高速公路隧道初期支護換拱技術研究

高學華GAO Xue-hua

（中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶404100）

0 引言

隨著我國高速公路建設的快速發展，在山嶺地區修建的公路隧道越來越多，我國在復雜的地質條件下的隧道修建技術也得到了飛速發展，但是山嶺地區的特殊地質條件特別是軟弱圍巖給隧道設計及施工加大了不少難度。

在隧道設計中，初支斷面均會預留一定的變形空間，以確保二襯的厚度，但是在實際施工中，往往由于地層壓力、地下水壓力或者突發災害等作用以及施工過程中的人為因素的影響等，導致支護變形過大發生侵限，嚴重影響后續施工。這時就需要進行換拱處理。但是換拱施工難度大，若處理不當極易出現工程事故。

本文結合大廣高速公路上坪隧道右線出口端的侵限處理方案對隧道換拱進行研究，為以后類似工程提供具有參考價值和指導作用的結論和建議。

1 隧道初期支護換拱條件及原則

由于侵限而換拱的前提條件是隧道初期支護結構變形已穩定，一般要求為：收斂速率≤0.2mm/d，沉降速率≤0.15mm/d。隧道換拱必須堅持先支撐、鎖定，再換拱的原則。換拱區域的兩側務必加強豎向的支撐，可以采用臨時護拱。每次拆除一榀鋼架為宜，在拆除前將兩側三榀鋼架支撐穩定，同時必須保證豎向支撐與拱頂和基底為面接觸，為防止其因柱腳下沉而失去支撐作用，接觸面必須固定。確保鋼架連接按照設計鋼板+連接螺栓的方式進行有效連接，對上下連接鋼板進行騎縫焊。此外，對注漿量以及注漿壓力做好記錄，待支撐鎖定和注漿完畢后才能進行換拱施工。

2 工程實例

上坪隧道右線YK17+399～YK20+977全長3578米，是大廣高速公路控制性工程。上坪隧道出口端右洞YK20+959～YK20+880段位于Ⅴ級圍巖，主要由坡積粉質粘土、全～強風化泥質粉砂巖、砂巖等組成，強度較低，遇水易軟化。

近2個月連續下雨的影響，上坪隧道整個山體處于飽水狀態，圍巖軟化，根據監控量測資料顯示前期出現過初期支護收斂，拱頂下沉、地表沉降過大、局部初支開裂等現象，再加上偏壓的原因導致右洞右導洞出現大量變形，出現嚴重侵限現象，為了保證二襯施工質量及施工安全，必須及時對隧道洞內右洞YK20+947～YK20+880段初支拱架進行替換（左導坑掌子面里程YK20+895，右導坑掌子面里程YK20+880，中導坑掌子面里程YK20+916）。

圖1 初期支護斷面侵限示意圖

3 重難點分析

隧道侵限區域位于Ⅴ級圍巖中，由坡積粉質粘土、全～強風化泥質粉砂巖、砂巖等組成，在雨水侵蝕下，圍巖軟化明顯，強度進一步降低，且存在偏壓，同時初支已出現開裂現象，隨時都有坍塌的風險。因此，在換拱施工中要盡可能的減少對周圍圍巖的擾動，保證支護結構的穩定和施工人員的安全，所以換拱施工必須簡單易行，減少作業人員在變形區的暴露時間。

4 施工方案

4.1 圍巖加固措施 為了防止在換拱過程中隧道支護結構的安全以及替換的初期支護不會發生較大的變形，因此，在換拱之前需要對圍巖松動區域進行加固處理。

①YK20+880～YK20+959斷面徑向采用直徑為φ42，長度4米小導管對初支進行注漿加固，水泥漿水灰比1:1，間距1m*1m梅花型布置。

②YK20+918～YK20+942段進行臨時支護，采用豎向I22b工字鋼，縱向間距2.5m，加設范圍隧道中線左2米，橫向I18工字鋼，間距2m，頂部設2m縱向橫梁，并加設I18工字鋼斜向支撐，鋼架寬2m，間隔5m設置2榀，為使支撐鋼架保持整體性，須加設φ25鋼筋進行縱向連接，間距50cm，焊接牢固。

圖2 臨時支撐示意圖

③在支護完成后由于連續強降雨，洞口段圍巖壓力過大，鋼架整體受力彎曲，已起不到支撐作用，在YK20+932～YK20+942隧道中線及右側偏壓處設置兩道混凝土立柱對初襯進行支護。

