不良地質隧道侵限段換拱施工技術研究

林寶

（廣西北投公路建設投資集團有限公司，廣西南寧 541213）

0 引言

近年來，在隧道工程建設過程中，常會遇到不良地質地段，節理裂隙發育、圍巖富水軟弱、自穩性較差，導致拱部沉降及周邊收斂超設計限值侵入二襯空間[1]，尤其是在強風化砂巖夾粉質土，巖體破碎，自穩性差的地段施工中，圍巖遇水易軟化，隧道圍巖變形加劇，即便采取高強度支護和較大預留變形量，也可能發生初支侵限[2-3]。處理隧道初支侵限主要方法有兩種：一種是整體支架支撐法，另一種是換拱法。其中換拱法具有操作簡單、施工作業順序靈活、空間作業面大等優點[4]。根據蓮花山隧道施工作業條件，保證施工的安全性和施工質量，采用換拱法對初支侵限支護進行拆換[5]。本文結合瑤丹路（二期）蓮花山隧道K2K1+537～K2K1+567 里程段線路實際情況，闡述了隧道初支換拱實施技術要點，為后續類似工程項目設計及施工提供參考依據。

1 工程概況

蓮花山隧道位于南丹縣蓮花塘鄉附近，在河池市南丹縣城以西，為越嶺長隧道，隧道進洞口走向約為206°，出洞口走向約181°，起止樁號為K2K1+430～K2K2+740，設計長度為1 310 m。隧道建筑界限設計時速為40 km/h,雙向2 車道，二級公路標準，凈寬9 m、凈高5 m。隧道平面采用圓曲線、緩合曲線和直線及其組合線形，隧道單向縱坡為-2.75%，最大橫坡-3%，其中Ⅲ級圍巖630 m，約占總長的48.1%，連續最大長度430 m；Ⅳ級圍巖390 m，約占總長的29.8%，連續最大長度180 m；Ⅴ級圍巖290 m，約占總長的22.2%，連續最大長度100 m。超前地質預報顯示K2K1+537～K2K1+567 樁段，隧道側壁圍巖為中風化砂巖與灰巖接觸區，節理裂隙發育，易風化，圍巖極不穩定，局部含水，巖體破碎，砂巖為強透水性，灰巖為弱透水性。

2 初支侵限情況及其原因分析

蓮花山隧道進口K2K1+537～K2K1+567 段設計支護類型為 S5-A型，初期支護參數：系統錨桿采用D25 中空注漿錨桿，L=3.5 m，間距0.5×1.0 m(縱×環）；φ8 mm 鋼筋網15 cm×15 cm；C25 噴射混凝土厚24 cm；I18 鋼拱架，縱向間距50 cm。揭露掌子面圍巖狀況為：隧道進口左幅為中風化砂巖與灰巖，隧道進口右幅強風化砂巖夾粉質土，巖體破碎，自穩性差。按S5-A 襯砌結構設計參數進行開挖與初期支護后，隧道右幅出現初支變形，日最大下沉量為28 cm，累計下沉量最大值達185 cm，隧道右側拱頂、拱腰及邊墻發生侵限，最大侵限值達50 cm。

3 初支換拱施工方案

換拱過程應遵循隧道開挖過程“減少擾動、盡快加固、加強量測、盡早封閉”的原則。做到“早預報、預加固、預支護、開挖工法得當、支護措施到位、快速封閉成環、強化監控量測、及時跟進襯砌”[6-7]。針對蓮花山隧道進口右幅K2K1+537～K2K1+56段右幅頂拱、拱腰及邊墻初支侵占二襯空間的問題，經專家論證、設計出圖確認，給出了處理該隧道初支侵限段的基本方法：拆換拱架時，拆除一榀鋼拱架后，立即安裝新的拱架，待全環初期支護完成后，才可進行下一榀鋼拱架的拆除置換工作。拆除侵限初支時使用風鎬鑿除初期支護，按設計開挖輪廓線人工鑿出欠挖部分圍巖，割除侵限部分工字鋼拱架鋼筋網片、連接筋，不得使用大型機械拆除侵限初支及擴挖施工，換拱施工嚴禁使用爆破作業。拆除變形侵限初支前按設計要求注漿固結圍巖，并設洞內復拱，復拱與初支間的空隙采用木楔楔緊，并噴射混凝土加固。

3.1 設備配置和現場施工材料情況

為便于換拱施工，保證施工安全與質量，現場施工材料、機械使用情況如表1、表2 所示。

表1 蓮花山隧道換拱材料使用計劃表

表2 蓮花山隧道換拱機械使用計劃表

3.2 換拱的技術難點

技術難點：變形侵限的初支結構拆除要求速度快，避免圍巖裸露時間過長造成塌方等不利情況出現；要求擾動小，盡量降低對需要擴挖以外圍巖的擾動。蓮花山隧道初支變形侵限段夾有粉質粘土、地下水發育，在換拱過程中擴挖保證圍巖的穩定亦是施工難點之一[8]。

