特大涌水隧道初支換拱技術(shù)探討

王廷璐

(四川路航建設(shè)工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610045)

1 工程概況

飛仙關(guān)特長隧道C7合同段位于四川省雅安市天全縣姜家壩村,是雅康高速公路的控制性工程,起止樁號(hào)K19+702～K24+658,全長4 956 m,C7合同段為出口段,樁號(hào)K22+800～K24+658。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌,隧道穿越紅層區(qū),地層巖性復(fù)雜,其中K23+708～K23+715段主要以為弱風(fēng)化粉砂巖、細(xì)砂巖夾薄層泥巖為主,原設(shè)計(jì)III級(jí)圍巖,初支采用格柵鋼架,間距1.2 m,C20噴混凝土15 cm,設(shè)計(jì)預(yù)留變形量5 cm,開挖后發(fā)現(xiàn)巖體較為破碎且伴有局部滲水,用I16型鋼拱架替換格柵鋼架,間距1.2 m,臺(tái)階法開挖。

2 初支破壞原因

右洞掌子面上臺(tái)階施工至 K23+708時(shí),從左側(cè)拱腳和側(cè)壁發(fā)生涌突水,隧道底部產(chǎn)生瞬時(shí)高壓,造成地板巖體隆起,掌子面坍塌,初支臺(tái)車嚴(yán)重?cái)D壓變形,隧道涌水量峰值達(dá)15萬～16萬m3/d；經(jīng)過三個(gè)月左右時(shí)間后,涌水逐漸衰減穩(wěn)定至4萬m3/d,掌子面附近7 m范圍內(nèi)可見噴射混凝土開裂掉塊,鋼拱架扭曲變形,拱頂偏右側(cè)部位初支嚴(yán)重侵線,最大值20～30 cm。

為防止圍巖在持續(xù)涌水的情況下繼續(xù)加劇變形破壞,以免對(duì)支護(hù)系統(tǒng)造成更大危害,急需盡快更換受損拱架并加固圍巖,恢復(fù)隧道施工作業(yè)面,保證作業(yè)人員安全,進(jìn)行下一步的開挖掘進(jìn)。

3 施工難度

換拱是一種可靠且較為徹底的隧道病害處置措施,缺點(diǎn)是工程費(fèi)用高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,受復(fù)雜地層影響而施工要求精細(xì)化,施工難度大進(jìn)度慢,尤其是采用爆破拆除舊襯砌時(shí),對(duì)圍巖擾動(dòng)大,易引起塌方事故。

在研究右洞掌子面換拱方案時(shí),面臨嚴(yán)峻的施工作業(yè)環(huán)境,臨近掌子面幾榀拱架呈懸空狀,僅靠已受損的施工臺(tái)車支撐,底板洞渣掩埋處的持續(xù)涌水仍高達(dá)4萬余m3/d,底板洞渣掩體以及受損臺(tái)車起到反壓回填作用,不能貿(mào)然清理掌子面,沒有合適的工作面，人工拆除鋼架作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)巨大,一旦出現(xiàn)初支坍塌,極易發(fā)生安全事故。

因此,如何在持續(xù)涌水的情況下安全、有效地拆換受損的初支拱架,是施工中需要解決的難點(diǎn)。

4 換拱施工方案

4.1 拆換原則

拆換應(yīng)當(dāng)按照“先加固,后拆換,緊封閉,防涌水,勤量測,保安全”的原則進(jìn)行。對(duì)于經(jīng)過高壓涌水破壞的圍巖及初支,掌子面周圍巖體含水量大,底板巖體松軟破碎,圍巖自撐能力及初期支護(hù)系統(tǒng)的支撐力已被大大削弱,第一步應(yīng)當(dāng)預(yù)先加固松散的圍巖體、堵截和引排拱頂及拱腰的富水體,待圍巖二次應(yīng)力分布穩(wěn)定后,再采用弱爆破結(jié)合人工切割對(duì)原襯砌進(jìn)行更換。

4.2 施工工藝

4.2.1 臨時(shí)鋼支撐加固

1)在隧道發(fā)生涌突水災(zāi)害后,涌水點(diǎn)的應(yīng)力突變會(huì)引起整個(gè)幾十米范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布,臨時(shí)鋼支撐(見圖1)可以對(duì)掌子面附近初支起到應(yīng)急性加固作用,緩解初支壓力,為而后的處置提供時(shí)間。

圖1 臨時(shí)鋼支撐

2)移動(dòng)新的初支臺(tái)車至距離掌子面7 m左右(K23+715)位置,以該部位為基點(diǎn)施作I18鋼架作為臨時(shí)支撐,并逐步向大里程推進(jìn),為加強(qiáng)鋼支撐加固效果,間距縮小至80 cm,縱向連接筋焊接牢固,拱腰部位鋼架兩側(cè)用3.5 m鎖腳錨桿加固,并噴混凝土直至拱架背部與原初支面完全貼合,并保證鋼支撐落地受力。

