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1、双线大跨隧道初期支护突变条件下的应急处理方案内容提要 老东山隧道作为云南广昆铁路重难点工程之一，在施工过程中多次遇到初期支护发生变形、开裂和局部坍塌，本文以某次初期支护突变为例从初期支护发生变形、开裂和局部坍塌的原因分析、处理方案的制定和施工注意事项等方面介绍应对该类问题所取得的一些经验和技术，使隧道达到安全快速施工的目的，为类似工程施工提供借鉴。关 键 词 双线大跨隧道 初期支护 突变 应急 处理方案1 前言对于隧道施工而言，开工前会根据该隧道的特殊地质状况制定相应的“隧道施工应急预案”，预案大多数内容空泛、针对性和可操作性差，无法在隧道出现突发事件中起到很好的指导作用；而对于隧道施工现场出
2、现的突发事件，原因的准确分析和方案的快速科学制定是决定能否确保隧道安全快速施工的关键。中铁十二局在云南广昆铁路老东山隧道施工中，多次遇到初期支护发生变形和开裂，由于采取多种方式综合分析形成原因、科学制定处理方案并在施工中能够把握好牵扯安全质量的核心问题，为隧道安全快速施工提供了良好的基础，有一定的推广价值。 2 工程概况老东山隧道为单洞双线隧道，按160m/km客货共线设计，并预留200m/km客货共线条件。隧道全长7578m，其中级围岩3120m，级围岩2700m,级围岩1758m。采用复合式衬砌，最大开挖断面为15361257cm。隧道最大埋深370m；隧道上覆第四系全新统坡洪积、坡残积粉
3、质黏土，下伏泥岩夹砂岩、泥灰岩。洞身发育有老东山断层（F4）、官村至白云寺断层（F2）、哨村断层（F1）和蒙七铺向斜，其中哨村断层（F1）地表破碎带宽5080m，以断层角砾为主。隧道洞身以软质岩为主，节理裂隙发育，完整性较差。3 隧道初支突变情况介绍2009年3月25日凌晨1:00左右，老东山隧道2#斜井DK951+880+886段受基岩裂隙水的影响，发生变形和开裂；通过采取卡口梁和套拱措施暂时确保了稳定;在2009年3月31日上午8:30左右，该段变形、开裂处变化异常，线路右侧初支背后出现小面积坍塌，开始为大块状泥岩，由于对DK951+886+888段初期支护造成了一定破坏，我们组织人员将拱
4、腰上部的拱架采取割断处理，防止牵动其他初期支护段落，引起大型的塌方；据现场观察，该次坍塌范围宽约4米，坍塌深度超过10米，呈喇叭口状，塌体为褐红色泥土夹杂着少量碎石块，部分呈胶塑状；另外伴随着股状地下水，渗水量约为50L/min；坍塌从3月31日上午8:30开始，直到下午6:00塌体堆积并覆盖了坍塌口，外表观察已基本趋于稳定，但渗水依然存在。据现场观察发现，坍塌发生时，DK951+880+886段卡口梁发生了明显弯曲变形；随后进行的围岩量测成果资料显示，最大的边墙收敛量和拱顶下沉量分别达到了5cm和10cm，数据表明由于DK951+886+888段左前上方坍落体导致了DK951+880+890
5、段的开裂明显加剧，该段初期支护表面的砼也出现了大量剥落，先前实施了套拱拱架段的初期支护也因无法及时的处理整治，变形开裂最终在2009年4月6日14日延伸为DK951+863+890段初期支护轮廓已无法满足后续的二衬净空要求，需要对该段进行全面的换拱处理。4 原因分析4.1 地质因素根据地质预报的结果得知，该段围岩为泥岩夹砂岩，节理裂隙发育，呈松散状，局部有渗水，判断为级围岩；据技术人员所做的地质素描成果图和现场人员对实际施工中反映的地质状况描述，该段围岩为紫红色泥岩，泥岩夹砂岩，岩质软弱，岩体破碎，层理不清，挤压严重、破碎，石质较软，手可抓动，局部渗水严重，自稳性比较差，该段埋深约为10012