3.3 換拱技術參數

1）新拱襯砌類型采用S5-A（其中縱向連接采用型鋼連接、取消徑向φ25 中空注漿錨桿)。新拱施工前根據揭露的地質狀況，復核仰拱地基的穩定性。并在新拱拱架施工時加強鎖腳處治，二襯施工循環長度宜為6 m；

2）注漿固結圍巖，采用長3.5 m 的50×5 mm 注漿小導管注水灰比為0.8：1 的水泥凈漿，添加水泥重量5%的水玻璃，注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa，注漿順序自拱兩邊向拱頂，導管縱、環向間距為1 m，按梅花型布設；

3）換拱時逐榀拆除侵限段初支，并逐榀進行支護，以至隧道侵限段落換拱完成。換拱的超前小導管由φ50×5 mm，鎖腳鋼管長3.5 m 的φ50×5mm 鋼管；

4）隧道換拱段的環向盲管及橫向排水管加密至3 m/道，以防運營期出現襯砌滲漏水問題。

3.4 施工工藝流程

施工準備→測量確定換拱段落→徑向小導管注漿加固→護拱施工→拆除護拱→拆除侵限的初支→隧道斷面擴挖→重新施工初支→監控量測→二襯施工。

3.5 換拱具體施工方法

3.5.1 測量放樣確定換拱范圍

施工前認真研讀設計變更文件，對隧道測量基準點進行重新校核，并根據施工需要設置縱橫斷面施工控制點，確保施工放樣準確無誤。隧道換拱段沿縱向每3 m 測量放樣出中樁，使用油漆或鋼釘作標記，并記錄對應高程，全站儀設站于該點上，測量隧道初支斷面輪廓線，由一側仰拱面起開始采集數據，沿輪廓線每1.0～1.2 m 采集一次，繪制斷面圖，現場使用紅油漆或其它醒目標志標記出換拱的范圍，以指導施工。

3.5.2 超前注漿小導管施工

徑向小導管呈梅花形布設于換拱范圍內，施工前應測量放樣確定小導管施作位置。鋼管前端部加工成錐形，掌子面鉆孔或直接插打。小導管插入長度不小于管長的90%，小導管注漿漿液配比必須經試驗確定[9]。徑向小導管采用Φ50×5 熱軋無縫鋼管，防止長度3.5 m，管壁鉆四排6 mm 壓漿孔，小導管沿徑向布設，縱、環向間距1 m。

水泥采用普通42.5 級水泥；水灰比為0.8：1 的水泥凈漿，添加水泥重量5%的水玻璃，注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa；凝膠時間30 s～3 min；根據初步選定的配合比，測定凝膠時間，直到滿足凝膠時間要求，確定施工配合比；漿液擴散半徑0.3～0.5 m。

3.5.3 換拱施工

對換拱侵限段兩端未侵限段分別進行施做一幅二襯加固隧道。護拱施工前沿隧道縱向每1 m 間距測量一個現有初支輪廓線，以3～5 m 為單元，取一個最小的輪線為基準，制作形鋼拱架，以確保護拱鋼拱架與現有主洞初支貼緊。護拱拱圈采用I18b 工字鋼，縱向間距與現有初支間相對應 。相鄰環向工字鋼采用I14 工字鋼縱向連接，環向間距1 m，護拱與初支間的空隙采用木楔楔緊，鋼架落腳處采用槽鋼鋪墊，護拱鎖腳采用長3.5 mφ50×5 mm注漿小導管固定，護拱鎖腳設于兩側拱腰及拱架落腳處，為減少初支變形不均勻，噴射C25 混凝土加固，蓮花山隧道護拱成型情況如圖1 所示。

圖1 蓮花山隧道侵限段護拱成型圖

換拱時逐榀由下而上進行拆除侵限段初支，并逐榀進行支護，拆除前測量放樣，確定侵限范圍，并做好標志，采用手持風鎬機分層分塊剔除拱架節段的噴射混凝土，拆除拱架節段連接板處的連接螺栓，拆除噴射混凝土、拱架、鋼筋網片時可使用帶單鉤的挖掘機配合，但不得使用爆破拆除，防止對非侵限段混凝土造成損壞。初支拆除后，進行測量放樣，確定斷面擴挖尺寸，擴挖使用人工配合挖掘機進行，拆除的初支和擴挖的巖土應及時清運，施工時，要進行實時測量監控量測，專職安全員現場跟蹤，注意觀察圍巖位移變化，對已經松動的部位要有限拆除，用噴射混凝土封閉拆除面后再進行徑向注漿，以穩固圍巖。根據設計變更及專家論證結果，換拱段采用S5-A 支護類型（其中縱向連接采用型鋼連接、取消徑向φ25 中空注漿錨桿）。拆換拱架時，拆除一榀鋼拱架后，立即安裝新的拱架并采取可靠的連接，充分發揮超前小導管、鋼筋網片對拱架的鎖固連接作用，盡快封閉成環，使得支護體系形成有機的整體。

