高速鐵路隧道初期支護變形侵限換拱施工技術研究

摘要：為研究隧道初期支護變形侵限后快速有效處理的方法，文章以某高速鐵路隧道初支變形侵限為例，分析了該隧道初支變形侵限的原因，并提出了安全高效的換拱施工方案。此次換拱未出現(xiàn)任何安全事故，達到了降低對工期的影響、保證隧道施工質(zhì)量和運營安全的目的，可為類似隧道初支變形侵限換拱施工提供參考。

關鍵詞：隧道；初支變形；侵限；換拱施工

中圖分類號：U455.7 A 30 102 3

0 引言

大多數(shù)鐵路工程項目區(qū)域的地質(zhì)條件都是比較復雜的，地質(zhì)中土層的分布與強度等因素都會影響設計及施工的具體方向，設計方案對于鐵路工程建設的重要性不言而喻，其準確程度是工程項目成功建設的關鍵。但在實際情況中，地質(zhì)勘察會受到很多因素的影響，使得勘察結果與實際要求出現(xiàn)一定的偏差。如地勘的偏差，隧道施工往往存在諸多不確定因素，如地質(zhì)條件較差、施工工藝不合理等，隧道開挖且初期支護完成后，拱部易受力變形、下沉侵限［1］。近年來，隨著眾多高速鐵路項目的建設實施，初支變形侵限事件時有發(fā)生，必須采取快速有效的措施處理，才能減少對工期的影響，保證隧道施工質(zhì)量和運營安全。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某高速鐵路隧道位于廣西南寧市境內(nèi)，為低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，坡面植被發(fā)育，隧道最大埋深約為 163 m，最小埋深約為 12 m。隧道起訖里程為DK85+350～DK87+120.47，全長為 1 770.47 m，其中正洞洞身Ⅴ級圍巖總長為 1 184 m，Ⅳ級圍巖總長為 520 m，明洞及洞門總長為 66.47 m，設計為單洞雙線隧道，線間距為 5.0 m。

1.2 初期支護變形地段原設計情況

隧道進口DK85+832～DK85+935段埋深為 100～140 m，洞身地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組砂巖夾泥：褐紅色，隱晶質(zhì)結構，中厚層狀構造，礦物成分主要由石英、長石組成，泥鈣質(zhì)膠結，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較軟。其中DK85+527～DK85+980段洞身圍巖物探揭示巖體電阻率低阻異常（反映巖體中裂隙發(fā)育破碎、含水），為中等富水區(qū)段，圍巖級別為Ⅴ級。

DK85+832～DK85+915段采用Va襯砌斷面進行支護。超前支護為拱部設置 φ42 mm單層小導管注漿；初期支護采用I20工字鋼，鋼架間距為 0.8 m/榀；鎖腳錨管采用2根φ42錨管，長度為 4.0 m；拱墻設系統(tǒng)錨桿， φ8 mm單層鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土，厚度為 28 cm。施工工法為三臺階預留核心土法。

DK85+915～DK85+945段變更后采用Vc襯砌斷面進行支護。超前支護為拱部設置 φ89 mm管棚+ φ42 mm小導管注漿；初期支護采用I22a工字鋼，間距為 0.5 m/榀；鎖腳錨管采用4根 φ42 mm錨管，長度為 6.0 m；拱墻設系統(tǒng)錨桿， φ8 mm單層鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土，厚 30 cm。施工工法為三臺階預留核心土法。

1.3 初期支護變形地段工程地質(zhì)及水文情況

1.3.1 DK85+832～DK85+935段工程地質(zhì)情況

該段屬低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，坡面植被發(fā)育，埋深為 100～140 m。洞內(nèi)地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組泥質(zhì)膠結砂巖夾泥巖，地質(zhì)年代久遠，經(jīng)歷多次地質(zhì)構造運動，受構造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，泥巖巖質(zhì)極軟；加之巖體賦水，泥巖浸水后進一步軟化，呈軟塑狀，強度大幅衰減，圍巖自穩(wěn)能力極低，受施工擾動易掉塊、坍塌。

1.3.2 DK85+832～DK85+935段水文情況

工點范圍內(nèi)地表水主要為季節(jié)性溝谷流水。地下水根據(jù)地層巖性的組合特征、含水介質(zhì)特征，與隧道關系較密切的地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于泥盆系、寒武系基巖裂隙中，主要靠大氣降水補給，動態(tài)隨季節(jié)變化明顯，其中DK85+527～DK85+980段為中等富水區(qū)。工點區(qū)環(huán)境水不具侵蝕性。

2 初期支護變形侵限情況及原因分析

2.1 初期支護變形侵限情況

根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)隧道進口DK85+832～DK85+935段初期支護拱部下沉及周邊水平圍巖收斂變形較大，從而造成鋼架發(fā)生整體下沉及局部變形，不同程度侵占二襯厚度的情況。根據(jù)現(xiàn)場實測，DK85+832～DK85+882.5段侵限位置主要為線路右側起拱線及線路右側邊墻，侵入二襯厚度為 5～22 cm；DK85+882.5～DK85+935段主要侵限位置為拱頂、線路左右側起拱線、邊墻，侵入二襯厚度為 3～36 cm。通過監(jiān)測，目前該段初期支護已處于穩(wěn)定狀態(tài)，為確保二次襯砌厚度和施工質(zhì)量，需對該段進行換拱處理。