4.2.2 注漿加固

采用3.5 m長Φ42注漿小導(dǎo)管對(duì)K23+715～K23+744臨時(shí)鋼支撐段進(jìn)行注漿加固,小導(dǎo)管間距為1 m×1 m(環(huán)向×縱向),呈梅花形布置,針對(duì)涌水情況,選用了水泥水玻璃雙液漿,這種漿液克服了單液水泥漿的凝結(jié)時(shí)間長且難以控制、高流水情況下固結(jié)率低等缺點(diǎn),提高了水泥注漿的效果,使該范圍內(nèi)的巖體膠結(jié),形成一個(gè)承載拱減小巖層對(duì)襯砌的荷載。

4.2.3 管棚加固

1)針對(duì)現(xiàn)場作業(yè)條件, K23+715至K23+708段初支被嚴(yán)重破壞,且該段底板洞渣堆積過多,大股水源持續(xù)從拱底滲出,流速湍急,小導(dǎo)管注漿明顯已不能滿足對(duì)破損段以及掌子面前方加固的要求,分析后采用超前管棚注漿加固(見圖2)結(jié)合排水的方式更為穩(wěn)妥。

圖2 管棚加固

2)長管棚可以形成梁拱效應(yīng),以掌子面前方圍巖支撐和后方圍巖支撐為支點(diǎn),形成一種環(huán)繞隧洞輪廓的殼狀結(jié)構(gòu),可有效抑制圍巖松動(dòng)和垮塌,水泥水玻璃雙液漿經(jīng)管壁孔大量壓入圍巖裂隙中,固結(jié)松散巖體,同時(shí)截?cái)嗨鞑⑹鑼?dǎo)至拱腰管口處排出,管棚形成的梁式結(jié)構(gòu)也可以吸收減小爆破產(chǎn)生的沖擊力,即使管棚失穩(wěn),其破壞也較緩慢,可以減小換拱時(shí)可能產(chǎn)生的坍塌危害。

3)施工時(shí)采用Φ127鋼管,單根打入30 m,拱腰至拱頂打入共計(jì)57根,然后注漿封管,兩側(cè)拱腰位置4～5根鋼管在打入后有水流出,右側(cè)水流湍急,推斷為圍巖上層高壓裂隙水,鋼管留作排水通道,施工時(shí)需提高警惕。

4.2.4 拆換鋼架

拆換前應(yīng)對(duì)加固措施的效果進(jìn)行評(píng)估,確認(rèn)安全可靠才能進(jìn)行拆除作業(yè),對(duì)原損毀臺(tái)車進(jìn)行人工切割拆離現(xiàn)場。對(duì)現(xiàn)場情況分析后認(rèn)為,原初支采用的I16型鋼拱架,間距1.2 m已不能滿足涌水后圍巖的支護(hù)要求,置換新拱架的型號(hào)以及安裝間距需承受更高的荷載,故而采用I20型鋼拱架間距40 cm,拆一榀換兩榀的方式,初支臺(tái)車在移動(dòng)時(shí)遵循邊拆換邊移動(dòng),切忌一次性挖除底板洞渣。鋼架拆換流程見圖3。

圖3 鋼架拆換流程圖

1)弱爆破開槽：確認(rèn)注漿達(dá)到一定強(qiáng)度后,移動(dòng)初支臺(tái)車至作業(yè)面,人工用風(fēng)鎬、鑿刀、電焊割斷鋼架連接鋼筋及單元連接螺栓,在鋼架兩側(cè)采用預(yù)裂爆破方式,遵循“多打眼,少放藥,弱爆破”原則,開挖出沿縱向約30 cm的槽。

2)機(jī)械配合人工拆除鋼架：采用挖掘機(jī)結(jié)合人工風(fēng)鎬分單元拆除鋼架,對(duì)部分已脫離圍巖面的單元,直接用改裝挖掘機(jī)挖除；尚未與圍巖面結(jié)合緊密的單元,不宜用挖掘機(jī)強(qiáng)行外拉,先采用人工風(fēng)鎬破碎結(jié)合面,再配合挖掘機(jī)拆除(見圖4)。

3)擴(kuò)挖工作面：清除槽內(nèi)剩余的連接鋼筋、錨桿,人工用風(fēng)鎬破除噴射混凝土,并及時(shí)清理鋼筋網(wǎng),修整欠挖巖體,擴(kuò)槽至60 cm以便立架嵌拱。

4)嵌入鋼拱架：按設(shè)計(jì)要求,采用兩榀I20型鋼拱架嵌入凹槽,設(shè)置Φ20縱向連接筋環(huán)向間距1 m,鋼架與縱向連接鋼筋采用焊接,有效焊縫高度不小于10 mm,在拱架背側(cè)緊貼圍巖布置Φ8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔20 cm×20 cm,單根拱架打入4根3 m長Φ42鎖腳小導(dǎo)管加固,鋼管與鋼架之間采用Φ22鋼筋焊接牢固,穩(wěn)定圍巖與拱架結(jié)構(gòu)(見圖5)。

