隧洞鋼拱架變形段處理施工方法

張 冰

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概況

某工程位于北票市和朝陽縣境內(nèi)，主體工程為引水隧洞，主洞全長17 350 m，樁號 25+800.00～43+150.00。隧洞為無壓隧洞，開挖斷面為圓拱直墻，9#洞主洞控制段樁號為：28+850~32+537，長度3 687 m，坡度為0.14‰，Ⅳ類圍巖開挖尺寸為6.5 m×5.8 m，成洞斷面尺寸為4.6 m×5.25 m。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)開挖揭露情況，拱架變形段樁號：30+555~30+573段已開挖洞段，頂拱圍巖距離山頂距離約為220 m，原設(shè)計(jì)圍巖地質(zhì)條件本段巖性為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組（J2t）安山巖，灰色，灰黑色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，中硬—堅(jiān)硬巖。節(jié)理不發(fā)育—較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面平直光滑—平直粗糙。巖體較完整。該段施工圍巖類別為Ⅲ類。

實(shí)際揭露圍巖地質(zhì)條件該段洞室?guī)r性下部為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組（J2t）凝灰質(zhì)砂礫巖，灰白色，弱風(fēng)化，碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；其中砂礫含量占50%，一般粒徑0.5～3 cm，最大粒徑5 cm。點(diǎn)荷載試驗(yàn)換算飽和單軸抗壓強(qiáng)度為20～25 MPa，為較軟巖。上部為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組（J2t）凝灰?guī)r，灰綠色，弱風(fēng)化，碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。點(diǎn)荷載試驗(yàn)換算飽和單軸抗壓強(qiáng)度為16～20 MPa，為較軟巖。該段洞室節(jié)理較發(fā)育，呈微張狀，巖屑或無充填，結(jié)構(gòu)面平直粗糙-平直光滑。洞室?guī)r體完整性差。在開挖過程中洞內(nèi)溫度較高，一般為26℃~29℃左右。該段施工圍巖類別為Ⅳ類。地下水活動狀態(tài)：滴水。

3 拱架變形情況

2017年8月1日晚19：00，9#主洞下游樁號30+555～30+570開挖支護(hù)后（主支洞交叉點(diǎn)樁號為30+153，距下游拱架變形段樁號30+555約400 m）。發(fā)現(xiàn)右邊墻鋼拱架工字鋼Ⅰ12拱架支腿距離底板2 m處拱架噴射混凝土出現(xiàn)裂縫，裂縫寬0.5 cm左右，故對局部裂縫處進(jìn)行噴護(hù)，并對此加強(qiáng)觀測。至2017年8月2日下午17:00，發(fā)現(xiàn)裂縫增大，拱架右側(cè)鋼拱架工字鋼Ⅰ12支腿發(fā)生變形，最大變形量20 cm。至2017年8月3日早上7點(diǎn)測量變形仍在增大，最大變形量增大到25 cm，且發(fā)現(xiàn)左側(cè)鋼拱架支腿也出現(xiàn)變形。至2017年8月4日早上7點(diǎn)測量最大變形量增大到40 cm。同時(shí)，J30+570~J30+573段3榀鋼拱架也有一定程度的變形。30+555～30+573共計(jì)18榀鋼拱架發(fā)生變形。鋼拱架變形情況見圖1。

圖1 鋼拱架變形情況

4 拱架變形原因分析

該段揭露凝灰?guī)r遇水易崩解，抗風(fēng)化能力差，且該段洞室圍巖有滴水，后經(jīng)近期多次強(qiáng)降雨后，滴、滲水面積及水量明顯增多；根據(jù)勘探期地質(zhì)資料分析該段凝灰?guī)r上部為安山巖，比凝灰?guī)r強(qiáng)度高、比重大，產(chǎn)生法向壓應(yīng)力，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)支護(hù)措施不足以承受豎向壓應(yīng)力，故鋼拱架變形。同時(shí)爆破震動產(chǎn)生的裂縫也是一方面原因。

5 主要施工方法和工藝

5.1 臨時(shí)鋼管支撐

由于鋼拱架變形速度快，為防止鋼拱架失穩(wěn)，控制及減緩圍巖變形，在變形段及時(shí)加設(shè)兩根雙向斜向鋼管支撐和橫向鋼管支撐，作為臨時(shí)加固處理，鋼管直徑Φ159，壁厚4 mm，鋼管兩端分別焊接兩根鋼筋，與拱架連接的地方卡住，防止脫落。鋼管橫撐縱向間距隨拱架間距1.05 m，上下排間距1 m，在J30+555~J30+573上布置，以抵抗洞身側(cè)壓力。臨時(shí)鋼管支撐見圖2。

5.2 加工臨時(shí)拱架

由于變形拱架依靠臨時(shí)鋼管支撐受力，在拆除拱架時(shí)鋼管必須先行拆除，這樣造成頂拱臨空，存在危險(xiǎn)，所以在拆除鋼管支撐前就必須采用臨時(shí)鋼拱架支撐，在臨時(shí)鋼拱架的保護(hù)下才能拆除鋼管與舊拱架，由于臨時(shí)拱架只能安裝在兩榀舊拱架中間，而兩榀舊拱架中間噴射混凝土已經(jīng)隨拱架一起變形，臨時(shí)拱架的加工只能依據(jù)現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，支腿應(yīng)緊貼噴射混凝土面，在拱腰處打入臨時(shí)錨桿固定臨時(shí)拱架，每安裝兩榀臨時(shí)拱架，才能折除一榀舊拱架。

