軟弱圍巖隧道換拱施工技術(shù)研究

吳 強

(福建廈蓉高速公路漳龍段擴建工程有限公司，龍巖 364000)

隨著我國基礎設施建設的快速發(fā)展，鐵路、公路隧道建設已然成為各施工單位關注的焦點。 隧道施工過程中圍巖地質(zhì)條件的復雜多樣與不可預見性， 常導致斷面出現(xiàn)較大沉降和洞內(nèi)圍巖變形， 嚴重時會造成初支侵限的情況。 對于初支侵限情況較輕微的隧道區(qū)段需進行消缺處理，當初支侵限情況十分嚴重時，則需要對其進行換拱處理， 保證隧道二次襯砌達到設計厚度以維持支護體系的穩(wěn)定。 隧道換拱施工實質(zhì)上是打破原有受力體系的平衡， 建立新平衡的過程， 即對圍巖壓力進行先釋放再約束。因此，隧道換拱處理危險性較大，難度較高，保證換拱施工過程的安全與質(zhì)量等技術(shù)措施顯得極為關鍵[1-2]。

目前，針對隧道施工過程中換拱處理，國內(nèi)外已有一些工程實例和研究報道。張興來[3]曾列舉了兩處工程實例分別介紹了初支、二襯的換拱過程和方法。 柴峰[4]結(jié)合黃坑一號隧道在軟弱圍巖施工過程中提出了相應的施工處理方案和相關建議。秦海東等[5]精確計算原安裝拱架和改線后拱架位置，順利完成隧洞初期支護鋼架換拱過程。段沛[6]結(jié)合獅子壟隧道初期支護換拱施工的順利實施提出了工藝技術(shù)創(chuàng)新。蒙江濤[7]根據(jù)豹子岔隧道總結(jié)了初支變形侵限處換拱施工的主要質(zhì)量控制方法。馬志國[8]針對V級圍巖提出了換拱控制點。黃俊平[9]根據(jù)新塘隧道初支變形換拱總結(jié)出了不同地質(zhì)條件下隧道初支變形換拱施工的差異和共同點。

本文以福建廈蓉高速公路擴建工程邦山隧道為依托工程， 對換拱前初期支護侵界及典型斷面沉降位移進行分析，科學提出換拱方案，并對隧道換拱施工全過程進行記錄分析與總結(jié)。 以此為今后類似圍巖隧道施工提供經(jīng)驗，達到減少或避免換拱施工，節(jié)約施工成本的目的。

2 工程概況及地質(zhì)情況

廈蓉高速公路擴建工程邦山隧道出口段位于福建省龍巖市新羅區(qū)紅坊鎮(zhèn)，屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡；邦山隧道施工起迄樁號為右洞YK144+700～YK145+711，長1011m；左洞ZK144+703.185～ZK145+719，長1015.815m；屬長隧道。 隧道采用分離式雙洞三車道布置，三車道地段開挖跨度16.7m，緊急停車帶地段開挖跨度19.2m，屬大跨度隧道。 邦山隧道雙洞正常涌水量取值為5200m3/d， 雙洞最大涌水量取值為17146m3/d；隧道巖溶發(fā)育地段、斷層部位，為儲水部位，水量較大。邦山隧道施工圍巖以V 級圍巖為主，V 級圍巖原設計占比77%，根據(jù)現(xiàn)場情況變更后V 級圍巖占比達到91%。邦山隧道現(xiàn)場圍巖產(chǎn)狀多為砂土狀強風化粉砂巖， 夾少量碎塊狀強風化硅質(zhì)巖或砂土狀強風化泥質(zhì)粉砂巖， 粉質(zhì)粘土。地下水呈潮濕狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。整體圍巖呈碎裂狀-散體狀，完整性與穩(wěn)定性均較差。 強風化泥質(zhì)圍巖，加之地下水的影響，現(xiàn)場看來猶如淤泥一般。為施工帶來了較大的不便。

