壁厚4mm无缝钢管，单根长5.0m，每米16根。为保证注浆钢管的注浆效果更佳，注浆钢花管采用略向大桩号倾斜的方式施工，仰角约47°。注浆钢花管采用风钻钻孔，孔径、孔向、孔深必须满足设计及规范要求，待钻孔完毕，及时安装钢花管，以免塌孔造成无法安装现象发生，最后用钢板将管口焊接封堵，预留开关以便于注浆。待钢花管安装完毕后，管口设止浆阀，立即进行注浆。注浆采用ZJB-3型注浆泵。压注1:1水泥浆液，一定要控制好注浆压力，注浆压力为0.5~1.0MPa。持续5分钟后终孔。

4.6钢筋网施工

    自制作业台车一架，用于架设钢架、铺设钢筋网等作业，钢筋网预先在洞外加工成2×1m的大片，专车运至洞内作业面后进行钢筋网的铺设。钢筋网随高就低紧贴初喷面，并与锚杆尾部点焊或绑扎牢固。锚杆安设后及时进行挂网作业，人工铺网片时注意网片搭接宽度，不小于一个网格且不小于30d。钢筋网采用φ8的钢筋，网格为20×20cm。钢筋网安装做到稳固，密贴初喷砼面，喷砼时不产生晃动。钢筋使用前必须按要求进行除锈、调直，同时做到不改变钢筋性能。

4.7二次衬砌

当压浆强度达到70%强度或七天后，围岩趋于稳定时，在铺设防水板前可一段一段的拆掉临时钢架及外露导管。左洞从ZK5+555向洞口方向进行拱墙衬砌作业，右洞从YK5+600向洞口方向进行二衬作业，以优先保护老坍方体，直至接上既有二衬，待接上既有二衬后再跳至ZK5+555继续向前进行衬砌施工，使坍体缩短暴露时间。右洞也应比照展开二衬，避免长期暴露。

4.8喷射砼施工

    喷射砼采用湿喷机，利用多功能作业台架人工喷射，分初喷和复喷两阶段完成，复喷分多层喷够设计厚度，后一层喷射在前一层砼终凝后进行，以降低砼回弹率。喷射砼由洞外拌合站集中拌料，由砼运输车运到工作面，喷射砼前，用高压风清理岩面粉尘和杂物，喷射作业分段、分片、由下而上顺序进行，分段长度不宜超过6m。保证连续上料，严格按施工配合比配料，严格控制水灰比及坍落度，保证料流运送顺畅。拌合应力求均匀，颜色一致。喷射前检查受喷面尺寸，保证开挖面尺寸符合设计要求。拆除障碍物。清除受喷面松动岩石及浮碴，并用射水或高压风清洗除掉。铺设钢筋网时，作到钢筋使用前清除污锈，钢筋网到喷面间距不小于3cm，钢筋网与锚杆联结牢固，接头应稳定。喷射地段有漏、滴、渗水现象时，应予以及时处理，采取堵、截、排等手段，使砼喷射面无水淋、滴水现象，以保证混凝土与岩面的粘结。

结束语

    本文以旧寨隧道ZK5+565~ZK5+622段洞顶塌方的处理作为研究对象，通过现场实践工作经验的引导，制定出隧道变更加固的基本措施，针对隧道洞顶地表与套拱变形开裂的具体情况，确认加固要点，实施综合处理措施以保障隧道的整体质量不受到影响。隧道洞顶地表及套拱变形开裂的综合处理的研究能够为今后相关工程加固提供合理化参考。

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