圖4 拆除鋼架、清槽擴(kuò)挖

圖5 立架

5)噴漿支護(hù)：采用C20噴射混凝土及時(shí)封閉拱架,對(duì)鋼架與圍巖結(jié)合面必須噴填密實(shí),對(duì)于右側(cè)拱腳涌水處,并埋設(shè)波紋管疏導(dǎo)引流,有大量出水邊角可多打入小導(dǎo)管排水減壓,但必須保證鋼架落地,與圍巖底部結(jié)合緊密,必要時(shí)加密鎖腳錨桿并焊接鋼筋加固。

6)病害段處理：拆換施工作業(yè)持續(xù)至臨近掌子面發(fā)現(xiàn)其中拱腰右側(cè)臨近的兩榀未換拱架已懸空,已完全損毀(見圖6),有垮塌隱患,當(dāng)晚清理淤渣時(shí),上拱頂呈環(huán)形塌方,拱頂處未換拱架已完全垮塌,拱頂形成自然環(huán)形斷面,并未過多形成大面積坍方,可認(rèn)定原拱架已于拱頂圍巖斷開,圍巖應(yīng)力充分釋放,右側(cè)拱頂管棚露出,肉眼可見未受損,此時(shí)左側(cè)有部分拱架還未掉落,為防止對(duì)已換段初支的牽引式破壞,采用挖掘機(jī)對(duì)破損鋼架試?yán)?順利拉出已斷裂拱架,拱頂左側(cè)圍巖情況量好,巖體完整性好、硬度大,右側(cè)有部分破碎圍巖,結(jié)合面差,右側(cè)拱腰位置鉆孔及管棚預(yù)留排水鋼管涌水量增大,掌子面底部有水滲出,待圍巖穩(wěn)定后,回填反壓核心土,變?yōu)槿_(tái)階法施工,初噴穩(wěn)定圍巖,上臺(tái)階立架I20@40 cm,雙層Φ8鋼筋網(wǎng),對(duì)于拱頂坍腔,采用洞渣回填并注漿加固。

圖6 損毀的初支

4.2.5 監(jiān)控量測

拱架更換完成后,由專職測量人員每天對(duì)換拱段進(jìn)行跟蹤測量(測量結(jié)果見圖7),通過對(duì)拱頂下沉、周邊收斂以及洞外地表下沉的測量數(shù)據(jù)整理分析得出,經(jīng)過換拱后的初支已基本穩(wěn)定,日均下沉速率小于0.1 mm/d,變形趨于收斂。

時(shí)間/d

5 拱架拆換注意事項(xiàng)

1)初支拱架拆換作業(yè)是極大的危險(xiǎn)源,要面臨可能的塌方、二次涌突水等,現(xiàn)場施工人員和安全人員必須時(shí)刻提高警惕,做好應(yīng)急救援措施,工人穿著救生衣,就近設(shè)置逃生通道。

2)在拆除損毀初支臺(tái)車時(shí),人工切割作業(yè)靠近掌子面,安全人員應(yīng)注意拱頂變化,當(dāng)有明顯圍巖松動(dòng)掉渣時(shí),指揮作業(yè)人員及時(shí)撤離現(xiàn)場。

3)初支臺(tái)車移動(dòng)時(shí),注意清理洞渣往底板中間反壓回填,對(duì)于掌子面中部以上涌水進(jìn)行改道,盡量不影響排水、方便施工為原則。

4)每日需加強(qiáng)對(duì)臨時(shí)鋼支撐的觀察,有無扭曲變形情況。

5)必須在圍巖注漿穩(wěn)定之后才能施作拆除作業(yè),有水地段需壓注雙液漿。

6)開槽的深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,結(jié)合圍巖情況,預(yù)留好變形量。

7)一次只能拆一榀鋼拱架,切忌大范圍爆破拆除造成塌方。

6 結(jié) 語

在地質(zhì)情況復(fù)雜的四川西部地區(qū),極易發(fā)生涌突水、突泥、巖溶塌陷、瓦斯、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害,雅康高速C7合同段飛仙關(guān)特長隧道發(fā)生了罕見的特大涌突水,對(duì)施工安全造成極大影響,涌水后掌子面坍塌,臨近初支均有不同程度的下沉變形甚至損毀,對(duì)于損毀以及變形量侵線的初支系統(tǒng),更換拱架是有效的處治措施。

在整個(gè)處理過程中,超前加固、拱架置換是兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù),而對(duì)于尚在持續(xù)涌水的隧道,利用管棚超前注漿加固的技術(shù)對(duì)換拱施工起到了關(guān)鍵性保護(hù)作用,加強(qiáng)監(jiān)控量測,把握隧道信息化施工。經(jīng)過各單位的通力協(xié)作完成了這次搶險(xiǎn)任務(wù),飛仙關(guān)特長隧道換拱處治的步驟合理、效果顯著,為后續(xù)的隧道開挖掘進(jìn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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