3 初期支護侵限情況

邦山隧道共有三段換拱段， 換拱長度為98m。 其中YK145+000～YK144+960 的40m 初支損壞情況最嚴重，地質(zhì)情況最為復雜。下面以該段作為詳細研究對象。該段采用環(huán)形開挖預留核心土法進行施工。 在拱部120°范圍內(nèi)采用長度為5m，外徑為50mm，壁厚為5mm 的無縫鋼管作注漿處理設置超前支護；每環(huán)均將外插角度15°，縱向間距3.5m 無縫鋼管打入圍巖；初期支護采用工20b 鋼支撐，縱向間距0.7m；拱墻施打長度4m 環(huán)向間距1m 梅花型布置的φ25 中空注漿錨桿；鋼筋網(wǎng)片采用φ6 鋼筋，制作間距20cm×20cm； 拱墻采用C25 噴射混凝土， 厚度28cm；設計預留沉降量為12cm。

YK145+000～YK144+960 段落 在2017 年9 月20 日開始進行上臺階施工， 于2017 年11 月23 日 完成拱腳以上部分初期支護，2017 年12 月17 日完成仰拱閉合。選取右洞YK144+990 為換拱典型斷面，其初期支護斷面掃描圖如圖1 所示。

圖1 換拱段典型斷面YK144+990 初期支護斷面掃描圖

典型斷面YK144+990 于2017 年10 月6 日進行上臺階施工，10 月10～11 日上臺階落底逐漸穩(wěn)定，10 月12日中臺階臨近部分開挖，導致上臺階拱腳懸空，上臺階沉降加劇。 10 月15 日上中臺階連接，中臺階落底，10 月19日上中臺階沉降注漿趨于穩(wěn)定。 10 月20 日下臺階臨近部分開挖，上中臺階拱腳懸空導致沉降加劇。 10 月26 日下臺階落底，沉降速度開始趨于穩(wěn)定。 10 月23 日仰拱初支開始閉合，沉降速度逐漸趨于穩(wěn)定，此階段全部荷載直接作用于初期支護結(jié)構(gòu)上， 導致初期支護在后續(xù)一段時間開始扭曲變形、脫落，如圖2 所示。 典型斷面YK144+990 沉降情況如圖3 所示。

圖2 初期支護出現(xiàn)扭曲變形、脫落

圖3 換拱段典型斷面YK144+990 沉降數(shù)據(jù)圖

開挖過程中， 施工基本處于溶洞或軟弱土質(zhì)圍巖區(qū)域，時有地下水滲漏，圍巖自穩(wěn)能力差，現(xiàn)場揭露實際圍巖與設計圍巖有一定出入。 右洞換拱段圍巖基本上為砂土狀強風化泥質(zhì)粉砂巖、粉質(zhì)黏土、砂土，且多為溶洞填充物，完整性差，穩(wěn)定性差，擾動易掉落。施作超前小導管振動時，拱頂土體容易掉落。 含水量較大，形成爛泥狀土體。該段地表上有一處棄土場，經(jīng)勘測棄土厚度比原地面高出20m，且棄土區(qū)植被稀疏、土質(zhì)松軟、地表水極易滲入。

該段在上臺階初支完成后，就出現(xiàn)了較大沉降。施工中對圍巖地質(zhì)、支護類型、預留沉降量均進行調(diào)整。 但還是不同程度地發(fā)生初期支護拱頂噴射砼剝落， 初期支護側(cè)墻噴射砼開裂、凸起，拱架扭曲、斷裂等現(xiàn)象，部分段落初期支護局部侵入二襯達70cm、部分段落初期支護整體下沉60cm，相應地表也產(chǎn)生多條橫向裂縫。

4 原因分析

(1)地基承載力不足。該段地下水較為豐富，尤其拱腳及仰拱開挖后，有水滲出，軟化隧道基底。 導致地基承載力不足支撐初期支護及圍巖的荷載， 造成初期支護有不同程度的沉降，現(xiàn)場局部掌子面圍巖產(chǎn)狀如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場掌子面圍巖產(chǎn)狀(局部)

(2)直接荷載加大。據(jù)對原地表的測量得知，地表棄土場比原勘察地表厚20m，土堆處于換拱段正上方，局部已開裂，如圖5 所示。棄土場地表植被稀疏，無截水、排水溝槽。 再加上降雨影響，加大直接作用在初期支護的荷載。

圖5 地表棄土場

(3)初支結(jié)構(gòu)強度不足。換拱段支護類型種類較多，換拱施工前有Z5、Z5-1、ZDK-1、ZDK-3 等多種支護類型，換拱后有ZDK-5 一種支護類型， 如圖6 所示。 其中，ZDK-3 支護施工工序較為復雜， 現(xiàn)場施工水平有限，并不是雙層同時施工， 且實施后實際效果并不能達到設計預想。