圖2 臨時(shí)鋼管支撐

5.3 加強(qiáng)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

拱架變形后，為加強(qiáng)此段初期支護(hù)，設(shè)計(jì)方對拱架變形段進(jìn)行設(shè)計(jì)變更：將原鋼拱架采用工字鋼I12@1.05 m，變更為工字鋼I16@0.525 m；系統(tǒng)錨桿變更為，邊墻即距開挖地面3 m和4 m的位置及頂拱范圍內(nèi)設(shè)置設(shè)置Φ22系統(tǒng)錨桿（原設(shè)計(jì)僅頂拱范圍設(shè)置錨桿），并且在支腿3 m以上安裝網(wǎng)片；系統(tǒng)錨桿長度由原2 m變更為2.5 m，系統(tǒng)錨桿間距由1.05 m×1.05 m改為1.05 m×0.525 m；連接筋由原Φ22螺紋鋼環(huán)向間距1 m改為槽鋼[10環(huán)向間距1 m；噴射混凝土厚度由原10 cm改為15 cm。

5.4 變形鋼拱架更換

5.4.1 鋼拱架拆除、更換步驟

1）先支立臨時(shí)鋼拱架“A”、“B”；

2）在確保安全的前提下，拆除變形鋼拱架I12“I”；

3）在“I”位置支立新鋼拱架 I16；

4）“I”位置鋼拱架打設(shè)錨桿、安裝鋼筋網(wǎng)片；

5）將臨時(shí)鋼拱架“B”移至“2”的位置；

6）在原拱架位置中間支立I16鋼拱架“1”；

7）“1”位置鋼拱架打設(shè)錨桿、安裝鋼筋網(wǎng)片；

8）對鋼拱架“I”和鋼拱架“1”進(jìn)行噴混凝土；

9）將臨時(shí)鋼拱架“A”移至“3”的位置；

10）重復(fù)以上步驟，直至更換并增設(shè)全部鋼拱架。

具體示意圖見圖3。

圖3 變形段鋼拱架拆除更換示意圖

5.4.2 鋼拱架拆除、更換施工方法

在安裝完臨時(shí)拱加后，進(jìn)行新拱架替換。對拱架變形段先采用風(fēng)鎬逐榀鑿掉噴混凝土、用氧氣、乙炔對該變形段鋼架進(jìn)行拆除，拆除一榀拱架立即進(jìn)行兩榀新拱架的安裝及噴混凝土施工。拆除時(shí)，先將拱架起拱部位的連接板處斷開，進(jìn)行兩側(cè)支腿的拆除，將支腿換上后，再將新?lián)Q的拱架與斷開處的拱架在連接板對接施工。對鋼拱架加固完成后及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測，確定圍巖收斂變形已穩(wěn)定且鋼拱架再無變形后，再撤回臨時(shí)鋼架支撐，最后噴射混凝土作業(yè)。

支立新拱架后再用風(fēng)鎬鑿除拱架之間侵占斷面的噴射混凝土，嚴(yán)禁采用爆破作業(yè)開挖侵占斷面的混凝土，每次開槽處理一榀拱架，嚴(yán)禁一次拆除多榀拱架。

5.5 鋼拱架更換施工注意事項(xiàng)

1）把鋼拱架運(yùn)至作業(yè)平臺上拼裝鋼架，調(diào)整定位后，打錨桿鎖緊鋼拱架；將鋼拱架間縱向連接筋更換為槽鋼[10，槽鋼與型鋼拱架翼板采用焊接，并與翼板焊接牢固。

2）拱架連接的鎖腳、鎖定錨桿均采用“L”型錨桿施工并與鋼拱架滿焊；同時(shí)，鉆設(shè)錨桿須有一定角度。

3）先支立好臨時(shí)鋼拱架，再逐步拆除初期支護(hù)，每循環(huán)拆除縱向長度為一榀鋼架（間距1.05 m），防止塌方及冒頂。

4）拆除后必須及時(shí)初噴。

5）在支護(hù)過程中，如果錨桿鉆不進(jìn)去，考慮采用自進(jìn)式錨桿（長度2~3 m）進(jìn)行施工。

6 監(jiān)控量測

加密監(jiān)控量測點(diǎn)和量測頻率，在每榀鋼拱架支立完成后，布置沉降點(diǎn)和收斂點(diǎn)，以便后期觀察及采取應(yīng)急措施。一般在支護(hù)施工完成后6 h內(nèi)進(jìn)行第一次觀測，取得初始讀數(shù)，及時(shí)反饋信息。根據(jù)測點(diǎn)位移變化速率判斷圍巖穩(wěn)定狀況，當(dāng)隧洞周邊變形趨勢有明顯減緩趨勢，則說明隧洞變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)變化速率過快、過大，或當(dāng)位移-時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)，說明位移出現(xiàn)反常的急劇增加現(xiàn)象，表明圍巖及支護(hù)已呈失穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)并停止換拱作業(yè)。

在加強(qiáng)新安裝拱架的監(jiān)控量測觀測的同時(shí)，對變形區(qū)段相鄰段，布點(diǎn)觀測，及時(shí)掌握圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，研究對策。

7 仰拱封閉

在變形拱架完成更換后，根據(jù)圍巖收斂變形監(jiān)控量測情況確定是否需要仰拱封閉，如果需要，對變形段利用挖掘機(jī)進(jìn)行基底清理，將混凝土、石渣、雜物、泥漿、積水清除干凈，并用高壓風(fēng)吹洗干凈，清至硬基巖面后，進(jìn)行C20混凝土墊層的澆筑。