雁口山隧道富水围岩初支变形换拱引起塌方的处治技术

1引言
换拱是公路隧道在施工中和营运后发生的危及安全、侵入建筑限界、影响使用功能等较为严重隧道病害的一种较为彻底的病害处治措施，其荷载有较大的不确定性，设计、施工难度较大，技术流程较为复杂。目前，我国隧道施工中，针对初期支护侵入二衬界限的情况，主要是采取换拱的形式进行解决。但是，换拱进度缓慢且存在较大风险，一旦操作不当，极易引起隧道塌方。
2工程概况
2.1隧道及地质情况
雁口山隧道位于青海省玉树州，是国道214线共和至玉树（结古）公路的控制性工程，按照新奥法设计与施工。雁口山隧道为高海拔寒区隧道，隧道进、出口设计高程均在4200m以上，隧道左线ZK746＋010～ZK750＋042，长4032m，为特长公路隧道。隧道所处地区地质条件复杂，属冰缘水流构造侵蚀中山地貌，上覆第四系全新统残坡积层（Qｅｌ＋dｌ4）粉质粘土；第四系全新统坡积层（Q4dｌ）角砾、碎石；第四系全新统洪积层（Q4ｐｌ）粉质粘土；下伏中生界上三叠统上巴颜喀拉山群（Ｔ3ｂｙ）灰黑色页岩和砂岩互层，隧道岩性以巴颜咯拉山群（Ｔ3ｂｙ）灰黑色页岩和砂岩互层结构为主。隧道穿越强风化砂质泥岩、断裂破碎带、富水地层等诸多不良地质，建设难度大。在隧道左洞出口穿越强风化砂质泥岩段，在雨季出现山体富水，导致初期支护拱顶及拱腰大量变形，使初支侵限换拱而引起坍塌，严重影响施工安全和进度。
2.2设计情况
原设计雁口山隧道ZK748＋973～748＋954段围岩属于Ⅳ级，复合式衬砌级别为Ⅳ级，深埋。设计支护参数为：钢格栅花拱架，间距1.0m，C25喷射混凝土厚度500px，超前小导管纵向排距2.4m，每环33根，每根长4.0m。
本段地质超前地质预报判断为Ⅳ级偏弱～Ⅴ级，据此将原设计超前加强支护钢格栅花拱架变更为型钢拱架I18工字钢，间距1.0m，C25喷射混凝土厚度600px，其余支护参数按原设计不变。
2.3塌方概况
（1）雁口山隧道出口端隧道左线在ZK748＋973～ZK748＋964，埋深280m左右，于2013年10月25日在处理初期支护侵限换拱过程中发生大面积塌方，塌方情况见图1。在换拱作业时，前方停止施工，将人员和大型设备撤出，专职安全员及兼职安全员均在现场跟班值守，出现险情时及时预警，故此未发生人员伤亡和大型设备的损坏。

图1　现场塌方情况

（2）初始塌方位置大约在ZK748＋964处，该处25日早约6∶00开始进行侵限换拱作业，将线路左侧拱腰部剥开时（环形长度约3m，纵向长度1m，拱架间距为1m），发现围岩掉块较为严重，暂时终止原已侵限初支剥离施作，并将该处作业人员撤离，准备观察一段时间，同时准备进行喷砼封闭作业。但掉块情况一直较为严重，在约6：20时，ZK748＋964附近四榀拱架从拱部垮落，约5min后ZK748＋964～ZK748＋973段全部塌方，将防水板铺挂台架砸塌并掩埋，并将已完成二衬拱部局部砸塌纵向长度约2m长的豁口。
（3）换拱作业
1）因该段在中、下台阶及仰拱施作后，受雨季影响一直处于变形状态，使初期支护拱顶及拱腰变形侵限达500px～750px，故增设了间距1.0m的I18工字钢备拱及径向注浆措施，变形得到了控制；
2）为了保证二衬厚度，需换拱处理，在换拱前先拆除套拱，然后对初支侵线部位进行换拱。换拱均按照1榀拱架间距进行剥离更换，同时左右侧分开错位作业，将原有侵限初支剥离后立即进行喷砼封闭，然后再进行新拱架安装作业，确保换拱作业安全；此次坍塌是在拆除拱架侵线部位时，该部位就像打开粮仓的窗口一样出现塌方冒顶，长度约9m，斜向高度约15m；也导致ZK748＋964～ZK748＋900段初期支护变形侵限加剧和局部开裂塌方。
3塌方原因及处置措施
3.1塌方的主要原因
（1）该段施工掘进时掌子面围岩为炭质页岩和细砂岩互层结构，节理、裂隙极其发育，围岩整个呈破碎状，围岩综合强度低，岩体破碎，整体性很差，基本无自稳性，处于断层破碎带，见图2。