各支護類型及閉合后沉降量如表1 所示。

圖6 支護類型布置示意圖

表1 支護類型及閉合后沉降數(shù)據(jù)表

各支護類型現(xiàn)場監(jiān)測最大沉降量與累計沉降量如圖7 所示。

圖7 支護閉合后沉降數(shù)據(jù)對比圖

支護強度增強或者減弱都會引起沉降數(shù)據(jù)的變化，支護強度越強，閉合后沉降越小，反之亦然，故各支護形式強度為：ZDK-5＞ZDK-3＞ZDK-1＞Z5-1。 由各支護類型及閉合后前后現(xiàn)場監(jiān)測的沉降數(shù)據(jù)對比， 分析結(jié)果表明換拱后支護閉合沉降量明顯減小， 換拱前初期支護強度明顯不足。

(4)施工不當。 隧道初期支護施工時存在諸多施工問題，施工鋼拱架時，拱架法蘭盤連接處孔位不準；高強螺栓連接不牢固；可靠度不高，易松動；U 型連接筋焊接不牢固，焊接質(zhì)量不高；焊縫質(zhì)量不能達到規(guī)范或施工方案要求；鎖腳錨桿施打方向、角度和施作長度均不能達到設計要求；該段隧道拱腳與仰拱處鋼拱架連接不順暢；隧道施工采用人工施工為主， 較多的施工細節(jié)不能達到設計要求，如圖8 所示。

圖8 施工不當引起的不規(guī)范處

(5)管理不足。由于隧道工程技術(shù)度較高，項目部將隧道工程全部分包出去， 導致了項目部在現(xiàn)場施工的管控力度不足或不到位；施工組織安排力度不足；隧道施工不能嚴格按照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針進行施工，換拱前換拱段閉合前后累計沉降量如圖9 所示。

圖9 換拱前換拱段閉合前后累計沉降對比圖

更為重要的是，在軟弱圍巖施工，仰拱初支閉合時間的長短對初期支護沉降量具有較大影響， 初期支護產(chǎn)生的沉降量80%以上發(fā)生在閉合前。仰拱閉合后，初期支護基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，上中下臺階初支在完成后，由于管理原因，在一定程度上初期支護會發(fā)生沉降。而監(jiān)控量測屬于第三方委托性質(zhì)， 導致監(jiān)控量測反饋的信息存在不及時性，沉降變形已經(jīng)反生并趨于穩(wěn)定后才得到反饋信息；無法做到實時監(jiān)測或者實時監(jiān)測成本過高， 導致隧道施工不能在沉降變形過程中采取有效措施控制沉降變形。換拱前典型斷面YK144+985 現(xiàn)場監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 換拱前YK144+985 典型斷面監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)圖

5 換拱施工措施

(1)換拱施工工藝

換拱作業(yè)要注重施工安全， 嚴格貫徹落實 “安全第一、預防為主”的思想方針，其施工總體思路為“穩(wěn)、固、拆、換”四字。其中，“穩(wěn)”指的是通過設置環(huán)向臨時支護穩(wěn)定和支撐原來拱架與圍巖；“固” 是指利用施作環(huán)向小導管并進行注漿，通過注漿固結(jié)原拱架背后的圍巖；“拆”是等到注漿達到預期效果后， 利用機械鑿除臨時拱架與原拱架，剝除侵限部分圍巖；“換”是指測量放樣后，迅速掛鋼筋網(wǎng)、初噴，然后安裝新拱架到合適位置并進行連接，焊接鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土封閉。 施工過程前后，對換拱區(qū)間段布設監(jiān)控量測點，觀測沉降變化情況。施工工藝流程如圖11 所示。