6、0m，。这些描述与地质预报反映的地质状况基本吻合，但根据现场围岩量测和宏观反映的情况来看，从2009年3月14日施工以来，该隧道地质状况一直较差，而且以左侧偏差更为明显，现场也反映出左侧初支表面的裂纹远比右侧多。而从塌方情况看，该段初支背后的围岩结构极为松散，颗粒间无胶结或胶结差，容易在施工过程中产生坍塌。根据上述地质状况和现场情况分析后认为，该段极有可能为穿越了挤压破碎带或岩脉穿插带或节理密集带等碎裂结构地层，由于初期支护薄弱，加上受基岩裂隙水的影响和围岩潜在应力的释放，承压快，初期支护失稳后产生了塌方。4.2 施工方法和措施不当对2009年3月25日发生的DK951+880+886变形、开
7、裂段问题，我们虽然引起了高度的重视，在抢险工作上投入了大量的人力、物力，但由于前期采用的钢支撑架设质量欠佳，支撑与围岩不密贴，两者间的空隙填塞不密实，或联接不够牢固，不能满足围岩压力所需要的强度要求；同时对产生变形、开裂的原因分析不够透彻或判断不准，在初期支护表面出现裂纹和拱顶下沉以及围岩收敛没有尽快摸清规律，导致了现场采取的横向纵向临时加固措施不够强；另外由于注浆工艺掌握的不够好或专业性不足，导致的注浆效果不明显等原因，变形开裂段没有及时得到全面的封闭和加固，暴露的时间过长，引起了初期支护背后的围岩松动，加上地下水的不断侵蚀，招致了塌方的发生。4 处理方案4.1 回填土反压当前的坍塌已对后方
8、的初期支护造成了一定的拉动，局部已开始出现变形和开裂；为防止其进一步扩大并为后期处理创造一个比较好的操作平台，要求继续拉碴对坍塌处和坍塌体的线路左侧进行土体回填反压，回填土体施工至上导坑拱脚以上1米处后，对回填土体表面进行喷射砼覆盖，厚度为510cm；另外要做好相关的排水工作。采取这一措施可以有效遏制坍塌部位塌体的继续滑落，同时表面喷射的砼封闭面在后期处理中可以为变形观测提供良好的目测依据。4.2 套拱拱架安装按照处理塌方“先处理未塌部位、再处理塌方地段”的原则，在DK951+890+895段初期支护进行加固，防止塌方的扩大。初期支护加固采用18型工字钢架，纵向间距为1米，共计安装57榀，采用
9、环向25钢筋连接，上、中、下导分别设置42锁脚锚管，锚管长度为4.5米。随后进行挂网喷射砼封闭。4.3 仰拱施工完成DK951+888+895段初期支护加固工作后，为尽快使该初支体系成环，随后要立即组织进行DK951+914+890段的仰拱施工。仰拱施工按照“挖一米、安装1榀拱架（自行增设）、三米浇注一次砼”的方式逐段进行，直至仰拱抵达当前的下导坑掌子面为止。4.4 注浆施工由于塌体已完全堵塞了坍塌口，无法进入塌方范围进行相应的支护，需要对坍塌部位和塌体分别进行注浆加固，然后进行换拱和“穿”的办法在塌体内进行中、下导坑的开挖和支护、衬砌工作。注浆段落初步定为DK951+865+890段隧道前进