图2　破碎塌体

（2）在隧道掘进时爆破开挖对围岩的扰动，使拱圈外围岩体形成了较大松动圈，岩体无自承能力，容易失去稳定。
（3）围岩受雨季影响，山体富水使原有微量自承能力的转化为荷载，导致初期支护变形大面积侵限。此次塌方冒顶是套拱撤除后，再次进行了Ф42小导径向注浆后，进行托换侵限部位拱架时引起的突然大面积塌方。
3.2塌方处理原则
（1）针对此次塌方及塌方引起初支变形的不同段落情况，并考虑施工重新开挖、重新换拱，防止再次坍塌；
（2）防止已塌的掌子面继续滑塌，固结松散岩体，对塌方体进行固结封闭，防止塌方继续扩大。
3.3塌方处理措施
（1）掌子面处理：外露坡面满铺φ6.5＠625px双向钢筋网片，并采用250px厚C25喷射混凝土封闭渣体，防止渣体体滑塌，使之形成新的掌子面。
（2）塌腔处理：塌方后拱顶上方空腔ZK748＋973～ZK748＋964段，对塌方体小范围清理后，预埋2～3根不同角度的混凝土泵送管，采用C25混凝土分层灌填（每层厚度1m），总厚度为拱顶以上2.5m～3.0m（分层灌填时间间隔不小于1d），使塌腔形成固结圈，部分水泥浆液流入围岩体内固结；其上混凝土未灌实的余腔采用注浆灌实（注浆压力≥1.0MPa），以保证一次处理不留隐患，待塌腔灌注C25混凝土达到一定强度后，再重新开挖。
（3）塌方段开挖：塌方段采用采用三台阶七步法开挖，加密超前导管（并在混凝土防护不到的地方注浆）的方法缩短每循环处理距离，对塌方段逐榀掘进，采用I20以上工字钢，间距1250px，双层钢筋网片，650px厚喷射混凝土。（4）对岩体已扰动初支变形的围岩破碎段：采用长4m的Ф42小导管注浆加固，2m×2m梅花型布置，并采用水泥－水玻璃双液快凝浆液。配比拟用水泥浆水灰比1∶1（重量比），水玻璃按水泥重量的5％掺配。其中水泥选用普通硅酸盐42.5R型水泥，双浆液中的水玻璃波美度40—45，模数为2.9～3.1，注浆压力大于0.5MPa后20min或单根管注浆量大于3m3时，停止该根小导管注浆（注浆浆液采取双液浆，水泥浆与水玻璃体积比按照1∶0.05）；待所有径向导管注浆完成24h以上后，再对需换拱地段采取机械法对原初期支护逐段剥离，做到先支护后拆除，先采用I20型钢拱架，间距1250px以内，双层钢筋网片，650px厚喷射混凝土，再逐榀对初支侵限段落进行拆除，或侵限部位拱架两侧先凿槽绑I20型钢拱架，搭接长度1.0m，并单面焊，上、下两侧各2根Ф42注浆小导管锁定，再喷射650px厚混凝土，待喷射混凝土达到80％的强度后，再割去侵限部位拱架。
3.4塌方处理效果
按以上方案处理后，洞内开挖支护时，能清晰看到注浆固结体，整体稳定性较好。通过加密埋设拱顶沉降及净空水平收敛观测点，并及时进行跟踪监测记录，对每天拱顶沉降及净空水平收敛进行数据分析统计发现，拱顶日沉降量最大8mm、最小2mm，15天累计沉降量最大76mm、最小48mm，水平位移日收敛最大4mm、最小2mm，15天累计水平收敛最大28mm、最小18mm。同时，在通过该段期间及后期，拱顶沉降及净空水平收敛并没有出现随时间急剧增长现象，且整体最终均逐渐趋于稳定，说明整体支护效果达到预期目的。
4结论
（1）雁口山隧道出口左线施工顺利通过塌方段证明，采用洞内注浆加固和塌腔内灌混凝土，使洞内一定范围内的松散渣体充分固结及开挖轮廓线外塌腔得以灌实，阻止洞内掌子面继续滑塌。同时洞内采用预留核心土环形开挖并加强超前及初期支护，有效地防止了松散围岩体继续塌方及冒顶，说明该措施是成功的，施工方案也是可行的。
（2）对隧道进行洞内注浆加固，在很大程度上取决于围岩工程地质条件及注浆的目的。通过高压注浆，将浆液材料压入松散渣体进行充填、固结，改善岩体物理力学性能，提高围岩承载力及整体性。特别是通过注浆，使浆液与渣体固结，堵塞了地层中的裂隙，减小了注浆区地层的渗透系数及隧道开挖后的渗水量，为隧道洞身安全、顺利施工创造了条件。

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