2.2 原因分析

（1）隧道進口DK85+832～DK85+935段地層巖性為寒武系小內(nèi)沖組泥質(zhì)膠結砂巖夾泥巖，地質(zhì)年代久遠，經(jīng)歷多次地質(zhì)構造運動，受構造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，泥巖巖質(zhì)極軟；加之本段圍巖巖體賦水，泥巖浸水后進一步軟化，呈軟塑狀，強度大幅衰減。根據(jù)巖層走向：N20°E/45°S，當隧道開挖切斷巖層后，造成隧道線路右側偏壓，導致周邊水平圍巖收斂變形增大。

（2）隧道開挖后，地下水的排泄通路發(fā)生了改變，改為向隧道內(nèi)滲入，在地下水向隧道滲入的過程中，隧道圍巖不斷軟化，圍巖穩(wěn)定性變差，初支承受的荷載不斷增加，當不及時跟進二次襯砌時，初期支護會發(fā)生較大變形，并侵入二次襯砌空間。隨著地下水的不斷滲入，中、上臺階初期支護鋼架底部圍巖不斷軟化，承載力大幅下降，從而造成拱部初支鋼架整體下沉。

3 施工方案

3.1 總體方案

換拱作業(yè)首先必須確保施工安全，總體思路是“先加固，后拆換”，通過利用超前小導管注漿對初期支護侵限段洞頂土體的固結進行換拱，有水時采用徑向注漿加固洞周圍巖以防止換拱開挖時洞頂土體坍塌。換拱時，每次拆除一榀支護一榀。其次，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，DK85+832～DK85+892段預留變形量由前期的 20 cm調(diào)整為 25 cm，DK85+892～DK85+935段預留變形量由前期的 30 cm調(diào)整為 40 cm，以防止換拱完成后出現(xiàn)二次侵限。換拱后，DK85+832～DK85+915段由于初期支護及仰拱部分已施工，因此復合式襯砌按原設計Va襯砌類型進行施工，二次襯砌及仰拱采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為 50 cm，仰拱厚度為 60 cm。DK85+915～DK85+945段復合式襯砌由原設計Va參數(shù)變更為采用Vc襯砌斷面進行加強支護，二次襯砌及仰拱采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為 55 cm，仰拱厚度為 65 cm。

3.2 施工工藝流程

測量檢查并標示處理侵限段落部位→侵限段落小導管注漿加固洞周圍巖→開槽鑿除侵限拱架混凝土、切除連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片，拆除鋼拱架→測量檢查，開挖面初噴→安裝新鋼拱架→施工連接鋼筋、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管等→噴射C25混凝土至設計厚度→開槽處理下一榀鋼拱架，重復以上工作步驟至換拱完成。

3.3 施工方法

3.3.1 拆換前準備

3.3.1.1 封閉掌子面

掌子面暫停施工，采用C25網(wǎng)噴混凝土進行封閉處理，厚度為 15 cm，保證掌子面穩(wěn)定及后續(xù)施工安全。

3.3.1.2 初期支護斷面復測

換拱前，現(xiàn)場技術員配合測量班組對潘村隧道進口DK85+832～DK85+935段目前所有已施工初期支護斷面尺寸進行加密測量，準確定位初期支護侵限部位，用紅油漆標記范圍及侵限數(shù)值，并繪圖記錄，范圍直至初期支護內(nèi)輪廓大于設計內(nèi)輪廓 +5 cm位置，以防處理時正常段變形加大。

3.3.1.3 拆除 42 m長棧橋

因受初期支護侵限影響，二襯安全步距需縮短， 42 m長棧橋占用空間大，影響二襯緊跟仰拱，因此拆除 42 m仰拱長棧橋，后利用片石回填仰拱端頭，后期仰拱開挖采用 18 m簡易棧橋。

3.3.1.4 增加臨時加固鋼架

為加強初期支護承載力，確保換拱施工安全，對既有初期支護采用臨時加固鋼架，設置范圍為初期支護混凝土變形開裂地段以及DK85+880～DK85+892需首先拆換鋼拱架段前后 2 m范圍。臨時加固鋼架采用I20a工字鋼，間距為 0.8 m/榀，鋼架采用I16工字鋼焊接連接，環(huán)向間距為 1 m，鋼架與初期支護密貼并采用C25噴射混凝土覆蓋。具體加固里程段落為：DK85+864.8～DK85+866.4段增加3榀I20a鋼架，DK85+873.2～DK85+874.8段增加3榀I20a鋼架，DK85+897.8～DK85+901段增加5榀I20a鋼架，DK85+910.6～DK85+912.2段增加3榀I20a鋼架，DK85+915～DK85+917.4段增加4榀I20a鋼架，DK85+922.2～DK85+927.8段增加8榀I20a鋼架。