圖3 YK20+942～932混凝土立柱示意圖

④因洞頂框格梁正在施工，當換拱施工至YK20～935時，為保證洞內施工安全，預防初支變形、掉塊，造成塌方，須對YK20+916～YK20+932段進行加固，循環設置臨時護拱，采用I25b型鋼，間距50cm，拱架與初支面的間隙應用木楔塞緊，C20噴射混凝土厚31cm，加設I20b臨時仰拱（26cm厚C20噴射混凝土連成整體），直徑φ400mm的螺旋管，間距2.5m，頂部和底部設置兩塊100cm*100cm*1.5cm支撐鋼板，增加受力面積，進行全斷面支護。

圖4 臨時護拱示意圖

圖5 搭建臨時護拱

4.2 初支換拱施工工序 在支撐鎖定注漿完畢后即可進行初支換拱。主要施工工序如下：

①由大里程向小里程方向逐榀對侵限初支鋼架進行置換，每榀置換后及時進行噴射混凝土封閉，置換長度根據現場量測結果靈活確定。

②注漿加固、仰拱成環后，進行換拱施工，換拱采用破碎錘對原初期支護混凝土進行鑿除，采用逐榀替換的方式進行施工。施工時首先施工長度為2.5米，環向間距為40cm的φ42超前小導管，進行超前支護，開挖半徑增大50cm。

③YK20+947～YK20+916段如換拱示意圖圖6所示，進行②、③、④、⑤號拱架替換施工，設置I20b臨時仰拱（C20噴射混凝土連接）。

④YK20+916～YK20+880段左右導坑如換拱示意圖圖6所示，先進行②號拱架替換施工，該部位施做5-8m后進行替換⑤號拱架，待左右側下導施做后進行中央拱頂五號導坑施工，沿隧道縱向每5m設置φ400鋼管進行支撐，頂部和底部設置兩塊100cm*100cm支撐鋼板，及時施做六號導坑，對初期支護閉合，同時每4-5米施工仰拱。

圖6 換拱示意圖

⑤對于拱腳侵限部分根據現場實際情況加大拱架連接處的鋼板，便于換拱時的連接。

⑥右洞所施工的混凝土支撐墻及臨時套拱的拆除與換拱同時進行，每循環拆除進尺與換拱進尺一致。換拱進行5～8米后，初期支護穩定或沉降、收斂無明顯變化時進行二次襯砌施工。

4.3 初支換拱技術要點

①嚴格按設計圖紙加工鋼拱架，檢查其尺寸、焊接等，要符合設計規范要求，所用鋼材進場時按批量和型號分批試驗、檢驗，內容包括：標志、廠家、品種、數量、外觀等，并按規定的抽樣做力學性能試驗，符合要求后才能使用。

②根據中線、水平、隧道斷面和預留沉落量等將鋼拱架架設在中線方向的垂直面上，并力求整齊，同時，支護之間仍按設計要求設縱向連接筋，構成整體，并與圍巖間用混凝土墊塊頂緊。

③新拱架與原拱架間焊接要牢靠、平順。

④鋼架垂直于隧道中線，上下、左右允許偏差±5cm，鋼架傾斜度不得大于2°。

5 安全保證措施

①鑿除噴射混凝土采用破碎錘配合人工施工，嚴禁采用爆破作業。

②置換時確保鋼架連接按照設計鋼板+連接螺栓的方式有效連接，對上下連接鋼板進行騎縫焊，并按照原設計位置施作鎖腳錨管，錨管要緊貼鋼架，并通過直徑φ22的連接鋼筋有效焊接，及時噴射混凝土封閉。

③隧道內應加強照明，漏水地段照明應采用防水燈頭和燈罩。

④隧道內有涌水、滲水的地段應加強排水措施，增加抽水設備，同時地面做好排水溝槽，及時將積水排除。

⑤施作臨時鋼支撐時支護柱腳下虛渣必需清除干凈，底層松軟時應加設墊板或用混凝土加固地基，防止因柱腳下沉而失去支撐作用。

⑥為確保施工安全，鑿出初期支護時必須加強周邊圍巖的監控，若發現周邊圍巖有異常情況則立即停止施工，并迅速撤離所有人員，待圍巖穩定后采取相應措施或報告相關單位進行處理。

⑥拆換初期支護時應逐榀施作，為防止因下臺階變形初期支護拱腳懸空距離過長而產生安全隱患，每次拆換不超過2榀。

6 結語

由于周圍環境的不確定性，所以在隧道施工中采用的方法和技術都應該是動態的，根據工程的自身情況和特點選擇最適合的施工方法。加強對施工期間的監控量測，結合監測結果及時調整支護參數以及施工工藝，防止圍巖產生有害變形。

在換拱過程中一定要堅持先支撐、鎖定，再換拱的首要原則，保證換拱過程中圍巖的穩定性，此隧道的成功換拱無疑為以后類似工程提供了可資借鑒的寶貴經驗。

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