重載鐵路隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工技術(shù)探討

劉天鋼

【摘要】本論文依托浩吉鐵路土建工程18標(biāo)段方山1號(hào)隧道，在施工階段中，曾一度把泥灰?guī)r判斷為白云巖、凝灰?guī)r，泥灰?guī)r遇水后，容易引發(fā)二襯開裂、初支開裂等多種病害，嚴(yán)重影響了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。針對(duì)隧道膨脹性泥灰?guī)r造成的病害，總結(jié)了一種隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工技術(shù)，解決了膨脹巖應(yīng)急處理時(shí)拱頂嚴(yán)重變形侵限，確保了應(yīng)急處理是膨脹巖洞段的安全。

【關(guān)鍵詞】重載鐵路;隧道;膨脹巖;換拱擴(kuò)挖? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.057

1、依托工程概述

本文依托工程為浩吉鐵路土建工程十八標(biāo)段方山1號(hào)隧道工程。在浩吉鐵路方山1號(hào)隧道在施工階段，曾一度把泥灰?guī)r判斷為白云巖、凝灰?guī)r，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)诟稍锴闆r下，顏色、強(qiáng)度較為接近。隨著雨季到來，泥灰?guī)r遇水后，病害才逐漸被揭示出來，出現(xiàn)了二襯開裂、初支開裂、承載力不足等多種病害，嚴(yán)重影響了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。雖然在出現(xiàn)病害后進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)、襯砌，但是在進(jìn)行擴(kuò)挖、變形鋼架換拱施工時(shí)安全隱患極大，極易發(fā)生隧頂垮塌等安全問題。泥灰?guī)r段施工中出現(xiàn)了多次變形嚴(yán)重超限情況，應(yīng)急加固處理為施工的關(guān)鍵。

2、隧道膨脹巖換拱擴(kuò)挖施工技術(shù)工藝原理

一種隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工方法包括應(yīng)急處理加強(qiáng)的臨時(shí)支拱和后續(xù)的換拱擴(kuò)挖工藝，其中，臨時(shí)支拱和換拱擴(kuò)挖工藝均采用以原相鄰支拱為一單元段、順序單元依次施工工藝;即，從隧道入口段開始，首先完成第一單元的臨時(shí)支拱施工，依次順序完成余下單元的臨時(shí)支拱后，再?gòu)乃淼廊肟诙伍_始，完成第一單元的換拱擴(kuò)挖施工，依次順序完成余下單元的換拱擴(kuò)挖施工。具體見下圖1。

一種隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工方法結(jié)構(gòu)原理圖（1）

一種隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工方法結(jié)構(gòu)原理上圖2（2）

具體施工工藝如下：

S1.在膨脹巖段增設(shè)5m徑向注漿進(jìn)行注漿加固;

S2.拱頂增設(shè)φ42、L=3.0m超前小導(dǎo)管;

S3.拆除施工單元中間臨時(shí)支拱的工字鋼架;

S4.鑿除施工單元原既有鋼架支拱之間的混凝土，鑿除寬度為1.0m，噴射混凝土，拆除順序，為先拱墻后邊墻的原則進(jìn)行，先拆除拱部混凝土，然后拆除變形嚴(yán)重的邊墻混凝土，然后拆除另一側(cè)邊墻混凝土;

S5.擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面后，進(jìn)行初噴支護(hù)，然后在施工單元原既有鋼架支拱之間安裝新格柵拱架，安裝順序原則為先安裝入口端第一拱架、再順序第二拱架;將施工單元原既有鋼架支拱之間按隧道走向長(zhǎng)度均分為四段，于第一段設(shè)置第一拱架、第三段設(shè)置第二拱架;

S6.重復(fù)S3、S4、S5進(jìn)行后續(xù)一單元的施工;

S7.拆除施工單元的原既有鋼架支拱和同一斷面的臨時(shí)支拱，擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面，連接兩側(cè)鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土;

S8.重復(fù)上述步驟進(jìn)行后續(xù)一單元的換拱擴(kuò)挖施工。

3、隧道膨脹巖換拱擴(kuò)挖施工技術(shù)主要施工方法

3.1變形段初支斷面超欠挖檢查

對(duì)初支變形地段每榀拱架進(jìn)行斷面凈空檢查，并繪出超欠挖斷面圖。在現(xiàn)場(chǎng)用油漆標(biāo)出換拱的起止里程、部位，方便現(xiàn)場(chǎng)換拱施工。