圖11 換拱施工工藝流程圖

(2)設置環(huán)向臨時支護

邦山隧道進行換拱施工前需要設置環(huán)向臨時支護，并進行圍巖注漿加固。 環(huán)向臨時支護與原支護結(jié)構(gòu)之間采用砼楔形塊頂緊， 臨時環(huán)向支護的鋼支撐縱向間距為1m。 拱架之間縱向采用φ25@100 鋼筋連接， 環(huán)向采用φ25@100U 型箍嵌入初支， 并在拱頂及兩側(cè)拱腰各增設一根φ50mm 注漿小導管(小導管長L=3.5m，與U 型箍筋焊牢)。 底部采用C25 砼墊塊墊實，并采用30a 槽鋼作為托梁。 環(huán)向臨時支護的鋼拱架拱腳應該設置在堅實的基礎之上，嚴禁拱腳懸空。 臨時支護的鎖腳采用φ89 鎖腳小導管并注漿。 臨時支護的目的是加強對換拱段變形的控制。 在施工過程中，換拱段還存在較大變形。 有必要在環(huán)向臨時支護加豎撐以保證結(jié)構(gòu)安全。 且注意鋼拱架各焊接接頭是否有拉裂現(xiàn)象， 若有發(fā)現(xiàn)及時進行補焊和加固相鄰區(qū)域。 臨時支護安裝如圖12 所示。

圖12 臨時支護安裝圖

(3)徑向小導管注漿

徑向注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外5m，縱向范圍為侵限換拱段落。 小導管采用φ50mm×5mm 熱軋無縫鋼管，長度5m；拱墻：環(huán)向間距1.0m，縱向間距1.0m，梅花型布置。 注漿材料采用普通水泥漿液，水灰比為0.5∶1，設計注漿壓力(終壓值)為0.5∶1MPa(注漿施工前，先進行注漿試驗，已調(diào)整注漿參數(shù))。 注漿施工過程中，觀察并記錄注漿情況，包括孔位、孔深、孔徑、漿液配比、注漿壓力、注漿量、跑漿。 漏漿、串漿等。 同時應該根據(jù)漿液擴散情況、注漿量、注漿壓力等調(diào)整注漿參數(shù)。

在注漿結(jié)束后， 待漿液凝固后及時鉆取檢查孔對注漿效果進行檢查確認， 檢查孔數(shù)量不少于注漿孔數(shù)量的5%；檢查孔徑均應取芯，檢查孔應該成孔完整，鉆孔取芯率達到80%以上，漿液填充率達到80%以上，便可認為注漿達到效果。 注漿效果檢查完成后，檢查孔應封填密實。注漿效果滿足設計要求后方可進行隧道開挖(鑿除臨時支護與原支護結(jié)構(gòu))。

(4)鑿除臨時支護與原支護結(jié)構(gòu)

換拱段鑿除遵循先墻后拱、 先下后上、 一邊起一邊落、先臨時后原支護的原則，避免拱架掉落、塌方隱患。

①首次鑿除(開口)

臨時支護與原支護結(jié)構(gòu)拆除都采用沖擊錘破開鑿除，如圖13 所示。先選擇2 榀間距2.1m(鋼拱架與相鄰鋼拱架通過70cm 連接筋連接)臨時支護拱架，利用沖擊錘鑿除臨時支護的噴射混凝土、鋼拱架、連接筋等。 等環(huán)向臨時支護結(jié)構(gòu)全部鑿除，再破開原支護結(jié)構(gòu)，鑿除過程與鑿除臨時支護結(jié)構(gòu)一致。原支護結(jié)構(gòu)全部鑿除后，迅速進行測量放樣，確定進一步開挖深度(包括預留30cm)。等到開挖至符合要求的輪廓線時， 迅速進行初噴作業(yè)封閉圍巖。

圖13 首次鑿除(開口)示意圖

②后續(xù)鑿除(兩邊走)

首次兩榀鋼拱架通過連接筋、鋼筋網(wǎng)片、錨桿、噴射混凝土等聯(lián)結(jié)在一起形成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 沖擊錘便可以沿著開口向兩邊繼續(xù)鑿除(鑿除過程縱向僅能向一邊進行)，鑿除間距70cm，如圖14 所示。 鑿除臨時支護與原支護結(jié)構(gòu)，迅速進行測量放樣，確定進一步開挖深度(包括預留變形量30cm)。 待到開挖至符合要求的輪廓線時，迅速進行初噴作業(yè)封閉圍巖。

圖14 后續(xù)鑿除(兩邊走)示意圖

(5)安裝新初期支護結(jié)構(gòu)

