隧道侵限換拱施工技術研究

摘 要：在隧道施工中，拱頂沉降過大，會造成局部侵入二次襯砌結構帶來不利影響，本文針對隧道暗挖段施工過程中部分拱頂侵限情況進行分析，通過從施工、地質條件等方面綜合分析，深入探討隧道拱頂侵限的原因，提出了一些治理措施，以期對類似工程的施工具有借鑒意義。

關鍵詞：隧道；侵限；換拱施工

1 工程概況

某隧道暗挖段起于X+XXX，止于X+XXX，全長260.75m，隧道下穿繁茂街道及河流。其中X+XXX-X+XXX為明暗交界處，采用Φ108大管棚+CRD法開挖施工，X+XXX-X+XXX段采用超前小導管+臨時仰拱法施工。設計采用Ⅵ級圍巖復合式襯砌，初支拱墻采用175鋼拱架，間距0.65m/榀，二襯厚度60cm。

2 侵限情況

X+XXX-X+XXX段出現拱頂沉降過大，累計沉降最大在X+XXX斷面處為724mm，此段局部侵入二次襯砌結構，最大侵限為X+XXX斷面處56cm。為確保二次襯砌厚度和施工質量，擬對該段局部進行換拱處理。

3 侵限原因分析

從監控量測數據及現場實際情況觀察分析，造成拱頂沉降量較大的原因主要有以下幾個方面：

3.1施工原因

（1）施工過程中，施工工序斜街不緊密，個別循環開挖后，初支施工速度較慢，拱架未能及時落底，仰拱未及時封閉成環導致初支累計變形侵限。

（2）未嚴格按照臨時仰拱法施工要求施工，個別部位未設置臨時仰拱。

（3）施工過程中開挖進尺大，未嚴格按照上臺階每循環進尺1榀，中下臺階每循環不超過2榀，仰拱每循環不超過3m的要求開挖

（4）個別循環左右側臺階未錯開2-3米，且兩側經常同時開挖。

（5）仰拱基底積水排除不及時，導致基底長時間浸泡，降低了基底土承載力。

（6）開挖仰拱時擾動了基底土體，且基底清淤不到位，造成仰拱封閉成環后還連續下沉。

（7）土方開挖時在接近鋼拱架拱腳處時未采用人工開挖，采用機械開挖擾動了拱腳處原狀土，造成沉降。

（8）個別鎖腳與鋼拱架之間連接不到位，搭接長度不足，焊縫不飽滿，鋼筋網片及縱向連接鋼筋未按設計要求施工。

（9）暗洞左側降水井，未達到預期的降水效果。

3.2氣候原因

由于洞頂覆蓋層較薄，且以垃圾土為主，太原市本年度雨水較多，尤其是7、8、9三個月降雨量較大，雨水下滲后土體開始軟化。洞身開挖前，按照設計要求，在隧道兩側打設降水井進行降水，降水后水位下降，土體空隙中水被抽出后，勢必會造成土體收縮變形，從而引起拱頂下沉，初支侵限。

3.3管理原因

（1）前期由于監控量測數據出現錯誤，未能準確反應拱頂下沉量，導致拱頂下沉后，未能及時采取相應措施。此外由于部分點位布設不及時，量測數據未能反應布點前的沉降量，導致量測數據和現場實際沉降存在偏差。

（2）現場管理人員盯控不到位，開挖后立拱架不及時，暴露時間過長。個別拱架拱腳處夯實不到位，導致拱架未能落在堅實基面上，引起拱頂下沉。

（3）工法、工藝設計參數等交底未真正交到作業人員。

（4）現場管理人員責任心不強，未能嚴格要求施工工班按施工工藝進行施工。

（5）發現現場與設計不符時，采取措施不力，管理不當。

（6）現場技術員對設計工藝工法等掌握不太熟練，不能正確指導作業人員施工。

3.4地質原因

（1）X+XXX～X+XXX段洞頂覆土厚度實測為7～8米，表層3～4米為雜填土（主要為建筑及工業垃圾），下層為黃土及黏土，隧道圍巖極為破碎，此外土體含水量較大，土體自穩能力極差，隨著洞身開挖，應力釋放集中作用在初支拱架上，導致拱頂下沉。

（2）由于土體強度較底，鎖腳錨管起不到鎖腳作用，鋼拱架未被鎖死，導致出現拱頂下沉。

4 換拱施工

4.1換拱前的技術準備工作

（1）測量班對初支侵限地段每榀拱架進行斷面凈空檢查，并繪出超欠挖斷面圖。斷面圖所反映出的隧道超欠挖的里程、部位，綜合研究確定出每段合理的換拱部位。

（2）監控量測班組需在換拱前布設好拱頂及收斂監測點，嚴密注意洞內的變形情況。換拱過程中隨時觀察洞內初支變形情況，變形過大時立即停止施工。

（3）換拱前先在換拱地段用14工字鋼制作簡易作業平臺。

（4）換拱前先對侵限部位進行初期支護背后小導管預注漿加固地層，從大里程往小里程沿換拱部位環向打設φ42小導管注漿，小導管采用熱軋無縫鋼管，導管長4m，壁厚3.5mm。管口應埋設牢固，并有良好的止漿措施。注漿孔按梅花型布置。小導管孔口環向間距約100cm，縱向間距1.3cm（每隔兩榀）布置。注漿孔采用風鉆開孔，孔徑約為44mm，注漿材料采用1：1普通水泥漿（注漿小導管布置如下圖所示）。注漿壓力：設計注漿壓力（終壓值）一般參考注漿處靜水壓力加上0.5～1.5MPa進行。