3.3.1.5 增加臨時橫撐

DK85+904-DK85+935段上、中臺階增加臨時橫撐鋼架。臨時橫撐鋼架采用I18輕型工字鋼，結合主洞身鋼架間距，每2榀鋼架設置一處。臨時鋼架與洞身鋼架以螺栓連接，在洞身鋼架相應位置焊接連接鋼板并預置螺栓孔，以便臨時鋼架連接［2］。臨時橫撐采用 φ22 mm連接鋼筋焊接成整體， φ22 mm連接鋼筋間距為 1 m。施工完成后采用C25混凝土回填密實，厚度為 20 cm，增強臨時橫撐剛度。臨時橫撐布置如下頁圖1所示。

3.3.2 加固圍巖

（1）DK85+832～DK85+892段初期支護（無水），仰拱初支、仰拱及仰拱填充已施作完成，整體穩(wěn)定，前期超前支護注漿已加固圍巖。

（2）DK85+892～DK85+935段初期支護（有水）拱墻范圍進行徑向注漿加固洞周圍巖，保證拆換段落巖體穩(wěn)定，預防替換拱架施工造成二次擾動變形加大，防止圍巖坍塌［3］。

（3）注漿施工方法：

①在洞身拱墻范圍沿隧道初期支護按環(huán)向間距 1.4 m、縱向間距 2.2 m、孔深 4 m，以梅花型鉆孔。

②采用快凝混凝土等錨固材料粘接鋼管與孔壁，利用噴混凝土施作止?jié){墻。

③實施壓漿，壓漿過程中進行跳孔間隔壓漿，實施擠密型注漿。

④注漿過程中若發(fā)生串漿，則關閉孔口閥門或堵塞孔口，待其他孔注漿完畢后再打開閥門，若發(fā)生流水，則繼續(xù)注漿，直至每個孔達到注漿結束標準［4］。

3.3.3 拆換

優(yōu)先拆換DK85+832～DK85+846段、DK85+880～DK85+894段初期支護，并及時施工二次襯砌，隨后由兩段已施工二襯的大里程端逐步拆換。拆換從初期支護侵限范圍鋼架逐榀整環(huán)拆換［5］，至環(huán)向未侵限初支鋼架連接板位置，必須嚴格按照每次只拆除一榀鋼架，遵循“拆除一榀，支護一榀”的原則進行初期支護的拆換。步驟如下：

（1）利用鋼筋掛布臺架或開挖臺架，在測量標明初期支護已變形侵限的鋼拱架兩側各 25 cm處開槽，人工用風鎬鑿出 15 cm寬凹槽，用手持鋼筋切割機或氧氣焊靠近需拆除鋼架端，切斷連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)片，使需拆除拱架與初期支護整體結構完全剝離。

（2）人工手持風鎬鑿除剝離侵限部分拱架節(jié)段的噴射混凝土及包裹鋼架的噴射混凝土，鑿除總凹槽寬 60 cm（含鋼架 10 cm），找出連接板的位置并用氧氣焊切割連接板之間的螺栓，拆除初支鋼拱架。

（3）拱架拆除后，測量檢查開挖尺寸是否滿足要求，當滿足開挖尺寸要求后及時對開挖面進行初噴。

（4）按設計要求安裝新的鋼拱架。拱架安裝時，測量員嚴格對拱架進行定位，技術員嚴格控制拱架的垂直度和中線偏位，堅決杜絕二次換拱。焊接新鋼拱架和無侵限鋼架間連接鋼筋及鋼筋網(wǎng)片，施作系統(tǒng)錨桿，拱腳處設置4根長度為 4.0 m的鎖腳錨管并與鋼架進行焊接。

（5）噴射混凝土施工之前再次檢查新鋼拱架尺寸是否正確，確保不造成二次換拱。將新安裝的鋼拱架與前一榀無侵限鋼架間采用噴射混凝土填充密實并滿足設計厚度。

（6）下一循環(huán)侵限鋼拱架拆換均按拆除一榀，支護一榀，逐榀拆換的要求，鑿除總凹槽寬 100 cm（含鋼架 10 cm），重復以上拆除、安裝步驟直至拆換完成。

4 結語

因為隧道施工具有未知性及不確定性，所以在隧道施工中采用的開挖方法及支護參數(shù)應為動態(tài)變化的，其中超前地質(zhì)預報及監(jiān)控量測必須作為一道工序納入施工管理，根據(jù)超前地質(zhì)預報及監(jiān)控量測分析結果，動態(tài)調(diào)整開挖方法，及時變更支護參數(shù)，這樣才能從根本上杜絕初期支護變形的發(fā)生。

本文所述的換拱施工工程未出現(xiàn)任何安全事件，且迅速按期完成變形段的換拱，證明按“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則施工，是隧道換拱施工安全行之有效的方法。可為類似隧道換拱施工提供參考。

參考文獻

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收稿日期：2022-11-28