3.2換拱部位臨時(shí)支撐加固及拆除

換拱前，首先對(duì)已施做的初期支護(hù)進(jìn)行徑向注漿及臨時(shí)加固，防止在換拱的過程中局部變形過大導(dǎo)致塌方，在原有的鋼架的位置架立臨時(shí)支撐。

變形段采用橫向支撐加固，采用Φ108鋼管，橫支撐每隔2.4m設(shè)置一處，在原初支鋼架A單元與B單元接頭處兩端拱架連接處上下各400mm位置設(shè)置20cm×20cm×1.5cm鋼墊板。并用Φ42mm鋼管做斜撐對(duì)橫支撐進(jìn)行加固。每道橫撐之間采用Φ42mm鋼管做剪刀撐狀加固，確保橫撐不變形。

在拆除臨時(shí)支撐時(shí)，必須保證前一榀換拱拱架已封閉成環(huán)，每循環(huán)換拱施工封閉成環(huán)后拆除下榀臨時(shí)支撐。在換拱施工時(shí)要對(duì)下一拼臨時(shí)支撐進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，如果數(shù)據(jù)有突變，則需要立即停止換拱作業(yè)對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行加固，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可進(jìn)行換拱作業(yè)。

3.3施作徑向注漿

變形段初期支護(hù)打設(shè)L=5m、Φ42mm注漿小導(dǎo)管，沿隧道拱墻周壁進(jìn)行圍巖徑向注漿加固。注漿鋼管間距為2m（環(huán)向）×2m（縱向）。注漿采用1：1水泥漿，注漿壓力1.0～1.5MPa，具體注漿壓力根據(jù)施工過程中圍巖變化、注漿情況、范圍適當(dāng)調(diào)整。

注漿前要對(duì)注漿設(shè)備及壓力表進(jìn)行檢驗(yàn)，每次注漿前要確保壓力表歸零，安排專人觀察注漿壓力值。待漿液凝固后，結(jié)合凈空測(cè)量數(shù)據(jù)，變形穩(wěn)定后方可進(jìn)行換拱處理。

3.4超前小導(dǎo)管

圓形擴(kuò)挖斷面拱部120°范圍設(shè)Φ42超前注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)設(shè)置28根;小導(dǎo)管每根長(zhǎng)4.5m，縱向每2榀鋼架施作1循環(huán);外插角控制在5°～10°，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。超前小導(dǎo)管配合鋼架使用，利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護(hù)。

3.5拆除初期支護(hù)混凝土

對(duì)換拱部位混凝土進(jìn)行拆除，先拆除變形較大一側(cè)，然后拆除變形較小一側(cè)，混凝土拆除采取挖掘機(jī)（配置破碎錘、松土器）配合人工風(fēng)鎬的施工方式。

鑿除循序?yàn)橄裙昂髩Γ鸪龄摻罹W(wǎng)或連接筋混凝土面時(shí)，要優(yōu)先切斷鋼筋網(wǎng)及連接筋，確保全部切斷后方可對(duì)剩余混凝土進(jìn)行鑿除。在拆除噴射砼過程中對(duì)既有的鋼筋網(wǎng)及連接筋采用水焊進(jìn)行切割處理。拆除后進(jìn)行擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)輪廓線，擴(kuò)挖后對(duì)巖面進(jìn)行混凝土初噴。初噴封閉圍巖后再進(jìn)行初期支護(hù)施工。

3.6架設(shè)工型鋼及噴射砼

變形段架設(shè)工22型鋼鋼架，鋼架間距為60cm，拱腳打設(shè)Φ50mm鎖腳錨管，兩邊拱腰、拱腳及墻角每節(jié)點(diǎn)各2根，每根長(zhǎng)5m，與巖面成45°角打設(shè)，注水泥漿;安裝Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸20×20cm，鋼拱架處外露20cm作為搭接預(yù)留筋;縱向每2榀鋼架采用Φ22mm鋼筋縱向連接，環(huán)向間距100cm，外露10cm作為搭接預(yù)留筋;C25網(wǎng)噴射混凝土厚30cm。架立鋼架按照先AB單元，再C單元，最后封閉成環(huán)的支護(hù)順序進(jìn)行。