初期支護采用噴、網(wǎng)、鋼支撐支護。 對原支護結(jié)構(gòu)斷面掃描圖與變更后設計斷面圖的分析， 在加工廠選用工25b 鋼材預制一定弧度，運送至現(xiàn)場拼裝。 工25b 鋼支撐共分5 段通過法蘭盤連接。 法蘭盤采用高強度M20 螺栓連接，連接不牢固，不穩(wěn)定可用焊接處理。 工25b 鋼支撐采用φ25 的U 型筋連接。 搭接處雙面焊接處理。 Φ8mm鋼筋網(wǎng)片20cm×20cm 焊接在鋼拱架上， 留24cm 搭接長度。 超前小導管通過工25b 鋼支撐預先切割的小孔打入圍巖中，長度4m，角度在30°～45°，小導管端頭安裝或焊接注漿閥門。 采用厚度35cm 的C25 噴射混凝土進行封閉，噴射穩(wěn)固，保證表面平整，強度符合設計要求。

(6)新舊初期支護連接處理

隧道換拱段的仰拱砼已經(jīng)澆筑完成， 為了不影響原平衡狀態(tài)與工期，避免由破除仰拱帶來的較大風險。在安裝新鋼支撐時， 需要將新支護鋼支撐與原支護鋼支撐保持在同一斷面。 通過設置一塊搭板將兩者連接，如圖15所示。

圖15 新舊初期支護連接處理圖

(7)監(jiān)控量測

邦山隧道換拱通過監(jiān)控量測確保換拱施工安全以及確定換拱段落二次襯砌施作時間。監(jiān)控量測通過對洞內(nèi)、外觀察、拱頂下沉、凈空變化、拱腳下沉、臨時鋼架應力等項目的觀察， 利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和預測隧道施工的安全性與穩(wěn)定性。在換拱施工的全過程，監(jiān)控量測必須全程布設和監(jiān)測， 為現(xiàn)場人員生命財產(chǎn)安全提供必要的保障和預警。 監(jiān)控量測作業(yè)流程如圖16 所示。

圖16 監(jiān)控量測作業(yè)流程

換拱前，應對換拱段所有已布設測點進行復測，記錄并匯總換拱前的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。換拱過程中，對已換拱完成的段落必須及時重新布點進行觀測， 測量后及時處理量測數(shù)據(jù)，與換拱前的原始數(shù)據(jù)對比，及時作出評價，作為調(diào)整和修改支護參數(shù)及施工方法的依據(jù)， 提供圍巖和支護襯砌最終穩(wěn)定的判斷信息。

重新布設的拱頂下沉觀測點及凈空收斂點觀測點按2m 一個斷面布設， 并且在換拱完成后6h 內(nèi)進行第一次觀測，儀器采用高精度全站儀，觀測頻率為每天兩次，以充分觀測圍巖及初期支護結(jié)構(gòu)的變化， 直至二襯完成后為止；同時洞頂原地表，每5m 一個斷面布設地表下沉觀測點，以觀測地表沉降情況。 對初支侵限較大處，增設絕對位移監(jiān)控點，包括拱架連接板和應力集中處。

需要注意的是， 監(jiān)控量測點的布設要與換拱作業(yè)同步進行，每天定時分析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制位移-時間曲線圖，根據(jù)測點位移變化速率判斷圍巖穩(wěn)定狀況，充分了解和掌握換拱時圍巖動態(tài)發(fā)展情況， 指導施工作業(yè)。

6 總結(jié)

通過對邦山隧道軟弱圍巖條件下?lián)Q拱前后施工過程的詳盡記錄、科學研究和分析，確保了換拱施工的成功。換拱后的監(jiān)控量測結(jié)果表明，初期支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不存在二次侵限情況。此次換拱施工的成功，可為今后軟弱圍巖隧道施工提供指導。

此次換拱施工總結(jié)如下：

(1)事前管控。避免換拱侵限換拱情況的發(fā)生，通過上述原因分析可以采取相應的措施。 隧道施工過程中加強對現(xiàn)場圍巖的勘察，對比分析，及時進行變更施工；軟弱圍巖施工時，應該嚴格按照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”十八字原則進行施工；隧道施工應完善施工分包模式，加強現(xiàn)場管控能力。

(2)事中控制。 嚴格控制換拱施工的質(zhì)量與安全，避免二次侵限和人身財產(chǎn)損失情況的發(fā)生。 把控施工質(zhì)量，控制施工細節(jié)，換拱全程質(zhì)量監(jiān)督；換拱全程監(jiān)控量測實時跟進并及時反饋；安全措施布置到位，避免安全事故。