10、方向全断面5径向注浆，段长15m，注浆范围为全断面开挖轮廓线外5m。首先在该范围拱墙位置打设42小导管，L=6.0m，间距1.0m梅花型布置，注水泥-水玻璃双液浆，注浆压力0.5-1.0Mpa，W/C=11。本次注浆由大里程向小里程方向推进，从下至上、边打边注的办法进行；通过注浆处理，将会对上、下部松散围岩起到很好的固结作用，为下一步的顺利施工创造条件。最后根据注浆过程注浆孔探测及注浆效果检查决定是否对注浆段落、注浆方案进行调整。4.5 换拱和拆除临时支撑待注浆坍塌部位和塌体分别进行注浆加固工作完成后，对其施工质量进行检查，根据现场围岩量测数据分析情况确定对初期支护拱架侵限段落进行换拱的具体时
11、间；拆换拱架采取在原有拱架之间安装新拱架，随后增设卡口梁，然后拆除原有拱架的办法逐榀进行。具体实施前，首先要施作超前小导管，随后按照每循环进尺0.4米的原则逐榀进行安装和更换。考虑到该段初支背后围岩压力较大，换拱拱架采用双层I20b工字钢架（内轮廓线按照设计轮廓线考虑预留变形量并加大30cm），钢架纵向间距为50cm；换拱过程总应辅以42超前小导管（环向间距2025cm）并在每榀拱架各拱脚增设8根4.5米长的42锁脚锚管。施工过程中应特别注意，务必在坍孔处预埋150和80钢管各两根，待该段初支成型后通过预埋的150钢管向塌孔内注入C20砼对塌孔进行回填，形成塌体护拱；另外可根据实际需要，通过预
12、埋的80钢管向坍塌处纵向5米范围内注水泥水玻璃双液浆来固结塌孔处围岩，最终加大后期支护的承载力，确保中、下导坑落底的安全；另外在落中、下导之前应对原初支背后进行注浆回填工作，方法同上导坑。4.6 衬砌措施随着换拱的逐榀推进和中下导坑的顺利落底，二衬施工要逐段推进、快速成环，在条件允许的情况下，最好由塌体的两端对向施工，随即回填密实。另外，因为塌方段衬砌荷载比未塌前增大，所以衬砌要加强，但是，加强衬砌避免采取加厚衬砌的方法，应优先考虑采用提高混凝土标号及于衬砌内加钢筋或型钢或钢轨和进一步加固稳定塌穴以减小衬砌荷载等措施；5 施工原则及其要点5.1对于隧道围岩地质状况较差地段，不是被动地承受围岩挤
13、压力而是主动加固围岩，从提高围岩力学性能着手，从源头上减小挤压力，其主要措施是提高型钢使用标准、锚杆和注浆工作，使隧道周边形成加固圈，由加固圈承受一部分荷载。5.2通过将系统锚杆和锁脚锚杆更改为锚管并加长施工,将支护的荷载通过锚管传至深部稳定岩体,让深部围岩帮助受力。5.3初期支护应是柔性的,应能允许洞壁发生较大的变形(位移),从而消耗围岩中储存的能量。5.4隧道初期支护的预留变形量必须留足,防止初期支护变形而导致二衬厚度不够。实践经验告诉我们，因预留变形量不足而导致的换拱等危险作业和工期、成本上的巨大浪费是很遗憾的。5.5仰拱和二衬与掌子面的距离也是控制隧道初支变形开裂延伸和发展的关键因素，
14、 一般情况下仰拱施工：级不大于90米、级不大于50米、级不大于40米；二衬施工：级不大于120米、级不大于90米、级不大于70米。5.6 施工过程中，应特别注意隧底的处理，仰拱在开挖后应立即浇注，困难时应采取加设长锚杆等临时措施。6 结束语对于突发性的隧道初支突变引起的变形、开裂和局部坍塌情况，首先要通过分析围岩量测数据、反复查看现场和调查变形段施工时的地质情况对造成变形开裂和局部坍塌的原因做出准确的判断，有针对的提出施工方案。老东山隧道在初期支护突变条件下，通过采用卡口梁做横撑、设置施工平台、套拱拱架等手段，有效的阻止了变形、开裂和局部坍塌的加剧，安全顺利通过，为类此情况提供了可参考的施工经验，有一定的实用价值。5