4 施工控制

1）施工前，項目技術負責人組織落實施工技術交底并形成書面文件，嚴格按照設計圖紙及相關規范要求對鋼筋、剛拱架及連接件進行制作加工，確保構件的精度滿足施工需要。

2）鋼架正式安裝前要進行試拼，節點板密貼無空隙，鋼架的拼裝精度、線型符合設計要求，安裝過程避免生拉硬拽，減少安裝過程產生的不均勻應力。

3）優先選用低水化熱的水泥，骨料的級配滿足設計要求，相關材料使用前要嚴格按設計配合比進行拌制并經試驗驗證。

4）保證隧道施工過程的通風和照明，必要時在相關部位增設射燈，通風電纜和照明電纜分側掛設。

5）隧道通過軟弱底層時,支護應緊跟開挖、盡快封閉、對圍巖施加約束。分部開挖施工過程中應加強對臨時支護的保護。

6）施工過程連續對拱頂沉降及周邊收斂變形進行監測。針對隧道襯砌鑿除階段可能產生的拱頂下沉、周邊收斂的實測位移值及變化率對安全風險進行評估，確定施工狀態。

5 換拱效果評價

換拱實施過程及換拱后，加強對圍巖和支護體系的監控量測。換拱后，換拱段周邊位移呈現出相似的規律，如選取典型斷面，K2K1+545 拱頂（最高點）、K2K1+555 拱頂（最高點）監控量測位移曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 K2K1+545 拱頂（最高點）累計位移曲線圖

圖3 K2K1+555 拱頂（最高點）累計位移曲線圖

由圖2、圖3 可知：K2K1+545、K2K1+555 斷面半個月內累計沉降值呈現先增大后減小趨勢，累計沉降趨于穩定，最大值為分別為95 mm、23 mm，小于設計預警值150 mm。K2K1+545 拱頂位移開始沉降增加，又減緩，然后又快速增加，最后趨于穩定。主要是拆換拱架時，第5 天拆除一榀鋼拱架后，新的拱架未及時安裝，導致K2K1+545 拱頂圍巖暴露的時間過長，第9 天新拱架安裝后，沉降減緩了數天，但由于內部圍巖收到擾動且該部位出現滲水，沉降速率又增加，第13 天對該部位進行了注漿補強加固，沉降速率逐漸減小，圍巖最終趨于穩定。后續大樁號段換拱，嚴格控制換拱過程中圍巖暴露的時間，第9 天拆除一榀鋼拱架后，破除侵限部位后，新拱架當天安裝完成，圍巖的位移形變控制得到明顯改善。綜上所述，蓮花隧道優化施工工藝，采用監控量測與換拱施工同步作業方式，依據量測數據預判變形發生時間，縮短換拱施工作業周期及加強支護，減小開挖擾動和圍巖暴露時間，把隧道位移控制了在設計預警值內。同時結合護拱、縱向連接筋、注漿液、鎖腳等堅固的支護體系，使得護拱、仰拱、鋼拱架成為一個整體，大大降低了不良水文地質對軟弱圍巖的弱化作用，解決了初支侵限換拱施工技術難題。

6 結論

1）蓮花山隧道初支受侵段為隧道進口左幅為中風化砂巖與灰巖，隧道進口右幅強風化砂巖夾粉質土，巖體破碎，圍巖受力不均，產生偏壓，自穩性差，且裂隙水發育，水文地質條件差，是發生初支侵限的外部客觀因素。其次實際揭露的勘探和地質預報存在偏差，施工過程未及時發現處理是發生初支侵限的主觀因素。

2）施工監測數據表明，隧道換拱作業對初支侵限段處理，對隧道周邊圍巖擾動小，可以有效控制隧道形變，提高工程施工質量。此外，換拱工藝工序繁復，應在隧道變形穩定后進行，換拱工序銜接必須緊密，要早封閉，早成環，同時要加強施工過程監測，動態監控隧道圍巖變形情況，必要時補強支護，防止圍巖失穩，確保施工過程安全可控。

3）蓮花山隧道優化施工工藝，采用監控量測與換拱施工同步作業方式，依據量測數據預判變形發生時間，及時調整臨時仰拱施工部位，有利于減小開挖擾動次數，同時結合護拱、縱向連接筋、注漿液、鎖腳等堅固的支護體系，使得護拱、仰拱、鋼拱架成為一個整體。