（5）然后根據初期支護斷面測量成果，測量班需確定拱部初期支護侵限范圍，在現場用紅漆畫出換拱范圍，由大里程到小里程順序反向施工。

（6）根據每榀拱架不同的換拱部位采取出有針對性的換拱方案，并進行技術交底。

4.2換拱原則

先利用小導管在換拱范圍內進行預注漿，待注漿達到強度后，先對不需要更換拱架的拱腳部分進行加強鎖腳錨管鎖緊，方可對侵限部位初期支護分單元進行拆除。從已施工二襯段DK7+472向掌子面逐榀拆換，拆除采用液壓破碎炮機輔助風鎬進行，拆除順序采用從下向上、先墻后拱的順序進行拆換，拆除一段，支護一段。每次沿環向1節段，縱向1榀鑿除鋼架初期支護，割除侵限部分鋼拱架、鋼筋網片、連接筋后按設計開挖輪廓線人工修出欠挖部分土體（考慮20cm預留沉降量），然后重新掛設鋼筋網片，更換新加工的鋼拱架并進行可靠連接，然后噴射混凝土，完成一次換拱循環。換拱長度達到1個襯砌臺車長度后，及時施做二次襯砌，保證二襯緊跟。

4.3施工步驟

（1）先對不需要更換拱架的拱腳部分進行加強鎖腳錨管鎖緊，加強鎖腳采用Φ42的熱軋無縫鋼管，L-4m，施作方向與水平呈45°夾角，緊貼鋼拱架施作，鎖腳錨管與鋼架之間采用直徑Φ22的HRB400螺紋U型鋼筋有效焊接，每個拱腳增設不少于4根鎖腳錨管。

（2）待原鋼架拱腳被鎖緊后，再據斷面測量結果鑿除侵限部分初支噴射混凝土，割除侵限鋼拱架、鋼筋網及縱向連接筋。換拱前預先在每榀鋼架切割位置下，人工清除欠挖部分土體，初噴4cm混凝土，安裝鋼筋網，鋼筋網采用φ8㎜鋼筋，網格尺寸為20×20㎝，搭接長度不少于20cm。鋼筋網鋪設要符合下列要求：（1）在初噴4cm混凝土后進行鋼筋網鋪設。（2）鋼筋網片使用前要清除銹蝕。（3）開始噴射時，減小噴頭至受噴面的距離，并調整噴射角度，減少噴砼的回彈量，要求鋼筋網保護層厚度不得小于4cm。

（3）在鋼架上確定侵限范圍，量好切割拱架內弦長（即兩點直線長度），沿半徑方向切割鋼架。

（4）先按Ⅵ級圍巖鋼架設計要求制作好HW175鋼拱架，計算好下料長度，沿半徑方向裁制已做好的鋼架，備好過渡性連接工鋼調節塊。

（5）把焊好的鋼架運至作業平臺上拼裝鋼架，就位調整后定位。

（6）換上的新鋼架與原鋼架間用短節HW175型鋼作為過渡性連接件，再分別在工字鋼腹板和翼板上加強焊接。

（7）在新鋼架上預留超前小導管孔洞，超前小導管采用Φ42的熱軋無縫鋼管，t=3.5mm，L=3.5m，環向3根/m，縱向兩榀格柵一環，施工外插角10-15°，內注水泥漿。

（8）鋼架間設縱向連接鋼筋采用Φ22的HRB400鋼筋，按環向間距1.0m設置，鋼架與縱向連接鋼筋尾部采用焊接，焊接接頭處焊縫不小于10mm。換拱后按照原設計位置施作鎖腳錨管，及時噴射混凝土封閉，完成換拱一個循環。

（9）同樣方法依次換第二榀鋼拱架，換拱至沒有侵限的地段位置為止。

（10）待換拱長度達到1個襯砌臺車長度后，及時施做二次襯砌，保證二襯緊跟。

4.4注意事項

（1）鑿除噴射混凝土之前，必須先把噴射混凝土的鑿除部分與不鑿除部分在分界處切開分離，以防對不鑿除部分混凝土有損傷。

（2）換拱時每次只能更換一榀，嚴禁兩榀換拱同時施作。人工掏槽時注意預留沉降量不小于20cm。

（3）鎖腳錨管打設牢固，U型鋼筋與鋼拱架之間焊接良好。

（4）在施工過程中做好監控量測工作，保證換拱完成后初支斷面的凈空符合要求，侵限部位必須一次清除到位，杜絕二次侵限。

（5）監控量測點的布設要與換拱作業同步進行，嚴格按要求布設好監控量測點，根據監測數據隨時調整監測頻率。

（6）對已換拱段，必須及時、分段進行襯砌。

5 結束語

隧道施工從勘測設計、施工管理、施工技術等方面都有值得總結的地方。只有提前掌握詳細的地質資料，才能有效地優化設計，施工過程中才能有效地指導施工，在過程中出現問題時應及時進行分析與整治，及時采取針對性措施，以期實現隧道施工安全、高效，只有這樣才能有效地確保隧道施工安全。

參考文獻

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[2]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[Μ].北京：人民交通出版社，2010

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵路隧道工程施工安全技術規程[Μ].北京：中國鐵道出版社，2009

作者簡介

周智武，男，助理工程師。2010年畢業于北京交通大學。

（作者單位：中鐵六局集團有限公司太原鐵建公司）