3.7拆除原有鋼架、新鋼架安裝

新鋼架安裝及混凝土支護(hù)完成4榀之后，可以拆除該范圍內(nèi)原有鋼架，拆除順序先拱部后邊墻原則，擴(kuò)挖鑿除混凝土至設(shè)計(jì)斷面，連接兩側(cè)鋼筋網(wǎng)片及鋼架連接筋，噴射混凝土支護(hù)。

（1）新鋼架安裝

鋼架安裝在初噴完成后進(jìn)行。鋼架間距0.6m/榀，每榀拱架之間縱向連接采用Φ22螺紋鋼，環(huán)向間距1.0m。

A.連接筋與鋼架、連接筋與連接筋應(yīng)焊接牢固。

B.鋼架各段間的連接采用螺栓連接，連接板間應(yīng)密貼，螺栓必須擰緊，連接板連接無法密貼到位時(shí)，必須用鋼板焊接密實(shí)。

C.鋼架安裝前應(yīng)清除腳底下的虛砟及雜物，拱腳必須放在牢固的基礎(chǔ)上。

D.架立時(shí)測(cè)量人員全過程進(jìn)行測(cè)量控制，及時(shí)調(diào)整拱架的位置和高程，保證拱架的位置和高程符合要求。

（2）鎖腳錨桿

每榀鋼架在左、右側(cè)拱腳打設(shè)Φ50mm鎖腳錨管，墻角每節(jié)點(diǎn)各2根，每根長(zhǎng)5m。

（3）縱向連接

鋼架間縱向連接采用Φ22螺紋鋼連接，環(huán)向平行布置，環(huán)向間距1.0m。連接筋的加工長(zhǎng)度應(yīng)大于鋼架間距，施工過程中應(yīng)預(yù)留出下一循環(huán)的搭接長(zhǎng)度，連接鋼筋縱應(yīng)與拱架及鋼筋網(wǎng)片焊接牢固。

（4）鋼筋網(wǎng)片

鋼筋網(wǎng)片采用φ8鋼筋焊制，在鋼筋加工場(chǎng)內(nèi)集中加工。先用鋼筋調(diào)直機(jī)把鋼筋調(diào)直，再截成鋼筋條，鋼筋網(wǎng)片尺寸根據(jù)拱架間距綜合考慮確定，網(wǎng)格大小為20cm*20cm布置。

3.8 噴射混凝土

噴射混凝土作業(yè)應(yīng)采用分段、分片、分層依次進(jìn)行，噴射順序應(yīng)自下而上，分段長(zhǎng)度不宜大于6m。噴射時(shí)先將低洼處大致噴平，再自下而上順序分層、往復(fù)噴射。

噴射混凝土分段施工時(shí)，上次噴混凝土應(yīng)預(yù)留斜面，斜面寬度為200～300mm，斜面上需用壓力水沖洗潤(rùn)濕后再行噴射混凝土。分片噴射要自下而上進(jìn)行并先噴鋼架與壁面間混凝土，再噴兩鋼架之間混凝土。邊墻噴混凝土應(yīng)從墻腳開始向上噴射，使回彈不致裹入最后噴層。分層噴射時(shí)，后一層噴射應(yīng)在前一層混凝土終凝后進(jìn)行，若終凝1h后再進(jìn)行噴射時(shí)，應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴層表面。

4、實(shí)施效果

隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工技術(shù)在浩吉鐵路施工中成功用于多個(gè)隧道，不僅適用于隧道膨脹巖段施工，也適用于隧道拱頂巖溶地質(zhì)處理，其中浩吉鐵路方山1號(hào)隧道采用該技術(shù)擴(kuò)挖換拱30m，其他軟弱互層淺埋洞段采用該工法擴(kuò)挖換拱55m;紅土嶺隧道兩個(gè)巖溶洞段采用該技術(shù)擴(kuò)挖換拱32m。同時(shí)該技術(shù)也在國(guó)際工程雅萬高鐵軟巖隧道施工中應(yīng)用，取得了較好地效果。

結(jié)語：

重載鐵路隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工技術(shù)針對(duì)隧道膨脹巖自由膨脹率高的特性設(shè)計(jì)，與常規(guī)的換拱方法相比，該施工技術(shù)提高了隧道初期支護(hù)加套拱組合支護(hù)的抗變形能力，換拱時(shí)合理安排了拆除順序，保證了套拱拆除過程中的隧道初期支護(hù)穩(wěn)定，有效的控制了隧道膨脹巖石加固處理后的隧道凈空，能夠保證二襯厚度滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外類似工程施工有較高的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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